细胞膜中微区结构的热力学行为研究

马艳+赵飞燕

摘要：采用LB膜技术合成了磷脂酰乙醇胺PC/磷脂酰胆碱PE/胆固醇Chol单分子膜，通过分析和计算磷脂酰乙醇胺PC/磷脂酰胆碱PE/胆固醇Chol三元体系中单分子膜的过量吉布斯自由能、熵、过量分子面积和弹性模量，定性研究了磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰胆碱（PC）和胆固醇三元混合体系的热力学行为。

关键词：LB膜技术;PC/PE/Chol单分子膜结构;热力学行为

中图分类号：O647

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2014）12-0223-02

1引言

细胞膜中微区结构是当前研究热点问题之一，磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰胆碱（PC）和胆固醇（Chol）是生物膜骨架中的基本成分，它们结构和功能的改变，会引发一系列的疾病，人工模拟是研究细胞膜中微区结构的基本途径[1]，LB膜技术常用于辅助研究细胞膜上微区结构，本文利用LB膜技术制备PC/PE/Chol单分子膜，通过绘制PC/PE/Chol LB膜的标准π-A曲线来研究磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）和胆固醇（Chol）形成的三元系统的结构、功能及其热力学行为。

2材料与方法

2.1材料

磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、胆固醇（Chol）、乙醚、去离子水。

2.2PC/PE/Chol单分子膜的制备

将磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺和胆固醇溶于乙醚中形成浓度为0.3mg/mL的溶液，将其均匀地滴在亚相水槽上， 待乙醚挥发后，保持表面压在20mN/m的恒定压力下，以1.5mm/min的速度垂直提膜法将单分子膜转移到新解离的亲水性云母基片上，成膜温度控制在（20+0.5）℃ 。

3结果与讨论

3.1PC/PE/Chol单分子膜的π-A曲线分析

我们采用了PC/PE/Chol膜作为天然细胞膜的模型，在细胞膜中磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺是两种主要的磷脂类型，都是由一个亲水基和两个疏水基构成，是典型的双亲性分子，胆固醇系固醇类物质，由4个环状核及疏水尾部构成，也具有双亲性，本次实验选择胆固醇对于磷脂的含量保持在0.5，也是在人类细胞膜中的主要比例[2～4]。PC/PE/Chol单分子膜的π-A曲线如图1所示，图中π表示膜压，A表示单分子面积，从图1中可以清楚地看到G表示气相，分子之间的距离很大，使得单分子面积较大，膜的状态近似满足理想气体物态方程，可以通过理想气体物态方程计算出其温度、体积等热力学函数，L表示液相，随着膜进一步被压缩，分子之间距离减小，PC/PE/Chol单分子膜逐渐向液态转变，在气态和液态之间出现一些列过渡状态，图上的突变点表明存在着相变：从液体扩张状态（LE）到达液体压缩状态（LC）。S代表固相，随着膜压的继续增大，分子之间紧密排列，单分子面积急剧减小，超过极限单分子面积后，进一步压缩膜，则造成膜的崩塌。

图1PC/PE/Chol膜的π-A曲线

3.2PC/PE/Chol三元体系单层膜相互作用分析

在理想混合的情况下，PC/PE/Chol平均分子面积可由文献[5]计算：

A=A1X1+A2X2+A3X3                 （1）

式（1）中：A1、A2和A3分别表示在20mN/m膜下PC、PE和Chol的平均分子面积，X1、X2、X3分别表示PC、PE和Chol组分在混合PC/PE/Chol单层膜中所占的摩尔分数，如果计算得到的PC/PE/Chol体系在这三种成分的某一种比例配比中出现负偏差，说明在该比例下，这三种分子发生的相互作用为吸引作用，使得PC/PE/Chol体系更容易混合，如果在此比例下出现正偏差，说明分子在此比例下发生的作用为排斥作用，表明PC/PE/Chol体系不易混合。

3.3PC/PE/Chol单分子膜稳定性分析

分析由两种或者两种以上分子组成的单分子层的热力学稳定性和分子之间相互作用时，表面过量吉布斯函数ΔG（ex）是一种有用的方法[6]，对于混合系统来说，ΔGmix为实际体系的吉布斯函数ΔG（id），由理想吉布斯函数和过量吉布斯函数改变量ΔG（ex）之和决定。

ΔGmix=ΔG（ex）+ΔG（id）（2）

对于理想混合来说，吉布斯能量改变量仅包含熵：

ΔG（id）=RT∑XilnXi（3）

式（3）中：Xi为单分子层中的i组分的摩尔分数，R为普世气体常数，T为热力学温度。

根据文献[6]，如果假设普通的研究方法大致适用于我们现在研究的三元体系，实际三元体系的熵可以认为就等于理想体系的熵，PC/PE/Chol三元体系中的过量吉布斯函数可表示为：

ΔG（ex）=∑RT（Xilnfi）（4）

式（4）中：fi为活性系数，反应了分子之间的相互作用，根据常规计算方法，lnfi可由式（5）来计算：

ln fi=ω（1-Xi）2RT（5）

式（5）中：ω是由不同种类分子之间的结合力所引起的相互作用参数。

根据热力学知识，PC/PE/Chol三元系统的熵为：

S=-（GT）P=-∑ni=1T（Xilnfi）（6）

根据文献6，单层膜表面的过量吉布斯函数越小，对应的单层膜则越稳定。

3.4PC/PE/Chol单分子膜压缩特性分析

分析单分子膜时，压缩系数也是来衡量分子间相互作用的有效参数，PC、PE和Chol三元体系的压缩系数CS可以根据文献[7]中公式计算：

Cs=-1A（Aπ）T（7）endprint

式（7）中：A为图1中的单分子面积，π为图1中膜的表面压力，根据（7）式，可得：

C-1s=-A（πA）T（8）

式（8）中：C-1s为弹性系数，曲线斜率与弹性系数是一致的。

对于胆固醇来说，高的压缩系数使得其具有高压缩性，尽管如此，在压力约等于25mN/m时，通过曲线能够证明它的变化趋势，这与从液态压缩相过渡到固体相的相变趋势是一致的。

4结论

近年来，很多研究者研究了混合体系单分子层相变，包括吉布斯吸附层中的第一次和第二次相变，通过测定和计算这些混合体系单分子层中的热力学函数来研究这些组分之间的相互作用及对整个单分子层的影响，这些计算结果也被相应的显微镜图片所证实。本文通过LB膜技术制备PC/PE/Chol单分子膜，通过对π-A曲线、过量吉布斯函数、熵、弹性系数和平均单分子面积的分析和计算，研究了热力学运动对PC/PE/Chol单分子膜结构的作用，对探索生物膜的功能和结构具有潜在的应用价值。

参考文献：

[1]杨小乐，孙润广，张静.LB膜与AFM技术研究磷脂酰乙醇胺单分子膜结构 [J] .液晶与显示，2006，8.21（4）：348～355.

[2]常怡光，孙润广，郝长春.磷脂酰乙醇胺与硬脂酸和十八醇二元混合体系单层膜的热力学特性和AFM观测[J].高等学校化学学报，2010.3（31）：449～565.

[3]郝长春，孙润广，张静.鞘胺醇/胆固醇单层分子膜的热力学特性及表面形态的AFM观测[J].中国科学 B辑：化学，2008，38（11）：1018～1024.

[4]孙润广，郝长春，常怡光.鞘氨醇与DPPC，DPPE单层膜的热力学特性及形态观察[J].化学学报，2009，（67）15：1808～1814.

[5]Katarzyna H W，PawlelW，The influence of fatty acid on model cholesterol/phospholipid membranes[J].ChemPhys Lipid，2007，150：61～81.

[6]KomadaM，Shibata O ，Nakamura S，LeeS，Sugihara G.A monolayer study on the three binary mixed systems of dipalmitoylphosphatidylcholine with cholesterol，cholestanol and stigmasterol[J].Collodis Surf B Biointerfaces，2004，33：211～226.

[7]BordiF，CamettiC，Venanzio C D，SennatoS，Zuzzi S .Influence of temperature on microdomain organization of mixed cationic-zwitterioniclipidic monolayers at the air-water interface[J]. Colloids Surf B Bioniterface，2008，61：304～310.endprint