PVP对DEPE脂质膜结构影响的小角X射线研究

PVP对DEPE脂质膜结构影响的小角X射线研究 PVP对DEPE脂质膜结构影响的小角X射 线研究 黄海燕:PVP对DEPE脂质膜结构影响的小角X射线研究 PVP对DEPE脂质膜结构影响的小角x射线研究 黄海燕 (1.西安铁路职业技术学院陕西西安710014;2.陕西师范大学物理学与信息技术学 院陕西西安710062) 摘要:用小角x射线(sAx)研究聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对磷脂酰乙醇胺(PE)脂质膜 结构的影响.研究发现,在PE— PVP膜中,随着PVP浓度的增加,发生了由立方相Im3m(.)到立方相Pn3mQ2)的相 变.在0.05Wt%PVP中,PE—PVP 膜是处在Im3m(.)和Pn3m()共存的立方相.在0.5wtPVP中,PE—PVP膜是以立方 相Pn3m(")存在. 关键词:小角X射线;生物膜;液晶;相变;立方相 中图分类号:0434文献标识码:A文章编号:1004—373X(2009)20—152—03 StructuresofPhosphatidylethanolamineMembranebySmallAngleX—rayScattering HUANGHaiyan' (1.xianRailroadVocationallyTechnicalCollege,Xian,710014,China; 2.CollegeofPhysics&InformationTechnology,ShaanxiNormalUniversity,Xian,710 062,China) Abstract:Theeffectsofpolyvinylpyrrolidone(PVP)onthephasestabilityandstructuresofth emixturemembranesof1, 2一Dielaidoyl—sn—glycero一3一 phosphoethanolamine(DEPE)haveinvestigatedbysmallangleX—rayscattering.Aphase transitionfromIm3m(Q)toPn3m(Q.)phaseoccurredwithincreasingPVPconcentrationint heDEPE—PVPmem— brane.At0.05WtPVP,DEPE— PVPmembraneswereinthecoexistencecubicphaseofbothQ2andQ2,andat0.5Wt PVP,DEPEmembraneswereintheQ"phase. Keywords:smallangleX—ray;biomembrane;liquidcrystals;phasechange;cubicphase 0引言1材料与 液晶生物膜的研究是软凝聚态物理的前沿领域之 一 .磷脂酰乙醇胺(PhosphatidylEthanolamine,PE)是构 成生物膜(Biomembrane)骨架的主要分子之一,对其结构 的多型性(Polymorphism)研究发现,PE能自然形成六角 相(HexagonalPhasesH【1).非双层(Nonbilayer)相的稳 定性以及不同非双层结构之间的相变研究,对弄清磷脂 膜结构的多型性具有非常重要的意义[.在生物膜结 构中,PE易形成稳定的非片层以及多层脂质体泡囊 (LipidVesicles),PE脂质体通常处于六角相[3]. 立方相和六角相结构已引起了世界众多物理学家 的关注.这些非双层结构被认为在膜的融合,膜蛋白功 能的控制,细胞内超分子结构和膜蛋白的晶体结构中起 着非常重要的生理作用.聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是 一 种高效分散剂,在脂质体的制备中,对获得均匀的脂 质体具有重要的作用.聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对磷脂 酰乙醇胺(PE)混合脂质相行为的影响是一个十分值得 研究的问题. 收稿日期:2009一O6—23 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20272035);教育部科 学技术研究重点资助项目(104167) 152 1.1实验材料 1,2一二十四甘油酸一3一磷脂酰乙醇胺(1,2一Die— laidoyl—glycero一3一Phosphatidyl—Ethanolamine. DEPE)购于Sigma(USA)公司.聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)和其他化学试剂购于中国上海试剂公司. 1.2样品制备 按实验要求将DEPE溶于乙醚中,配成溶液;将 PVP溶于mol/15磷酸盐缓冲液(PBS,pH7.4)中,过 滤.滤液置于三角具塞烧瓶中,将该烧瓶放在磁力加热 搅拌器上,将温度控制在60,7O?范围内,高速搅拌, 用微量注射器将溶有药物的乙醚溶液缓慢加入,加完后 在上述温度范围内继续搅拌90rain,在显微镜下观察 脂质体达到要求后,密闭保存待用.多相脂质体的组分 见1. 表1多相脂质体的组分 表1中:PVP:聚乙烯吡咯烷酮;PBS:磷酸盐缓冲 液;DEPE:1,2一二十四甘油酸一3一磷脂酰乙醇胺PVP, 《现代电子技术)2009年第20期总第307期计算机应用技术司 polyvinylpyrrolidone;PBS,phosphatebufferedsaline; DEPE:1,2一Dielaidoyl—sn—glycero一3一phosphati— dylethanolamine. 1.3小角X射线散射(SAXS)实验 小角X射线散射(SAXS)图谱是在日本理学D/ max—rB型旋转阳极X射线衍射仪的小角散射附件上 测得.样品用浴式超声波发生器振荡30min,将其充 分混匀后,置于特制样品架上进行小角x射线散射测 定.用闪烁记数器作为X射线探测系统,将光信号转 换成电信号输入计算机进行数据处理.测试条件: CuK辐射,一0.154056nm,Ni滤波片,管压为 40kV,管流为100mA,一级狭缝为0.08mm,二级狭 缝为0.06mm,三级狭缝为调至最佳状态.接受狭缝为 0.1mm,防散射狭缝为0.25mm,扫描速度为 0.5./min,时间常数为2S,样品均在室温进行测定. 1.4脂质胞囊液晶结构特性的SAXS 1.4.1片层液晶相结构 液晶相参数可以从X衍射空间的重复间距d来计 算.磷脂系统的双层相,圆柱体,微胞等,其长程有序的 一 维,二维和三维晶格引起的Bragg衍射与倒易空间间 距(一1/)的比率相关.对于片层液晶相,其倒易 空间间距(S=lid)的比率是:1:2:3:4:…,磷脂双 层相的厚度是d一,水层的厚度是d一d-一样 品非水部分的体积是一/(+),其中vl是每个磷 脂分子的体积,为每个磷脂分子的结合水体积. 1.4.2六角液晶相结构 对与六角液晶相,与晶面间距d从相应的Miller指 数h,忌,分别为(1,O),(1,1),(2,O),(2,1),(3,O),…, 其倒易空间间距S胁:==士一_二?的比率 口a,/3 是:1:,/g:2:?7:3:….六角相Hl的晶胞参数是a一 (2/?3),水柱的直径是d一[(2Ja-/~)(1一)口.]专. 沿圆柱体轴线的脂质层的厚度是d一a—d. 1.4.3立方液晶相结构 对于立方液晶相,晶面间距为d从一~/C(h.+是+ z)专],其倒易空间间距为S触一1/d舶一(^.+k+ z)寺/口,相应的Miller指数hk1分别为(100),(110), (111),(200),(210),(211),(220),(221/300),…,相应 的Bragg衍射峰倒易空间间距的比率是:1::: ?4:?5:?6:?8:?9:….对双联立方液晶相(Bio— continuousCubicLiquidCrystallinePhase),晶胞参数 是a一?2d.衍射线的消光规律为h+k+一2n,其 Miller指数线性相关.空间群Pn3m(Q..)的立方液晶 相,允许的Bragg衍射存在的Miller指数(hk1)是 (110),(111),(200),(211),(220),(221/300),(310), … ,相关的Bragg衍射峰倒易空间间距的比率是:?2: ?3:?4:?6:?8:?9:,//1O:….对于空间群 Im3m(Q..)的立方液晶相,允许的Bragg衍射存在的 Miller指数(hk1)是(110),(200),(211),(220),(310), (222),(321)…相关的Bragg衍射峰倒易空间间距的比 率是:::::::...?. 2结果 用小角x射线散射(sAXS)技术研究PVP对DEPE 形成的立方液晶相的影响.实验结果表明,PVP对DE— PE立方相形成的影响依赖于PVP的浓度.如图1(a)所 示,在0.05wtPVP,DEPE—PVP混合膜的衍射线空 间的重复晶面间距(nm)是18.823,13.310,10.868, 9.412,8.418,7.685,6.655和14.708,12.009,10.400, 8.492,7.354,6.578,6.004,5.559.由此得到的倒易空间 间距的比率::::,/i-6:: :,n,/g:再::::::, 分别对应空间群Im3m(Q2)立方液晶相和空间群Pn3nl (Q2)立方液晶相.结果表明此时DEPE—PVP混合膜 是处在Im3m/Pn3m共存的混合立方液晶相.根据晶 ,以S触 格常数口与晶面间距d和晶面指数hkl的关系 与,//^.+k.+为坐标作图(见图I(b)),它是一条通过零 点的直线,斜率为口值的倒数,由此求得晶体空间群 Im3m(Q2.)和Pn3m(Q2.)的晶格常数分别是 26.620nm和20.800nm.随着PVP浓度增加,在DEPE — PVP混合膜中,发生了从Im3m(Q2.)到Pn3m(QZ) 的相变,与相变点相应的PVP浓度是0.1wt.在 0.5wtPVP中得到的DEPE—PVP混合膜衍射线空间 的重复间距是14.708,12.009,10.400,8.492,7.354, 6.578,6.004,5.559,相应的倒易空间间距的比率是?2: ?3:?4:?6.?8:,/]-6:~/12:~/14,对应于Pn3m (Q.)立方液晶相,晶格常数是20.800nm. 臻 图1PVP对PVP含量增加对DEPE 混合膜液晶相影响的X射线谱 153 黄海燕:PVP对DEPE脂质膜结构影响的小角X射线研究 3讨论 在生物膜系统中,最常见的非双层相是倒六角液晶 相(H.).但用小角X射线散射研究发现,磷脂在表面 活性剂和其他化学物质的作用下能形成立方液晶相结 构.在DEPE混合系统中,高的PVP浓度诱导形成 Pn3m相,低的PVP浓度促使形成Pn3m相和Im3m相 共存的立方液晶相结构.发生Im3m/Pn3m两个立方 液晶相的共存总是与其晶格常数比等于1.28相联系 (26.620/20.800—1.2798,28.5/22.3—1.278O).与 IPMS(InfinitePeriodicMinimalSurfaces)的理论相符. Koynovaetalr3发现,非双层相按照下列顺序排列: 连续立方相(Im3m,Pn3m,Ia3d)一六角相(H)一微胞立 方相(Fd3m)--~各向同性相(I).在较高的脂肪酸(FA)含 量(85一tool)中,空间群(Fd3m)微胞立方相在PC/FA 混合中形成.在较低的脂肪酸(FA)含量(75一mol) 中,至少三个立方相(Ira3m,Pn3m,Ia3d)被发现.但在的 实验中从Pn3m到Im3m相的相变中没有发现Ia3d相. 这里认为,在生物膜系统中,通过化学组分的改变,可能 诱导Pn3m相转变成Im3m相.在DEPE混合膜中,加 入PVP可能诱导Pn3m相通过表面结构的旋转形成 Im3m相,而没有任何结构的破坏. 作者简介黄海燕女,1960年出生,访问学者. 参考文献 [1]Estrela—Lopis,BrezesinskiG,MohwaldH.Miscibilityof DPPCandDPPAinMonolayersattheAir/WaterInterface [J].ChemistryandPhysicsofLipids,2004,131(1):71—8O. [-23孙润广,张静,齐浩.胆固醇对脂双层结构影响的SAXD和 STM研究[J].生物物理,2001,17(1):53—58. [3]孙润广,张静,王永昌.多烯脂肪酸对磷脂胆固醇脂质体液 晶态结构的影响机理[J].生物物理,1999,15(4): 675—681. [4]孙润广,张静,王永昌.脂肪酸多相脂质体与癌细胞膜相互 作用的谱研究EJ].生物化学与生物物理进展,2000,27(3): 296—300. [5]孙润广,齐浩,张静.脂质体结构特性的原子力显微镜研究 [J].物理,2002,51(6):41—45. [6]MaasJH,CohenStuartMA,FleerGJ.ThinBiockCopoly— mersFilm:FilmFormationandCorrugationunderanAFM Tipl,J].ThinSolidFilms,2000,358(1—2):234—240. E7]ZhangJ,SunRG,LipidMembrane.InelasticDeformationof theSurfaceStructurebyAtomicForceMicroscopy[J]. Chin.Phys.,2002,51(8):776—784. [8]张静,孙润广.糖和盐类物质对生物膜超分子结构稳定性影 响的研究EJ].化学,2006,64(19):1993—2002. (上接第151页) 量随时问变化很小,不能真实地反映语音信号的幅度变 化;反之,窗长太小,短时能量随时间有急剧的变化,不 能得到平滑的能量函数,因此应该根据不同的需要选择 合适的窗长,否则提取特征参数会产生很大的误差[8]. 此外,采用LPC谱估计基音周期的方法,其算法的 运算量较大,而CEP谱算法简单,概念更直观,且在少 部分情况下基音峰会变得更突出,基音周期的估计值更 加准确;在实际的基音周期检测算法中,CEP谱的应用 更为广泛,因此基于CEP谱的改进算法是进一步需要 研究的理论. 参考文献 [1]陈洪立.一种基音周期估计方法[J].江西通信科技,2004 (2):8—10. [2]王文延,曾庆宁.一种噪声环境下的语音端点检测方法[J]. 声学技术,2007,26(3):435—441. [3][美]夸特尔瑞.离散时间语音信号处理(原理与应用)[M]. 赵胜辉,译.北京:电子工业出版社,2000. [4]王洪海,刘刚,郭建军.基于滑动倒谱的自动语言识别EJ1. 智能系统,2008(4):336—341. [5]李跃强,孙星明,周天亮.基于复倒谱变换的数字音频水印 研究[J].计算机工程,2006,32(23):145—148. [6]丛玉良.数字信号处理及其Matlab实现[M].北京:电子工 业出版社,2004. [7]拉宾纳,谢弗.语音信号数字处理I-M].朱雪龙,译.北京:科 学出版社,1993. 1,81刘建,郑方,吴文虎.基于混合幅度差函数的基音提取算法 FJ].电子,2006,34(10):1925—1928. [9]周文,侯阿临.基于自适应滤波和小波变换的基音检测[J]. 电声技术,2006,30(10):41—43. 1-10]欧贵文,程新荣,杜剑峰.一种基于时域的基音周期提取方 法[A].第五届全国人机语音通讯学术会议集 rC].1998. 作者简介马英女,1978年出生,讲师.从事电子与通信教学及信号处理的研究工作. 石小荣女,1986年出生,青海民族学院电信系O5级通信工程. 李海新男,1985年出生,青海民族学院电信系O5级通信工程. 154