电解质溶液中心磷脂的自组装形态及结构稳定性

摘要

生物膜是细胞的基本结构和功能单元,除了充当物理屏障的作用外,还参与了细胞的多种生理活动,包括细胞与外界物质交换、能量传导、细胞问相互作用等等。在这些过程中,生物膜的基本成分——脂质双分子层的性质和拓扑结构是很多生理功能发挥作用的关键,如线粒体内膜的拓扑结构在不同的功能状态下会呈现不同的形貌。因此,对膜结构的形态、稳定性及演化机制的深入认识将有助于揭示很多生命过程的实质,特别是模型膜研究的引入更是极大地促进了人们对膜结构性质的认识。心磷脂是脂类中独一无二的带有负二价头部基团及多达四条尾链的磷脂分子,是线粒体内膜的主要成分,作为与功能相关的膜结构转变的主要参与者,近几十年来深受研究者的关注。但是有关心磷脂组装形态的直观研究,尤其是形态与影响因素之间的直观的关系还不是很清楚,而这对于解释心磷脂在细胞中作用却有十分重要的意义。本论文的目的就是要研究在生理盐浓度附近的电解质溶液中,心磷脂分子的自组装形态的多样性及形成机理,以及电解质溶液浓度对组装形态的调制作用及形态转变的动力学机制。主要的研究内容和结果如下:
　　 1)通过直接水合法,研究心磷脂干膜在接近生理盐浓度的水合溶液中自组装结构的多样性。实验发现,心磷脂可以形成四种重要的微观结构:同中心多层管状囊泡(myelin)、花环样结构(toms)、蓝莓样结构(raspberry)和蜂窝样结构(honeycomb)。其中,myelin结构是脂水界面上形成的最常见的微结构。后三种结构在其它磷脂体系中比较罕见,是心磷脂干膜逐渐溶胀的过程中,脂质中因含水量不同而形成的中间态结构。随着初始水合液浓度不同、水合液中浓度分布的不均匀及水流的剪切扰动等因素的影响,体系中分子呈现出不同的组装形态。通过对这些中问态形成机制的分析,使膜的溶胀和自组装过程得到了进一步的认识。
　　 2)通过动力学研究发现,在0.005M～0.37M的水合电解质溶液中,心磷脂干膜水合后形成了两类myelin,这两类myelin的形成机制、生长标度关系及结构稳定性互不相同。第一类myelin是在水流的剪切驱动下生长的,即外力诱导生长。随着水流驱动力的消失,myelin也将迅速回缩到基膜中。第二类myelin的形成是由于心磷脂层状膜在溶胀过程中,由于膜问压过大造成了平面膜向管状膜的转变,是热力学驱动的生长。这类myelin通常能够在最大长度上稳定一段时间,然后因盐浓度升高或是水的渗入等因素打破了膜间压的平衡,而发生回缩。不同浓度的水合盐溶液中,这类myelin在最大长度上的稳定时间和回缩速率各不相同,这主要与不同离子浓度下离子对膜表面的静电屏蔽效应的灵敏度不同相关。初始浓度低于生理盐浓度的水合溶液中,屏蔽效应对浓度变化非常灵敏,因此,myelin的稳定时间较短而且回缩速率较快。
　　 3)对于能够稳定存在的myelin结构,采用自然蒸发与微操注射两种方法,人为调节其周围的盐浓度,实验发现,myelin内部将出现波纹样皱褶,我们称之为myelin的起皱现象。这类起皱现象随着环境盐浓度的降低将发生可逆的平滑转变。通过模型计算环境中平均盐浓度随时问的变化及实验测量膜表面电位随盐浓度的改变,我们发现皱褶的出现及形变程度与盐浓度变化的急剧程度有关,也与膜表面电势变化幅度有关。由于这类myelin的结构与线粒体的结构特征相似,可以推测,除了蛋白质在内膜表面的吸附或插入造成自发曲率改变外,电解质浓度调制作用、膜的空间限制效应、膜间静电作用、膜的波动效应等因素在线粒体内膜拓扑结构转变中也能起一定的作用。