摘要

利用振动和频产生、表面压力测量和荧光显微镜研究了钠离子和钙离子对两性离子和阴离子磷脂单分子膜的影响。钠离子对单层结构的影响很小，而钙离子的影响很大，并且强烈依赖于表面压力。在低表面压力下(∼5 mN/m），Ca2+的存在导致意外出现有序结构域。对于压力介于∼5和∼25 mN/m，Ca2+离子诱导单层细胞紊乱。当压力超过25 mN/m时，钙离子扩展单层，同时使脂链有序化。有趣的是，两性离子脂质和带负电脂质的效果相似。在振动和频产生和表面张力测量中，Ca2+与脂质结合的分子特征从Ca2+诱导的信号变化中可以明显看出，对应于4Å2/Lipid9的面积变化精确地说是Ca2+离子的表面积，并有证据表明在高压下脂质Ca2+络合发生变化。

介绍

细胞的质膜由许多不同的磷脂组成，这些磷脂不对称地分布在两个双层小叶上。胞质小叶富含阴离子磷脂酰丝氨酸（PS）磷脂，而细胞外小叶主要含有中性两性脂质。膜脂的性质在很大程度上取决于环境条件，如pH值和离子强度。膜脂与离子的相互作用本课题在膜融合、酶调节、信号转导等许多生物过程中起着重要作用。1-4由于其负电荷，PS磷脂吸引阳离子，如钠和钙。这可以用双电层的古伊-查普曼理论来解释，该理论预测负电荷表面附近的离子浓度会局部增加。5另一方面，金属离子与两性离子磷脂酰胆碱（PC）脂质的头基之间的相互作用预计与PS相比相对较弱。然而，校正了表面电位的差异后，发现离子与PC和PS的结合常数相似。6此外，PC头群方向的微小变化可显着改变膜表面的电性能。7,8

除了一个基本的兴趣，阳离子与PC膜的结合在更实际的应用中受到了特别的关注。9,10最近，研究表明，在Ca2+存在的情况下，DNA与两性离子脂质之间的相互作用通过静电相互作用强烈增强。因此，它们可以作为DNA转染的合适载体，因为两性离子脂质与大多数阳离子脂质相比无毒且生物相容。

迄今为止，大多数实验研究主要旨在量化离子和脂质之间的固有结合常数，以及表征膜表面电位。除了分子动力学（MD）研究外，对脂类和离子之间相互作用的分子细节的11-16见解仍然有限。MD模拟表明，钠离子通过与磷酸二酯氧相互作用特异性地结合到PC双层膜上；11深度渗透后，离子可与羰基配位。13另一方面，二价阳离子（如钙）不能深入到阴离子PS双层膜中，位于磷酸基团周围的狭窄区域。14当阳离子结合到膜上时，脂头基团发生构象变化，随后脂尾顺序增加。11,13,14

尽管使用MD模拟进行了大量的努力，但仍然存在一些有争议的问题，12、15、16部分源于不同的模拟时间，可能是不同模拟中的电位选择。此外，迄今为止的报告仅限于一种特定的脂质密度，即每个分子的一个面积。因此，需要对离子-脂质相互作用进行实验研究，特别是在不同的脂质密度下，以补充现有的理论工作。我们在这里讨论了PC和PS脂质之间的相互作用以及不同脂质密度和相的单价和二价阳离子之间的相互作用。在空气-水界面的脂质单分子膜中，我们研究了离子磷脂复合物的形成以及在一系列脂质密度的单组分膜中离子诱导的脂质重组。

使用三种互补技术的组合研究阳离子脂质单层系统，这三种技术提供不同长度尺度的信息：表面压力测量、荧光显微镜和振动和频产生（VSFG）光谱。表面压力与面积的等温线形成了整个单层相行为的宏观测量。荧光显微镜下，17-19脂质结构域可通过∼200 nm分辨率，而VSFG提供关于脂质分子取向和构象的信息，20-24，尽管平均探测面积为∼10-2 mm2。请注意，SFG对有序结构域最敏感，因为有序结构域提供的信号比无序结构域大得多，因为有序结构域的对称性降低。

脂质单分子膜被广泛用作生物膜的模型系统，因为细胞膜可以被视为两个弱耦合的单分子膜。25对空气-水界面上的脂质单层的研究进一步允许对表面压力进行实验控制。为了观察阳离子对单层组织的细微影响，使用了相对较高（1 M）浓度的阳离子。先前的研究表明，需要如此高的浓度才能获得离子与大多数脂质分子相互作用的显着效果。26,27虽然我们在这里报告了1 M浓度的结果，但对照实验表明，这里报告的效应影响了离子浓度高于50 mM的大多数脂质。

研究了两性离子脂质L-1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DPPC）和带负电脂质L-1,2-二甲基-sn-甘油-3-磷酸丝氨酸（DMPS）的阳离子-脂质相互作用。脂质的结构如图1所示。DMPS和DPPC单分子膜表现出非常相似的相行为，都显示出不同的共存区域。28 DPPC和DMP都有饱和烷基链，烃链的长度略有不同。因此，这两种不同类型的脂质呈现出良好的模型系统，其中阳离子-脂质相互作用可以遵循不同的阶段，并且可以揭示脂质头基电荷的影响。

图1：。DPPC和DMPS的化学结构

关于DPPC和DMPS之间离子-脂质相互作用的比较，估计钙与中性脂质的结合常数为12 M-1<K<20 M-1。因此，在1 M CaCl2溶液中，90%以上的DPPC脂质将与钙结合。在DMP上，需要考虑负表面电荷，这将吸引阳离子。然而，由于中性单分子层几乎所有表面位点都已结合，这不会显着改变结合脂质的比例。因此，在高电解质浓度（1 M）下，可以有意义地比较DPPC和DMPS。

我们发现，钠离子对DPPC单分子膜的影响不大，而钙离子显着干扰脂质组织。令人惊讶的是，钙对脂质组织的影响（即诱导有序或无序）强烈依赖于表面压力π。在低表面压力下(∼5 mN/m）Ca2+的存在触发有序结构域的出现，在中压下，Ca2+倾向于弱无序单层，在高压（π>20 mN/m）下，通过与头部基团的相互作用，在脂尾中诱导大量有序。DPPC和DMPS的这些效应相似，这表明钙离子与相同的头基部分相互作用，最有可能是磷酸基团（见图1）。已知钙和磷酸盐在水中形成强离子对29，并且这种相互作用的强度可能会在类脂头群区域增加，在该区域周围的介电常数（因此电荷的静电屏蔽）会降低。这并不排除Ca2+与DMP丝氨酸基团上负电荷的任何相互作用，但如果发生这种情况，则不会影响脂尾的顺序。钠离子的存在对DMP有更显着的影响，与Ca2+相比，在高压下，脂质顺序降低。