（凝聚态物理专业论文）胆固醇磷脂复合lb膜的微结构.pdf

河南大学凝聚态物理专业2 0 0 4 级硕士学位论文2 0 0 7 6 胆固醇磷脂复合l b 膜的微结构 ( 中文摘要) 研究胆固醇对磷脂单层膜和磷脂双层膜的相互作用在生物中是非常重要的。气液 界面的l a n g m u i r 膜和固体基底上的l b 膜是理想的生物膜模型。利用l b 技术胆固醇、 胆固醇，磷脂复合膜已经被广泛研究。原子力显微镜已被证明为一种在分子水平观察样 品表面形貌和结构的有力工具。 本论文中，以原子力显微镜( a f m ) 为主要的工具，研究了磷脂胆固醇复合 l a n g m u i r - b l o d g e t t ( l b ) 膜的微结构。论文包括以下两部分： 一、磷脂和胆固醇单层膜的制各和表征 我们制备了纯水亚相上不同生物分子二棕榈酰磷脂酰胆碱( d p p c ) 和胆固醇 ( c h 0 1 ) 的l a n g m u i r 膜。并利用l b 技术分别制备了亲水云母基底上表面压力分别为 5m n m 、1 5m n m 、2 5m n m 的d p p c 和胆固醇的单层l b 膜，通过原子力显微镜和 和a 等温曲线研究了膜的相分离和微结构。实验表明，d p p c 的l a n g m u i r 膜比胆固醇 的l a n g m u i r 膜分子极限面积大，崩溃压高，可压缩性大。即d p p c 具有较好的成膜 性能。表面压力的增加促成了相转变，相变的过程是成核、生长、融合。 二、d p p c 胆固醇复合l b 膜微结构研究 胆固醇对磷脂膜的影响与生物膜的生理功能有很大的关系。通过7 【a 等温曲线研 究了胆固醇的摩尔含量从0 到o 5 的d p p c 胆固醇复合膜热力学性质，发现d p p c 和 胆固醇分子间存在吸引力，胆固醇对d p p c 膜具有浓缩效应。利用l b 技术和原子力 显微镜研究了表面压力的增加对胆圃醇的摩尔含量为o 5 的d p p c 胆固醇复合膜微结 构的影响，发现表面压力的增加促成了相转变。通过研究胆固醇的摩尔含量从o 1 0 4 摘要 的复合膜在表面压力为5 m n m 时的l b 膜，发现胆固醇摩尔含量的升高降低了相转 变所需要的表面压力。 关键词：l b 膜；胆固醇；磷脂：a f m m i c r o s t r u c t u r eo fc h o l e s t e r o l p h o s p h o l i p i dc o m p l e x l a n g m u i r - b l o d g e t tm o n o l a y e rf i l m s ( a b s t r a c t ) t h eu n d e r s t a n d i n go ft h ee f f e c t so fc h o l e s t e r o lo np h o s p h o l i p i dm o n o l a y e r sa n db i l a y e r s i s i m p o r t a n t i n b i o l o g y l a n g m u i rm o n o l a y e r a tt h e a i r - l i q u i d i n t e r f a c ea n d l a n g m u i r b l o d g e t t ( l b ) f i l ma r ei d e a ls y s t e m st os t u d yt h eb i o m i m e t i em e m b r a n e s u s i n g l bt e c h n i q u e ，c h o l e s t e r o la n di t sm i x t u r ew i t hl i p i d sh a v eb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l y i th a s b e e nw e l le s t a b l i s h e dt h a ta t o m i cf o r c em i c r o s c o p yi sa p o w e r f u lt e c h n i q u et oo b s e r v et h e s u r f a c et o p o g r a p h ya n da s s e m b l ya tt h em o l e c u l a rl e v e l i nt h i sp a p e r , u s i n ga t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) a sam a i n l yt o o l ，w ei n v e s t i g a t e d t h em i c r o s t r u c t u r eo f c h o l e s t e r o l p h o s p h o l i p i dc o m p l e xl a n g m u i r b l o d g e t tf i l m s t h e p a p e rc o n s i s t so ft w op a r t s ： p a r to n e ：p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fd p p ca n dc h o l e s t e r o ll bm o n o l a y e r f i l m s u s i n gx - ai s o t h e m sa n da f mm e a s u r e m e n t ，w ei n v e s t i g a t e dt h ep h a s es e p a r a t i o na n d m i c r o s t r u c t u r eo fd i p a l m i t o y l p h o s p h a t i d y l e h o l i n e ( d p p c ) 、c h o l e s t e r o ll bm o n o l a y e rf i l m s a t5m n m 、1 5m n m 、2 5m n m o u re x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tp h a s et r a n s i t i o nb e g i n n i n g w i t hn u c l e a t i o n ，t h e ng r o w t ha n df u s et o g e t h e rw i t ht h ei n c r e a s eo fs u r f a c ep r e s s u r e d p p c 的复合膜在表面压力为5 m n m 时的l b 膜，发现胆固醇摩尔含量的升高降低了相转 变所需要的表面压力。 关键词：l b 膜；胆固醇；磷脂；a f m m i c r o s t r u c t u r eo fc h o l e s t e r o l p h o s p h o l i p i dc o m p l e x l a n g m u i r - b l o d g e t tm o n o l a y e r f i l m s ( a b s t r a c t ) t h eu n d e r s t a n d i n go ft h ee f f e c t so fc h o l e s t e r o lo np h o s p h o l i p i dm o n o l a y e r sa n db i l a y e r s i s i m p o r t a n t i n b i o l o g y l a n g m u i rm o n o l a y e r a tt h e a i r - l i q u i d i n t e r f a c ea n d l a n g m u i r b l o d g e t tm b ) f i l ma r ei d e a ls y s t e m st os t u d yt h eb i o m i m e t i em e m b r a n e s u s i n g l bt e c h n i q u e ，c h o l e s t e r o la n di t sm i x t u r ew i t hl i p i d sh a v eb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l y i th a s b e e nw e l le s t a b l i s h e dt h a ta t o m i cf o r c em i c r o s c o p yi sa p o w e r f u lt e c h n i q u et oo b s e r v et h e s u r f a c et o p o g r a p h ya n da s s e m b l ya tt h em o l e c u l a rl e v e l i nt h i sp a p e r , u s i n ga t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f 岣a sam a i n l yt o o l ，w ei n v e s t i g a t e d t h em i c r o s t r u c t u r eo f c h o l e s t e r o l p h o s p h o l i p i dc o m p l e xl a n g m u i r - b l o d g e t tf i l m s t h e p a p e rc o n s i s t so ft w op a r t s ： p a r to n e ：p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fd p p ca n dc h o l e s t e r o ll bm o n o l a y e r f i l m s u s i n g 舡ai s o t h e m sa n da f m m e a s u r e m e n t ，w ei n v e s t i g a t e dt h ep h a s es e p a r a t i o na n d m i c r o s t r u c t u r eo fd i p a l m i t o y l p h o s p h a t i d y l c h o l i n e ( d p p c ) 、c h o l e s t e r o ll bm o n o l a y e rf i l m s a t5m n m 、1 5m n m 、2 5m n m o u re x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tp h a s et r a n s i t i o nb e g i n n i n g w i t hn u c l e a t i o n ，t h e ng r o w t ha n df u s et o g e t h e rw i t ht h ei n c r e a s eo fs u r f a c ep r e s s u r e d p p c 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 4 级硕士学位论文 2 0 0 7 6 f i l mh a sal a r g e rl i m i ta r e ap e rm o l e c u l a r , ah i g h e rc o l l a p s es u r f a c ep r e s s u r ea n db e t t e r c o n d e n s a b i l i t yt h a nc h o l e s t e r o lf i l m d p p cf i l mi sm o r es t a b l et h a nt h el bf i l mo fc h o l e s t e r 0 1 p a r tt w o ：m i c r o s t r u c t u r eo fc h o l e s t e r o l d p p cc o m p l e xl a n g m u i r - b l o d g e t tf i l m s t h ee f f e c to fc h o l e s t e r o lo nt h es t r u c t u r eo fd p p cm o n o l a y e rh a sb e e ns t u d i e db y a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m 、m i x e dd p p c c h o l e s t e r o lm o n o l a y e rh a v e b e e n d e p o s i t e do nm i c au s i n gt h el a n g m u i r - b l o d g e t t ( l b ) t e c h n i q u e a f mi m a g e ss h o w e dt h a t t h ea r e ac o n d e n s i n ge f f e c to f c h o l e s t e r o lo nt h ed p p cm o n o l a y e ri sp r o n o u n c e d m i x e dl b f i l m so fc h o l e s t e r o la n dd p p c 砒ac h o l e s t e r o lc o n c e n t r a t i o no f5 0 ( m 0 1 ) o rm o r ea n da t t h es u r f a c ep r e s s u r eo f5 m n mi ss t u d i e d o u re x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h e r ee x i s t sa n a t t r a c t i v ei n t e r m o l e c u l a rf o r c eb e t w e e nd p p ca n dc h o l e s t e r 0 1 p h a s et r a n s i t i o nb e g i n n i n g w i t hn u c l e a t i o n ，t h e ng r o w t ha n df u s et o g e t h e rw i t ht h ei n c r e a s eo fs u r f a c ep r e s s u r e i n c r e a s i n gt h em o l e f r a c t i o no fc h o l e s t e r o lc a nr e d u c et h es u r f a c ep r e s s u r eo fp h a s e t r a n s i t i o n k e yw o r d s ：l bf i l m ；c h o l e s t e r o l ；p h o s p h o l i p i d ；a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学位申请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指导下独立完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉疆保密内容的学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 签名：i 蜀纽重 2 0 。7 年g 月叩日门 学位论文指导教师签名： 碰竺垒一 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 4 级硕士学位论文 2 0 0 7 6 1 1 生物膜 第一章绪论 1 1 1 为什么我们对生物膜感兴趣 物理学家对生物膜感兴趣有以下几个原因：( 一) 生物膜是一个具有新颖物理特 性( 比如非经典弹性特性) 的二维胶体系统的特例，该系统对生物功能具有重要作用。 因此我们可以研究生物材料物理特性的生化调制与生物功能控制之间的相互关系；通 过少数几种类脂和膜蛋白体系构建的生物膜模型，可以在分子水平上研究特定的生物 膜功能。( 二) 生物膜有成千上百种组成成分，对多组分体系组织的物理基础新概念 的提出与发展造成了挑战。( 三) 人们希望通过研究生物膜，探索自然界的规律，并 将它应用于生物技术，例如脂质体用于药物传输系统，生物膜与电子和光电子器件的 结合建构生物传感器i i 】。 1 1 2 生物膜模型及人工膜 入们在认识生物膜的过程中，先后提出了四个模型，它们分别是：( 1 ) 片层结 构模型( 1 a m e l l as t r u c t u r em o d e l ) ( 图1 1a ) ，该模型认为膜的骨架是磷脂形成的脂 双层结构，脂双层的内外两侧都是由一层蛋自质包被，即蛋白质- 脂- 蛋白质的三层结 构，内外两层的蛋白质层都非常薄。并且，蛋白质是以非折叠、完全伸展的肽链形式 包在脂双层的内外两侧。膜上有一些二维伸展的孔，孔的表面也是由蛋白质包被的， 这样使孔具有极性，可提高水对膜的通透性。( 2 ) 单位膜模型( u n i tm e m b r a n em o d e l ) ( 图1 1 b ) ，相对于片层结构模型，单位膜模型强调的是蛋白质为单层伸展的p 折叠 片状。膜的外侧表面的膜蛋白是糖蛋白，而且膜蛋白在两侧的分布是不对称的。( 3 ) 流体镶嵌模型1 2 】( f l u i dm o s a i cm o d e l ) ( 图1 1c ) ，流体镶嵌模型有两个主要特点： 第一章绪论 其一，蛋白质不是伸展的片层，而是以折叠的球形镶嵌在脂双层中，蛋白质与膜脂的 结合程度取决于膜蛋白中氨基酸的性质。其二，膜具有一定的流动性，不再是封闭的 片状结构，以适应细胞各种功能的需要。( 4 ) 脂筏模型( 1 i p i dr a f t sm o d e l ) ( 图1 1d ) ， 脂筏模型认为，在流动的类脂双分子层中存在许多大小不同，刚度较大的彼此独立移 动的类脂微区( 有序结构微区) ，而且膜功能的多样性可能与微区的性质和变化有关。 图1 1 生物膜模型a 片层结构模型； b 单位膜模型：c 液体镶嵌模型；正脂筏模型 以上每一个生物膜模型都是人类认识生物膜过程中的里程碑。现在，大家公认的 生物膜模型是脂筏模型，即脂双分子层构成膜的主体，生物膜既有晶体的有序性又有 液体的流动性。膜各部分脂质分布不均一。膜蛋白分子以各种形式与脂双分子层结合， 有的贯穿其中，有的镶嵌在其表面。膜糖类( 糖脂和糖蛋白) 分布在非细胞质侧，形 2 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 4 级硕士学位论文 2 0 0 7 6 成糖萼。 由于质膜及各种内膜种类繁多，且制备涉及复杂的纯化过程，所以，人们采用脂 双分子层作为生物膜的简化模型，模拟生物膜的某些基本特性。磷脂膜从层数上来分 可分为单层膜，双层膜和多层膜。单层膜主要是指l a n g m u i r b l o d s e t t ( l b ) 膜。双 层膜又包括平板双层膜和脂质体。多层膜主要指磷脂浇铸膜。它们的结构见图1 2 。 1 - 2 l b 技术 图1 2 磷脂膜各种结构的示意图 l b 膜( l a n g m u i r - b l o d g e t tf i l m ) 技术是指将含有亲水基和疏水基的两性分子在水 面上形成的一个分子层厚度的膜( 即单分予膜) 以一定的方式累积到基底上的技术， 累积于基底上的膜称为l b 膜。其制膜过程是先将成膜的双亲性分子溶于挥发性的溶 剂中，滴在水面上，即可形成成膜分子的单分子层，然后施加一定的压力，并依靠成 膜分子本身的自组织能力，得到高度有序、紧密排列的分子，最后把它转移到基底表 第一章绪论 省t 陲霸l 匿 图1 3 垂直提拉法制备l b 膜的过程示意图 画世必公毯世面面毯公公毯丝厨 一南一盎 面灿竖悬面型盛日 图1 4 水平提拉法制备l b 膜示意图 面口j 。通常将转移沉积到基底上的膜叫做l b 膜。将气液界面的单分子层膜叫做 l a n g m u i r 膜【4 】。1 9 3 4 年b l o d g e t t 第一次通过单分子层的连续转移来制备多层组合膜5 1 。 l b 膜的制备方法包括：( 1 ) 垂直提拉法：利用适当的机械装置，将固体基底垂直插 入水面，上下移动，单分子膜就会附在载片上而形成一层或多层膜。如图1 3 所示。 ( 2 ) 水平提拉法：将固体基底水平接触液面上的单分子层膜，如图1 4 所示，同时将 挡板置于固体基底两侧，提拉固体基底。 最近十多年来物理、化学、生物、电子等各学科的研究人员纷纷投入该研究领域。 从1 9 8 2 年以来，已经召开了十届l b 膜及有序分子薄膜国际学术会议，1 9 8 8 年在河 南大学召开的全国第一届有序分子膜暨l b 膜专业委员会成立大会则揭开了我国l b 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 4 级硕士学便论文 2 0 0 7 6 膜的研究序幕【9 】。l b 膜是目前进行有序分予构筑最方便和有效的一种方法，利用l b 膜技术制备纳米结构有序分子薄膜将一直是人们研究的热点【l o l 。 1 - 3l b 膜和l a n g m u i r 膜的表征方法 表征l b 膜的方法很多，表1 1 给如了不同表征手段所能得到的信息，其中扫描探 针显微镜系列的原予力显微镜，具有原予级的分辨率，基本不损坏样品，不要求样品 导电、发光等。且测量时对环境要求不商，已被广泛采用。 表征方法所获信息 光学显微镜( b a m 、f m )相态、畴结构 电镜( s e m 、s t m )微表面结构 扫描探针显微镜( s p m )原予水平的表瑟结构 x 射线或电子衍射分予堆积、层间距 顺磁共振微分子定向程度 红外与拉曼光谱化学组成与分子定向 紫外、可见光谱电子结构与发色基团 x 光电子能谱( x p s )原予组成与深度剖析 表i 1 表征l b 膜的方法和获得的信息 5 第一章绪论 表征l a n g 眦l i f 膜一般用显徽镜在位观察袭面形貌和变化过程，用冗。a 等温馥线分 析l a n g m u i r 膜的热力学性质。莅a 等温曲线是在恒定温度下表面压力随平均分子面积 的变化丽变化的曲线。通常用一个亲水的膜天平( 通常用亲水的薄片做成，如滤纸) 插入气液界砸来测量袭面张力( y ) 。表面压力的测量则是通过一个位餮传感器来完 成。表两压力o r ) 的表达式为： 7 f 吖o 叫 其中7 。是亚相的表面张力。耳a 等温凿线整对l a n g m u i r 单层膜的热力学测量。单层膜中 发生的热力学楣变会通过平台，转折点等在静a 等温蓝线中爱映出来。 图1 5 是典型的和a 等温曲线，它反映了表面活性剂在气液界丽压缩时可能出现的 相交过程。曲线有几个性能迥然不同的区域，每个部分稻对膜内的一个特定麴相，在 压缩过程中，单分子层经历几次福变。开始时，每个有机分子在水面上占有比自已本 身大得多的面积，水面上分子不多，里“气态”，叫气态膜。气态膜中大多数分子平躺 在表面上，彼此没有作用力，分子可是出浮动，气态膜受压缩就转化为液态膜，随着 膜悉的增大，水面上分予被压缩而“液化”，成为液态膜。在气态膜和液态膜中间还存 在个过度过程，表现为氕a 馥线上的平台。经过这个平台，芤会随着表面积减少而迅 速上升。继续增大膜压对，分子将紧密排剐，表现出固态膜的性质，单分子层的分子 尽可能靠近，分子垂直或以某一角度倾斜于水平面。此时膜的压缩性很低，分子间有 很强的键键相互作用，分子紧密排捌在一起，n - a t 拄线几乎里垂直状态，随着膜进一 步搓缩，n - a 曲线出现拐点或断裂，单分子层随即坍塌成双分子层或多结子层。在a 曲线中，如果把茴线固楣段外延到零表面压，与横坐标相交于菜点，这点的数值就 是固相区单分子的平均占有面积，也称为分子极限面积。继续压缩处于固榴段的有效 面积，会导致单分子膜的破裂或凝聚，此时的压力称为崩溃压，它是表征个两亲性 化合物戏膜性能好坏的重要标志。 6 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 4 级硕士学位论文 2 0 0 7 6 ， g z # 图1 5 十五酸在纯水亚相，3 0 。c ，l a n g m u i r 单层膜的n - a 等温曲线 各种相及相变过程可以通过曲线不同点的斜率表现出来 1 - 4l b 技术制备人工膜研究概况 l b 技术具有以下优点：( 1 ) 膜厚为分子级水平，具有特殊的物理化学性质。( 2 ) 可以制备单分子膜，也可以逐层累积，形成多层l b 膜，组装方式任意选择。( 3 ) 可 以人为选择不同的成膜材料，累积不同的单分子层，使之具有多种功能。( 4 ) 成膜 可在常温常压下进行，不受时间限制，所需能量小，基本不破坏成膜材料的高分子结 构。( 5 ) l b 技术在控制膜层厚度及均匀性方面远比常规制膜技术优越。( 6 ) 可有 效的利用l b 膜分子的自身组织能力，形成新的化合物。( 7 ) l b 膜结构容易测定， 易于获得分子水平上的结构与性能之间的关系。基于这些优点，l b 技术常被用于以 下几个领域的研究。 第一章绪论 l - 4 - 1生物膜组分相互作用 理解生物膜的工作机制，必须从分子水平上了解其结构以及内部组分的相互作用 方式。因为生物膜组分繁杂，研究其中含量较高的成分问的相互作用就成为了解生物 膜的一个窗口。研究较多集中在磷脂复合膜、胆固醇及其衍生物与磷脂的复合膜、蛋 白质与磷脂复合膜等。下面介绍有关磷脂膜和胆固醇磷脂复合膜的研究。 人们首先开展了对单一组分的磷脂膜的研裂n 】。杨晓敏等利用原子力显微镜研究 了d p p c 的l b 膜从液态相微区转变到固态相微区的过程，见图1 6 。发现较大表面压 力下液态凝聚态的微区是以较小表面压力下形成的液态凝聚态微区为核侧向生长的。 并首次发现了固体基底上d p p c 膜的手性结构，见图1 7 。讨论了压膜速度对微区形 状和结构的影响，压膜速度极低时，液晶态微区为圆形，压膜速度提高，微区成树突 状，压膜速度更高时，各种微区形状共存。 图1 6 d p p c 单层l b 膜的a f m 图像，表面压力：a 为l m n m ，b 为2 m n m 时云母基底，纯水亚 相，1 8 c | l i 】。体现了微区的生长是以较小表面压力下的微区为核1 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 4 级硕士学位论文 2 0 0 7 6 图1 7d p p c 单层膜的手性结构【l q 对多组分磷脂膜的研究内容比较广泛，j a c q u e l i n es a n c h e z 等利用原子力显微镜 研究了提拉到烷基硫醇修饰的金基底上的d p p c d l p c 复合l b 单层膜由于碳链的长度 不同而形成微区的过程。讨论了表面压力和组分的化学计量比对凝聚相微区的形状和 大小的影响。为理解和控制复合磷脂单层膜的横向微区的结构提供了基本框架。s h o k o y o k o y a m a 【l 习同样使用原子力显微镜研究了不同化学计量比的神经节甘脂 g m l d p p c d o p c 的复合l b 单层膜。考察了化学计量比对膜的表面状态的影响，发现 复合膜的形貌决定于各组分的化学计量比。当g m i d p p c d o p c 的摩尔比为2 ：9 ：9 和 4 ：1 8 ：9 时膜呈现出滤纸状图案，当其比例为2 ：1 8 ：9 时膜呈现点状图案( 图1 8 ) 。y u m i k o o h t a 等【1 4 】通过原子力显微镜和兀- a 等温曲线研究了g m l 和d p p c 在复合单层l b 膜中的 相互作用，考察了表面压力和温度对复合膜性质的影响。发现，在g m i 的摩尔含量低 于0 2 时，g m l 和d p p c 是易混合的，且它们之间存在着吸引力。原子力图像显示，g m l 的摩尔含量低于0 2 ，表面压力为3 0m n m ，温度为2 5 时，膜中存在分相。表面压力 从3 3m n m 到4 0m n m 的过程中，膜具有特殊的形貌。2 5 时的滤纸状结构随着温度 的升高被破坏，到4 5 时消失。 9 第一章绪论 图1 8g m i d p p c d o p c 的摩尔含量比为左；2 ：9 ：9 ，右：2 ：1 8 ：9 时的原子力图像【l 目 胆固醇因在脂筏形成中的作用，其与磷脂的复合膜；| 起大家的兴趣，胆固醇对磷 脂间的作用主要有疏水作用、离子键、共价键。人们发现胆固醇的浓缩效应f 1 8 1 ，大量 的文献研究胆固醇的加入对甘油磷脂膜或鞘磷脂膜的影响1 9 2 3 】。胆固醇可以降低膜从 液态扩张态向液态凝聚态转变所需的热焓，调控膜所处的相态，调控膜的厚度，调控 疏水链的方向和运动。逐渐提高胆固醇的含量会提高膜的力学稳定性，粘滞性，从而 降低膜的通透性。同时，胆固醇的加入在某种程度上会降低磷脂分子的转动和侧向移 动速度。总之，胆固醇的加入会使处于液态扩张态和液态凝聚态的膜转变成一种液态 有序态阱】。胆固醇磷脂复合膜成为近来研究的一个热点。p a t r y c j ad y n a r o w i c z l 。a t k a 等【l5 】研究了胆固醇年i i d s p c 、s o p c 、d o p c 、d s p e 的复合l a n g m u i r 膜。通过平均分子 面积和剩余自由能来考察复合膜中的相互作用。实验表明碳氢链的饱和度对磷脂和胆 固醇间的作用力影响甚微。头基的种类对磷j 1 胆固醇间的作用力影响非常大。 t z u n g - h a nc h o u 等【1 6 l 研究7 3 7 时，气液界面d p p c ，胆固醇复合膜的热力学性质和驰 豫过程。通过对7 c - a 等温曲线的分析，证明气液界面的d p p c 胆固醇复合单层膜中两 物质互溶，但不是理想混合。当d p p c 的摩尔含量为0 5 或者0 6 时复合膜最稳定。 1 0 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 4 级硕士学位论文 2 0 0 7 6 k eg o n g 等 17 】研究了不同p h 值的亚相对d p p c ，胆固醇复合膜的影响，实验表明， 胆固醇的浓缩效应在低表面压力、中性亚相中最为显著。膜最稳定的胆固醇摩尔含量 为中性时的0 6 ，酸性时的0 5 或0 6 ，碱性时的0 8 。高表面压时，酸性和碱性亚相上的 膜比中性亚相上的膜具有更大的可压缩性。碱性亚相上的膜的混合性和分子间的相互 作用力相对较小。 s i l v i u s 在其综述中总结了胆固酵和不同种类的甘油磷脂和鞘磷脂间作用力的差别 2 5 1 。胆固醇和磷脂间的作用力受磷脂的头基和骨架影响显著。递减顺序是 s m p s p c p e 。在甘油磷脂中，和胆固醇的作用力随脂链的不饱和度明显降低。饱 和脂肪酸( 富含自然的鞘磷脂) 比不饱和的甘油磷脂和胆固醇的相互作用强，促进含 有s m ，p c 和胆固醇的双层膜中耗尽胆固醇的l d 和富含胆固醇的l 。相的相分离。 1 4 2药物对磷脂膜的影响 研究生物膜的最终目的是把这些知识应用于生活中，因为药物是通过细胞膜进入 细胞，从而产生作用的，所以，研究药物和人工膜的作用对制药和临床应用具有非常 大的意义。f g a m b i n o s s i 9 s i 等研究了四环索和d p p c 、d p p e 、d p p a 的相互作用，方 法是把磷脂铺展在含有四环素的亚相中，通过分析舡a 等温曲线和表面电势一面积等温 曲线得知，四环素在静电相互作用的驱动下向界面迁移，定位吸附到磷脂的头部基团 上。然而静电力并不足以使四环素穿过疏水的磷脂膜。l i n g y u nz h a 0 2 7 组利用d s c 和托- a 等温曲线研究了抗癌药紫杉醇和不同链长的磷脂间的相互作用，研究显示，磷 脂和紫杉醇在气液界面是非理想相溶体系。紫杉醇在较小平均分子面积时表现出浓缩 效应，在较大平均分子面积时表现出扩张效应。复合膜的稳定性顺序是d m p c ( c 1 4 ：o ) d p p c ( c 1 6 ：0 ) d s p c ( c 1 8 ：o ) 。紫杉醇穿透磷脂单层膜的临界表面压力也是这个顺 序。 l 一5 论文的选题依据、研究思路和研究内容 第一章绪论 通过以上的文献综述我们知道，用l b 技术可以构筑简单的生物膜模型， 用来研究成膜分子间的相互作用。上述研究提供了许多胆固醇影响磷脂单层膜 和双层膜的重要信息。胆固醇的加入减少了单层膜的平均分子面积，即胆固醇 的浓缩效应，促进磷脂膜从液态相到固态相的相转变。胆固醇在双层膜中提高 了液晶相中磷脂疏水尾链的有序度。胆固醇含量足够高时，会产生一种富含胆 固醇的液态有序相。在这个相中，磷脂具有液态相的流动性，而疏水链具有晶 体相的有序度。胆固醇磷脂复合膜中微区的类型和大小与磷脂的性质、表面压 力、胆固醇的含量等有很大关系。虽然这些研究提供了一些关于胆固醇磷脂复 合膜中微区的信息。但是，这并不表明人们已经知晓了自然界的秘密，在生物 膜的脂骨架方面仍然存在许多等待回答的问题。胆固醇磷脂的复合膜是否像相 图显示的那样具有和单纯的磷脂、胆固醇的结构不同的有序结构? 生物膜中的 磷脂胆固醇的复合膜是否有固定的化学计量比? 相图显示微区存在于低于两 物质可混合的临界表面压力下，在生物膜的表面压力下，微区是否依然存在? 微区的横向长度范围? 复合膜的结构是静电力形成的还是动力形成的? 在液态 凝聚相和液态扩张相中过剩的磷脂、胆固醇的组织方式是什么? 回答这些问题 对理解富含胆固醇的微区的功能具有非常重大的意义。 我们实验室利用l b 技术构造分子有序结构和组装纳米结构材料，在分子 有序膜的构筑、微观结构及其性能等方面开展了系统的工作。结合本实验室在 制备生物有序分子膜方面的工作基础，本论文以l b 技术制备单一组分，及复 合的生物分子有序膜，研究其在气液界面的相关作用和相变过程，及其l b 膜 的结构性质。 我们设计了一系列的实验，为解决以上问题提供实验依据，我们采用l b 技术，结合a f m 观察了胆固醇d p p c 复合膜由于它们的相互作用而产生的微 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 4 级硕士学位论文 2 0 0 7 6 结构。 论文主要工作包括以下两部分内容。 一、利用兀一a 等温曲线分析胆固醇和d p p cl a n g m u i r 膜的可压缩性，力学 稳定性。利用原子力显微镜分析胆固醇和d p p c 单分子膜被转移到亲水云母基 底上制得的l b 膜的微结构。 二、利用兀- a 等温曲线分析胆固醇d p p c 复合l a n g m u i r 膜的混合性、可 压缩性，力学稳定性。利用原子力显微镜分析胆固酵d p p c 单分子膜被转移到 亲水云母基底上制得的l b 膜的微结构形态。观察胆固醇对d p p c 膜表面形貌 的影响，以及d p p c 的含量对胆固醇膜结晶度的影响。 参考文献： 【l 】e s a c k m a n n ，b i o l o g i c a lm e m b r a n e sa r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o n ，h a n d b o o ko f b i o l o g i c a lp h y s i c s v o l u m e1 ，e d i t e db yr l i p o w s k ya n de s a c k m a n n ，1 9 9 5 【2 】s i n g e rs j ，n i c o l s o ng l ，t h ef l u i dm o s a i cm o d e lo f t h es t r u c t u r eo fc e l lm e m b r a n e ， s c i e n c e ，1 9 7 2 ，1 7 5 ，7 2 0 - 7 3 i 【3 】t r i c h a d s o n ，l a n g m u i r - b l o d g e t tf i l m s ，i na ni n 圩o d u c t i o nt om o l e c u l a re l e c t r o n i c s ， e d w a r da r n o l d ，l o n d o n ，1 9 9 5 【4 】4i r v i n gl a n g m u i r ，t h ec o n s t r u t i o na n df u n d a m e n a t a lp r o p e r t i e so f s o l i d sa n dl i q u i d s ， i i l i q u i d s j a m c h e m s o c ，1 9 1 7 ，3 9 ，1 8 4 8 - 1 9 0 6 【5 】k a t h a r i n eb b l o d g e t t ，f i l m sb u i l tb yd e p o s i t i n gs u c c e s s i v em o n o m o l e c u l a rl a y e r so n as o l i ds u r f a c e ，j a m c h e m s o c ，1 9 3 5 。5 7 ，1 0 0 7 1 0 2 2 【6 】i r v i n gl a n g r n u i ra n dv i n c e n tj ，s c h a e f e r ，p r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r eo fp r o t e i n m o n o l a y e r s ，c h e m r e v ，1 9 3 9 ，2 4 ，1 8 1 - 2 0 2 第一章绪论 【7 】7h a n sk u h n f u n c t i o n a l i z e dm o n o l a y e ra s s e m b l ym a n i p u l a t i o n ，t h i ns o l i df i l m s 1 9 8 3 。9 9 ，1 - 1 6 【8 】黄春辉，李富友，黄岩谊光电功能超薄膜，北京，北京大学出版社，2 0 0 1 9 】全国第一届l b 膜会议论文集，河南大学，开封，1 9 8 8 1 0 】朱自强，近代物理实验技术( i i ) ，北京，高等教育出版社，1 9 9 3 1 l 】x m y a n g ，d x i a o ，s j x i a o ，y w e i ，d o m a i ns t r u c t u r e so f p h o s p h o l i p i dm o n o l a y e r l a n g m u i r - b l o d g e t tf i l m sd e t e r m i n e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，a p p l p h y s a ，1 9 9 4 ， 5 9 ，1 3 9 1 4 3 【1 2 】j a c q u e l i n es a n c h e z ，a n t o n e l l ab a d i a ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p ys t u d i e so fl a t e r a l p h a s es e p a r a t i o n i n m i x e d m o n o l a y e r s o f d i p a l m i t o y l p h o s p h a t i d y i c h o l i n e a n d d i l a u r o y l p h o s p h a t i d y l c h o l i n e ，1 1 1 i ns o l i df i l m s ，2 0 0 3 ，4 4 0 ，2 2 3 - 2 3 9 【1 3 s h o k oy o k o y a m a a ，y u m i k oo h t a ，h i d e k is a k a i ，m a s a h i k oa b e ，e f f e c to f m e m b r a n ec o m p o s i t i o no ns u r f a c es t a t e so fg a n g l i o s i d e g m l d i p a l m i t o y l p h o s p h a t i d y l c h o l i n e d i o l e o y l p h o s p h a t i d y l c h o l i n em o n o l a y e 雌，c o l l o i d s a n ds u r f a c e sb ：b i o i n t e r f a c e s ，3 4 ，2 0 0 4 ，6 5 i - 6 8 【1 4 】y u m i k oo h t a ，s h o k oy o k o y a m a ，h i d e k is a k a i ，m a s a h i k oa b e ，m e m b