原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性

《原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性（8页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第20卷第1期200）年1月原子与分子物理学报*+,-./.0123-45 16 4718,*4-9 815.*2543:Vol.20 , (.100)?200)0100AB0原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性孙润广，张静基金项目： 作者简介：（陕西师范大学物理学与信息技术学院食品工程系，西安C100?2摘要：用原子力显微镜（468 ）观察了液晶态脂胞囊形貌结构和稳定性。实验结果显示，对于1,2：二油酸甘油）磷脂酰乙醇胺（91:.）超分子聚集体，在扫描区域内，可观察到一些大小不同球形颗粒；对于1,2二油酸甘油 ）磷脂酸乙醇胺（91:.）和1，二油酸甘油 ）磷脂酰胆碱（91:收稿日期： ）混

2、合的超分子聚集体，则不仅观察到类似 脂胞囊的球形颗粒，而且也观察到了双层膜结构，其厚度约为BD?=E。第20卷第1期200）年1月原子与分子物理学报*+,-./.0123-45 16 4718,*4-9 815.*2543:200200国家自然科学基金（202C20）B）和教育部青年骨干教师基金资助项目教科司2000?B孙润广（1OBA），男，陕西省延安市人，教授，博士，2000年赴意大利、荷兰做博士后，主要从事生物物理学的研究关键词：原子力显微镜；脂双层膜；超分子聚集体中图分类号：1B?1.1 ,F2B文献标识码：4在生命科学的研究中，液晶态脂胞囊经常作为 研究生物膜的简单模型系统1DA：o

3、磷脂酰乙醇胺（:.）和磷脂酰胆碱（:* ）是细胞膜的主要成份，在生物膜中起着十分重要的作用。原子力显微镜（GoEHIJoKILEHIKoMloNL468 ）对生物膜的研究是一个非常 新颖的且十分有效的工具 OD11o 468影像既可以 从接触模式（Io=GI（EoPLl）得到，也可以从轻敲模式 （G）磷脂酰乙醇胺（1，29HolLoRM=SIRILKo）NToMNToLGT）:磷脂酰胆碱（1, 29HoILoRM=SIRILKo NToMNToIToIH=LI：* ）均是从/HQEfc学试剂公司购 买。葡萄糖、蔗糖、氯仿、甲醇、-甲 醇（V /VW1/）溶液中。当脂质被完全溶解时，溶液用氮气吹

4、干。然后，按实验要求加入溶解液（0. OXGY盐、BXGY葡萄糖、10XGY蔗糖）。盐溶液分别为 -EHI:NZ. ao=IH=LqE*通讯作者：张静，陕西师范大学食品工程系，西安C100?2-8。第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性#2实验结果2.1 脂质体胞囊的AFM影像用旋转涂层的方法将 1,2-二油酸甘油-3-磷脂 酸乙醇胺超分子聚集体形成的脂胞囊悬浮小滴，通过在氧化硅膜表面上的滚动吸附并沉积到底物上。放置几分钟后，在氧化硅表面形成1,2-二油酸甘油- 3-磷脂酰乙醇胺胞囊膜。为了得到单层的吸附脂胞 囊膜，用水洗的方法，将多余的脂胞囊移去。1, 2-二油酸甘油

5、-3-磷脂酰乙醇胺脂胞囊的吸附膜被放 置在AFM的探针下，用轻敲模式，反复扫描之后，在 扫描范围内，我们观察到一些大大小小的球形颗粒。 它们是1 ,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺胞囊。AFM的探针在脂胞囊吸附层的表面扫描时，探针与表面相互作用力应非常小，这样得到的影像最具有代表性18,9。对于生物样品，施加的力应该在 10- 11 N和10- 8 N之间。当施加的力大于10- 8 N时，可能导致表现出现大的损伤。当施加的力在此 之间时，将获得理想的脂胞囊微观形貌图。图1概要的描述了用原子力显微镜接触扫描方法对1 ,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺脂胞囊的扫描过程。当1,2- 二油酸甘油-3-

6、磷脂酰乙醇胺被吸附氧化硅膜上 时，分子间通过van derWaals力、离子静电作用以及 亲水/疏水相互作用形成超分子聚集体，这些超分子 聚集体可能是以脂胞囊的形状被镶嵌在脂双层膜 上。当原子力显微镜的探针开始在吸附脂胞囊层的 表面扫描时，探针遇见脂胞囊开始相互作用。当探 针与脂胞囊之间的相互作用力达到某临界值时，探针跳过脂质胞囊。随后，上述过程重新开始，探针又 跳过第二个脂胞囊（图1）。我们观测到，在探针力 的作用下，扫描范围内发现了一些大小不同的球形 颗粒，这意味着，在1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇 胺超分子聚集体中，这些球形颗粒可能与吸附在氧 化硅表面上的脂胞囊有关。图2（ b）照片

7、中显示，较大的球形脂胞囊的直径约为300 nm。较小第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性#第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性#图1原子力显微镜扫描过程的模型图第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性#（a）原子力显微镜的探针开始在吸附脂胞囊层的表面扫描；（b）探针跳过脂胞囊；（c）上述过程重新开始；（d）探针又跳过第二个脂胞囊第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性87第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性#图2原子力显微镜的接触扫描方法对 DOPE脂质体吸附在氧化硅膜上的

8、扫描影像（a）扫描影像的平面图；（b）脂质体胞囊大小的测量图第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性#图3( a)液晶态脂质体胞囊和脂双层膜共存的立体影像;(b)测量得到液晶态脂双层膜的厚度约为56 nm第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性#第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性89的球脂胞囊的直径约为 200 nm。22 脂质体胞囊与脂双层膜共存的AFM影像同样用旋转涂层的方法将1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺和 1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰胆碱混 合超分子聚集体的悬浮物沉淀到底物上，用轻敲模式，反复扫描之后，在原

9、子力显微镜上不仅观察到了 类似脂胞囊的球形颗粒， 而且也观察到了沉淀在表 面上的双层膜。膜的厚约为56 nmo这意味着，在氧化硅表面，1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺和1.2- 二油酸甘油-3-磷脂酰胆碱超分子聚集体形成混 合脂双层膜。图3给出一个吸附在氧化硅薄膜表面的1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺和 1,2-二油酸甘油-3-磷 脂酰胆碱混合脂胞囊和脂双层膜共存的原子力显微 镜图像。在扫描图像中，观察到1,2-二油酸甘油-3- 磷脂酰乙醇胺和 1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰胆碱混 合脂胞囊镶嵌在双层膜上。1 ,2-二油酸甘油-3-磷脂 酰乙醇胺和1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰胆碱混合

10、脂 胞囊的特征是以球形突起物和双层形貌结构共存。1.2- 二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺脂胞囊与脂双层膜之间的黏着亲和力比脂双层膜与氧化硅薄膜之间的 黏着亲和力弱。所有这些研究结果表明，磷脂分子之间的相互作用力，实际上也可能是它们表面的水合作用力影响黏着在氧化硅薄膜上的脂质体胞囊的 结构。我们探讨了静电相互作用对脂双层膜结构和稳 定性的影响。当1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺 和1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰胆碱混合脂质体在 NaCI溶液中被制备时，在低浓度经常被损伤。随着 NaCI浓度的增加，在1 m NaCI制备的脂双层膜变得 更稳定。我们也观察了葡萄糖和蔗糖对脂双层膜结构和稳定性的影响

11、。在 5%浓度的葡萄糖溶液和蔗 糖溶液中制备的1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺 和1 , 2-二油酸甘油-3-磷脂酰胆碱混合脂质体，形成了稳定的双层膜。在原子力显微镜实验中，只看到脂双层膜胞囊，没有观察到脂双层膜表面被损伤的 影像(图未给出)。3 讨论当施加的作用力在 10- 8 N和10- 11 N之间时， 在1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺超分子聚集体 样品表面，我们观察到许多大小不同的球形脂质体 胞囊。这表明1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺脂 质体胞囊可能与非双层膜有关。因为，1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺属双亲性分子，有一个小的极性头部和两个疏水的尾部， 分子形状像一

12、个圆锥形， 在溶液中容易形成六角相结构或球形颗粒。我们的 实验证实了这一点。在1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺和1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰胆碱混合的超分子聚集体样品 表面，我们观察到大小不同的球形颗粒和层次形貌 共存的原子力显微镜影像。这表明1 ,2-二油酸甘油-3-磷脂酰胆碱加入促使 1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰 乙醇胺和1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰胆碱混合超分 子聚集体形成脂双层膜。因为， 1,2-二油酸甘油-3- 磷脂酰胆碱也属双亲性分子，有一个较大的极性头 部和两个疏水的尾部，分子形状像一个圆柱形，在溶 液中容易形成液晶态的片层相结构。所以1,2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇

13、胺和 1,2-二油酸甘油-3-磷脂 酰胆碱混合超分子结构可能与液晶态的片层相、六角相有关。通过用原子力显微镜对液晶态生物膜样品表面 的研究，结果表明葡萄糖和蔗糖对脂双层膜结构有 稳定作用。静电相互作用对脂双层膜结构和稳定性 的影响表明，随着NaCI浓度的增加，它们的双层膜 更稳定。脂胞囊的稳定性可能与表面的水合作用、 静电相互作用有关。用原子力显微镜不但可以直接 观察脂双层结构，而且也可以观察脂胞囊黏着在氧 化硅表面的形貌。通过对脂双层膜静电相互作用、 稳定性的研究，对探索生物膜的结构和功能有非常 重要的意义。参考文献1欧阳钟灿，谢毓草.双亲分子流体膜的弹性与热涨落一生物膜的Helfrich理

14、论J.物理学进展，1991,11(1): 84 105.2】SunRunGuang ZhangJing, Wang Yong Chang. Conformation of the liquid crystal state in the interaction between several chemical material and biomembrane J . Chinese Science 1997,27:261 边68.3 Boris Tenchov RumianaKoynova Gert Rapp. Accelerated formationof cubic phasesn phos

15、phatidylethanolamintespersion :J. Biophys. J, 1998, 75: 853866.4 欧阳钟灿.从液晶生物膜理论展望软凝聚态物理创新:J.中国科学院院刊，1998,6:416 718.5 孙润广，张静，齐浩，王永昌.胆固醇对脂双层结构影响的SAXS和 STM研究J.生物物理学报，2001,17( 1): 53 58.6 孙润广，张静，王永昌.脂肪酸多相脂质体与癌细胞相互 作用的ESR谱技术研究J.生物化学与生物物理进展， 2000,27(3): 296 300.7 张静，孙润广.几种金属有机化学物质与生物膜相互作 用的液晶态构象研究J.中国科学基金，

16、2000,5:270 278.8 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.生物物理学报，1999,1(4)： 675 681.9 ManfredRadmache, Monika Fritz, ClaudiaM. Kache, Jason P. Cleveland and Pau K. Hansma. Measuringthe viscoelastic propertiesof human plateletswith the atomic force microscopeJ. BiophsicalJournal 1996,705,56 567.10 Seema

17、Singhand David J. keller. Atomic forcemicroscopyof supportedplanermembranebilayers Jl. BiophysicalJournal 1991,60:1 401 1 410.11 Jianxun Mou, Jie Yang, C. Huang, Zhifeng Shao. Alcohol induces interdigitaed domains in unilamellar phosphatidylcholinebilayer J. Biochemistry 1994, 33: 9 981 P 985.12 B.

18、Drake, C. B. Prate , A. L. Weisenhorn S. A. C. Gould, T.R. Albrecht, C. F. Quate D. S. Cannel l, H. G. Hansma P.K. Hansma. Imaging crystals polymers and processed waterwith the atomicforce microscopeJ. Science 1989, 243:1 586 1 589.13 On Man Leung M. Cynthat Goh. Orientational ordering of polymers b

19、y atomic force microscopeTip-suface interaction r J Science 1992, 255:64 -66.14 Uzi Langman W. D. Luedtke Nancy A. Burnham Richard J. Colton. Atomisticmechanismsand dynamicsof adhesion nanoindentation and fracture J. Science 1990,248： 454 461.15 J. H. Maas M. A. Cohen Stuart G. J. Fleer. Thin block

20、copolymersfilms： film formation and corrugation under an AFM tip： J. Thin Solid Films, 2000, 358:234 240.16 J. Domke& M. Redmacher. measuringthe elastic properties of thin polymer films with the atomic force microscope J. Langmui, 1998, 14：3 3203 325.17 Hiromi Egawa Kunio Furusawa. Liposomeadhesiono

21、n Mica surfacestudied by atomicforce microscopy J. Langmui, 1999, 15: 1 660 1 666.18 B. N. Person. Theatomicforce microscope Can it be usedto study biological molecules J. Chem. Phys. Lett. , 1987, 54: 366368.F. F. Abrahan, I. P. S. Barra. Theoretical interpretation of atomicforce microscopeimagesof

22、 graphite J. SurfaceSci , 1989,209：L125 L132.第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性#第20卷第1期孙润广等：原子力显微镜观察脂胞囊形貌结构及稳定性#Observation of the structure morphology and stability oflipid vesicles by atomic force microscopeSUN Run-guang ZHANG Jing(Shaanxi Normal University , Collegeof Physicsand Information Technolo

23、gy Departmentof Food Engineering 710062 Xi an China)Abstract: Structure a nd stability of lipid vesiclesare studied by atomicforce microscope AFM) . Resultsof studiesshow that there are somelarge a nd small spherical particulates i n the area of sca nnin g. It is possible to observediffere ncesin si

24、ze andshapeby usingAFM for the lipid vesiclesin 1,2-Dioleoy-sn-Glycero-3-phosphoethanolaminDOPE) liposome. For DOPE and DOPC (1, 2-Dioleoy-sn-Glycero-3-phosphocholinemixed liposome we not only observedsomespherical particulates of lipid vesicles but alsosurveyealbilayer structure of adsorb ingonto the substrate. The bilayer in thick ness in 5 弋 nm.Keywords: Atomic force microscope Bilayer membranes Supermoleculaisystem