[论文解读] Study of DMPS Monolayers on a Water Substrate with Laboratory X-ray Reflectometer

А. М. Тихонов, В. Е. Асадчиков+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 35被引用 8

一句话总结

本研究利用实验室X射线反射测量技术（能量约8 keV）研究了水面上二棕榈酰磷脂酰丝氨酸（DMPS）单层膜在相变过程中的分子结构。结果揭示了从20±3 Å厚的膨胀液相转变为28±2 Å厚的凝胶相，同时疏水尾链倾斜角为26°±8°，并伴随极性头基团水合程度降低两倍，该结果通过基于模型和无模型两种分析方法均得到证实。

ABSTRACT

The molecular structure of dimyristoyl phosphatidylserine (DMPS) monolayers on a water substrate in different phase states has been investigated under normal conditions by X-ray reflectometry with a photon energy of ~ 8 keV. According to the experimental data, the transition from a two-dimensional expanded liquid state to a solid gel state (liquid crystal) accompanied by the ordering of the hydrocarbon tails of the DMPS molecule occurs in the monolayer as the surface pressure rises. The monolayer thickness is (20 +/- 3) Angstrom and (28 +/- 2) Angstrom in the liquid and solid phases, respectively, with the deflection angle of the molecular tail axis from the normal to the surface in the gel phase being (26 +/- 8) deg. At least a twofold decrease in the degree of hydration of the polar lipid groups also occurs under two-dimensional monolayer compression. The reflectometry data have been analyzed using two approaches: under the assumption about the presence of two layers with different electron densities in the monolayer and without any assumptions about the transverse surface structure. Both approaches demonstrate satisfactory agreement between themselves in describing the experimental results.

研究动机与目标

• 研究DMPS单层膜在水面上相变过程中分子尺度的结构变化。
• 利用X射线反射测量确定不同相态下单层膜的电子密度分布。
• 检验如下假设：水合程度和分子取向的变化是相变过程中静电势变化的根源。
• 通过先验（基于模型）和无模型（无模型）分析方法共同验证结构模型。

提出的方法

• 采用实验室衍射仪进行X射线反射测量，使用Cu Kα辐射（8.048 keV，λ = 1.5405 Å）并配备Si (111)单色器。
• 在带有X射线透明窗口的密闭池中，对铺展于KCl水相（10 mmol/L，pH 7）上的DMPS单层膜进行测量。
• 通过横向压缩控制表面压，单位分子面积（A）从约34 Ų（凝胶相）变化至约100 Ų（膨胀液相）。
• 采用两种分析方法：（1）固定电子密度层的双层模型；（2）假设无先验结构约束的无模型方法。
• 通过χ²最小化法在90%置信水平下从反射曲线重构电子密度分布。
• 采用散射矢量 qz = 2k₀sinα 分析掠入射几何条件下的镜面反射。

实验结果

研究问题

• RQ1 DMPS单层膜从二维膨胀液相向固态凝胶相转变时，其分子结构如何变化？
• RQ2 在不同相态下，极性脂质头基团的水合程度如何？压缩过程中其变化如何？
• RQ3 随着表面压增加，疏水尾链的取向和倾斜角如何演变？
• RQ4 基于模型和无模型分析方法在描述单层膜结构方面的一致性程度如何？
• RQ5 哪些结构因素导致了观测到的电势增加（最高达~200 mV）？

主要发现

• 随着表面压升高，单层膜厚度从膨胀相的(20±3) Å增加至凝胶相的(28±2) Å。
• 在凝胶相中，疏水尾链相对于表面法线方向倾斜约26°±8°，表明存在显著的有序排列与紧密堆积。
• 压缩后，极性头基团的水合程度至少降低两倍，从膨胀相中的约20个H₂O/基团降至凝胶相中的约8个H₂O/基团。
• 基于模型与无模型分析所得的电子密度分布高度一致，验证了结构解释的可靠性。
• 极性头基团区域电子密度较高（ρ₁/ρw ≈ 1.4），而尾链区域电子密度较低（ρ₂/ρw ≈ 0.95），界面宽度较陡峭，约3 Å。
• 观测到的电势增加不能仅由水合程度降低来解释；水分子偶极子重取向和阳离子吸附很可能是关键贡献因素。