多組分脂質(zhì)囊泡的側(cè)向相分離與出芽.pdf

1、在生命體系中，脂質(zhì)雙分子層膜無(wú)處不在，它不僅表現(xiàn)出形狀變化上的豐富多樣性，而且還與細(xì)胞的各種生理功能緊密相關(guān)，如物質(zhì)的定向輸運(yùn)、胞排、胞飲及信號(hào)傳遞等，而出芽是這些重要生命活動(dòng)的首要基本過(guò)程。為了認(rèn)識(shí)和發(fā)掘這些生物過(guò)程的內(nèi)在機(jī)制，由多組分脂質(zhì)分子構(gòu)成的模型體系成為近年來(lái)膜生物學(xué)家和膜生物物理學(xué)家進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究的中心。生物學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在富含膽固醇的模型體系，如DOPC／DPPC／Chol中，從高溫的均相區(qū)域淬冷到低溫的分相區(qū)域，膜表

2、面會(huì)發(fā)生側(cè)向相分離，形成微疇，而微疇誘導(dǎo)出芽的過(guò)程類似于細(xì)胞膜的出芽。借助于熒光顯微鏡，就可以通過(guò)研究微米尺度上的聚集態(tài)的形貌、形變、運(yùn)動(dòng)來(lái)了解納米水平上的分子機(jī)理。另一方面，Helfrich的生物膜彎曲彈性理論在解釋均勻膜的形變現(xiàn)象時(shí)取得了很大的成功，但對(duì)于多組分的囊泡體系，形變與分相的耦合使描述體系的自由能泛函變得復(fù)雜，在有關(guān)凸芽的生成與形狀、凸芽間的融合、出芽過(guò)程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律等各項(xiàng)理論研究中，理論模型的合理性、計(jì)算或模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)

3、現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)性都有待實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。因此，制備能發(fā)生出芽現(xiàn)象的多組分囊泡、觀察微疇的形成與長(zhǎng)大、凸芽的生成與融合等動(dòng)態(tài)過(guò)程將有助于了解象神經(jīng)細(xì)胞凸出、棘皮細(xì)胞的衰亡及上述各種細(xì)胞功能發(fā)生的內(nèi)在原因，也有助于檢驗(yàn)各項(xiàng)理論工作的正確性。 為了研究多組分囊泡的側(cè)向相分離與出芽過(guò)程的動(dòng)力學(xué)，我們分別設(shè)計(jì)搭建和籌建了兩套系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)顯微鏡下的原位制樣、實(shí)時(shí)觀察、操作、記錄樣品的成膜、水合、溶漲、分相、出芽與形變等等過(guò)程；用彈性理論分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，

4、并與現(xiàn)有的理論模型及模擬結(jié)果進(jìn)行比較，主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果可分為6個(gè)部分： 1．提出了兩種原位制備多組分出芽囊泡的制樣方法：直接水合法與電場(chǎng)法；搭建了一套原位制樣觀測(cè)裝置，將原有的偏光顯微鏡改裝成熒光顯微鏡，配置了1394接口的CCD攝像頭及特別適合動(dòng)力學(xué)研究的時(shí)溫圖像采集軟件。設(shè)計(jì)制作了由信號(hào)發(fā)生器與示波器控制的樣品池Cell，實(shí)現(xiàn)原位電場(chǎng)法制樣。將熱臺(tái)與預(yù)水合裝置相連，形成了一套具有原位制樣、預(yù)水合、水合功能，并可實(shí)時(shí)觀察記

5、錄時(shí)溫圖像的工作系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)模型體系各組分的研究，提出了最佳樣品制備條件。 2．研究了單個(gè)凸芽的生長(zhǎng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)凸芽長(zhǎng)大到極限尺寸后，并不立刻頸縮成球形，而是以管形形狀穩(wěn)定存在著。經(jīng)過(guò)理論分析，證明從極限尺寸的半球形到管形凸芽的過(guò)程是一種能量有利的方式。對(duì)凸芽與凸芽及凸芽與微疇間相互融合的各種模式也進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)凸芽之間是以某個(gè)夾角從底部開(kāi)始融合，而不是以平行的方式相互融合。凸芽與微疇在膜中是以整體方式遷移擴(kuò)散，融合的方式由模的

6、彎曲剛性及脂質(zhì)的整體擴(kuò)散系數(shù)決定。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論研究的模型不同。 3．研究了多組分單層囊泡出芽的動(dòng)態(tài)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)最小面積一體積比的球形囊泡與較大面積一體積比的管形囊泡具有不同的形變出芽行為，可支配的超額膜面積是體系形成大量凸芽與形變的先決條件。由管形囊泡的出芽、融合行為及形變的研究，我們得到了凸芽數(shù)與生長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)力學(xué)曲線，擬合得到Nbud~t'2／3的標(biāo)度關(guān)系，與Kumar的MonteCarlo模擬及Laradji的DPD模擬

7、結(jié)果一致。另外，發(fā)現(xiàn)球面上微疇與凸芽的排列具有球面結(jié)晶學(xué)特征，自組裝中存在的缺陷排列成大角晶界，也稱疤痕，這些疤痕是球面上平衡晶體的基本結(jié)構(gòu)元素。 4．在DPPC／DOPC／Chol與BSM／DOPC／Chol模型體系中均發(fā)現(xiàn)了緊密盤(pán)繞的單螺旋與雙螺旋形囊管結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)體系中流體施加剪切力，發(fā)現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)的膜之間不存在粘連關(guān)系，單螺旋結(jié)構(gòu)還能象彈簧那樣被均勻地拉伸并自動(dòng)回復(fù)。盤(pán)繞中的錯(cuò)缺一孤子可以沿著螺管移動(dòng)，并且是螺旋結(jié)構(gòu)最終崩

8、潰的原因。比較DPPC、BSM、DOPC單組分體系和DPPC／DOPC、DPPC／Chol、DOPC／Chol雙組分體系，均未發(fā)現(xiàn)螺旋管結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，推測(cè)膽固醇引起的飽和組分與不飽和組分的分布不均勻是誘發(fā)螺旋結(jié)構(gòu)形成的可能原因。 5．研究了多組分多層膜囊泡的分相與形變，發(fā)現(xiàn)分相開(kāi)始的初期，各層的分相是相互獨(dú)立的，無(wú)空間上的相關(guān)性：隨著時(shí)間的推移和相分離的繼續(xù)進(jìn)行，各層的相區(qū)會(huì)自行調(diào)整，形成相同相區(qū)的徑向整齊排列；明場(chǎng)下發(fā)現(xiàn)這種排列與