ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, < 11, с. 14-19
УДК 577.352.3
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МОДЕЛЬНЫХ МЕМБРАН ВЕРХНЕГО СЛОЯ КОЖИ МЕТОДОМ МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ НЕЙТРОНОВ
© 2008 г. Е. В. Земляная1, М. А. Киселев1, Р. Нойберт2, И. Кольбрехер3, В. Л. Аксенов1
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия 2Университет Мартина Лютера, Халле, Германия 3Институт Пауля Шеррера, Виллиген, Швейцария Поступила в редакцию 14.11.2007 г.
Методом малоуглового рассеяния нейтронов проведено исследование структуры и свойств четы-рехкомпонентной мембраны на основе церамида-6 в однослойных везикулах при температуре 32 и 60°С. Расчеты на основе метода разделенных формфакторов показали, что наноструктура бислоя однослойных везикул в избытке воды отличается от наноструктуры частично гидратированного плоского бислоя. В области малых углов рассеяния наблюдается расхождение расчетной кривой с экспериментальным спектром, которое указывает на сильное короткодействующее взаимодействие везикул между собой и образование кластерных структур, что подтверждает явление переворотов углеводородных цепочек ("chain-flip''-переходов).
ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальные исследования многокомпонентных липидных систем, приготовленных на основе церамида-6, позволяют получать информацию о принципиальных закономерностях строения и функционирования липидной матрицы верхнего слоя кожи млекопитающих stratum corne-um (SC). Важнейшим вопросом организации липидной матрицы SC является физико-химическая основа сверхсильного притяжения между соседними бислоями [1]. Исследование однослойных везикул в избытке воды представляет собой один из методов проверки этого взаимодействия [2].
Малоугловое рассеяние нейтронов (МУРН) [3, 4] является эффективным методом исследования структуры везикулярных систем в избытке воды, так как, в отличие от рассеяния света позволяет определять не только размер везикулы, но и внутреннюю наноструктуру липидного бислоя (толщину бислоя, толщину гидрофильной и гидрофобной областей, количество молекул воды в гидрофильной части бислоя и др.) [4].
В настоящей работе методом МУРН проведено исследование структуры и свойств четырехкомпо-нентной мембраны церамид-6/холестерин/пальми-тиновая кислота/сульфат холестерина в полидисперсной популяции однослойных везикул при двух значениях температуры: 32 и 60°С.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Измерения спектров МУРН проводились на малоугловом спектрометре SANS-1 PSI (Вилли-
ген, Швейцария) при двух положениях детектора, соответствующих расстоянию образец - детектор 2 и 20 м. Спектры нормировались на сечение рассеяния воды. Кривая рассеяния получена в диапазоне модуля вектора длины рассеяния q от qmin = = 0.0033 А-1 до qmax = 0.56 А-1. Весовое соотношение компонентов церамид-6 : холестерин : пальмитиновая кислота : сульфат холестерина составляло 55 : : 25 : 15 : 5. Однослойные везикулы были приготовлены методом экструзии многослойной везикулярной суспензии в D2O через фильтры с порами диаметром 500 А. Концентрация липидов составляла 1 вес. % в D2O c pH 9 (10 мМ Tris, 100 мМ NaCl). Эксперименты проводились при температуре T = = 32 и 60°С.
МЕТОД ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА
Для определения формы и внутренней структуры везикул использовался метод разделенных формфакторов SFF [4-7], разработанный для исследования однослойных везикул диаметром >500 А с помощью малоуглового рассеяния нейтронов. SFF-метод, в отличие от других известных подходов (например, оболочечная модель [3], приближение Гинье [8, 9]), позволяет использовать для аппроксимации распределения плотности длины рассеяния нейтрона в направлении нормали мембраны р(х) любую подходящую функцию [4, 5]. В наших расчетах функция р(х) аппроксимировалась на основе гидрофобно-гидрофильного (НН) приближения (рис. 1). Как показано в [10], НН-при-ближение с линейным распределением воды внутри мембраны является эффективным для модели-
рования липидных систем с большой величиной гидратации или малой полярной головой молекул, поскольку для таких везикулярных систем вклад распределения воды внутри бислоя в общее распределение плотности длины рассеяния нейтрона р(х) доминирует по сравнению с вкладом от полярной части мембраны [11]. В рамках НН-при-ближения только два свободных параметра необходимы для моделирования функции р(х): толщина мембраны 1 и толщина гидрофобной области Б. Поэтому такой подход существенно улучшает качество подгонки по сравнению с более сложными моделями р(х) и обеспечивает возможность определить основные параметры везикулярных систем без привлечения дополнительных экспериментальных методов (рассеяние света, дифракция и т.д.).
Приведем кратко основные формулы, определяющие ББР-метод. Макроскопическое сечение монодисперсной популяции везикул определяется формулой
Р020
Рсн
- (Ц2 - Б/2 0 + Б/2 + (Ц2
й
Рис. 1. HH-аппроксимация плотности длины рассеяния поперек липидного бислоя: 1 - толщина мембраны, Б - толщина гидрофобной части мембраны. Плотность длины рассеяния углеводородных хвостов Рсн = -0.36 х 1010 см-2, плотность длины рассеяния воды = 6.33 х 1010 см-2.
1X
1 ^mo
(д) = (д, Я)^(д, 1)Б( д),
(1)
где Б(д) - структурный фактор в форме Дебая [7]; п - число везикул на единицу объема; и Еъ, соответственно, формфактор бесконечно тонкой сферы и формфактор бислоя:
д, Я) = | 4пдЯ 8Ш(дЯ)) ,
-1/2
\2
,(д, 1) = | | р(х)cos(дх) 1х
(2)
-1 /2
С учетом полидисперсности везикулярной системы, описываемой распределением Шульца:
„(р) Ят (т + Пт + 1
в(Я) = тт ЬятJ ехр
(т + 1 ) Я < Я> -
(3)
1X , , я
ш( д) =
1X
1 Ото
(д, Я)в(Я, <Я>) 1Я
(4)
| в(Я, < Я>) 1Я
интегрирования Ят^ и Ятах соответственно равны 100 и 1000 А.
Параметрами подгонки являются средний радиус везикулы <Я>, коэффициент полидисперсности ш, число везикул п на единицу объема, величина некогерентного фона 1В и параметры функции р(х), моделирующей плотность длины рассеяния нейтронов (в нашем случае это толщина мембраны 1 и толщина гидрофобной области Б). Плотность длины рассеяния углеводородных хвостов фиксировалась, рсн = -0.36 х 1010 см-2, как и плотность длины рассеяния воды рв 0 = 6.33 х
х 1010 см-2 [3]. Среднеквадратичное отклонение от среднего радиуса <Я> рассчитывалось по фор-
муле а :
1
(т + 1)
где <Я> - средний радиус везикулы, т - коэффициент полидисперсности, макроскопическое сечение 1Х(д)/1О полидисперсной популяции везикул имеет вид:
Расчеты проводились с использованием программы ОГОШЬ из библиотеки ЛККЬ1В (М-tp://www.jinr.ru/programs/jinrlib), реализующей обобщенный метод наименьших квадратов. Значения %2, приведенные в табл. 1 и 2, рассчитывались по формуле:
X
N
N - к^
1 = 1
'1Х, , д1) -
1Х , ,л2
10
-(д<)
ехр
5( д{)
(5)
и далее корректируется с учетом некогерентного фона 1В и функции разрешения спектрометра [12], которая вычисляется согласно [13]. Пределы
где 5(д) - ошибки экспериментальных данных 1X
10е
(д¿); N - число экспериментальных точек;
к - количество подгоночных параметров.
р
Я
тах
Я
Таблица 1. Параметры однопроцентной полидисперсной везикулярной системы на основе церамида-6 в зависимости от температуры, полученные подгонкой по полному набору экспериментальных данных в диапазоне 0.0033 А-1 < д < 0.56 А-1
т, °с <*>, А т а, % (, А В, А X2 X2, д > 0.02 А-1
32 289 ± 1 7 ± 0.5 35 48.9 ± 2 27.0 ± 2 13.7 11.2
60 302 ± 1 8 ± 0.5 33 45.0 ± 2 25.6 ± 3 14.6 11.5
Таблица 2. Параметры однопроцентной полидисперсной везикулярной системы на основе церамида-6 в зависимости от температуры, полученные подгонкой в диапазоне д > 0.02 А-1
т, °с (Я>, А т а, % (, А В, А X2 X2, д > 0.02 А-1
32 256 ± 1 18 ± 0.5 23 49.0 ± 2 27.0 ± 2 19.2 2.7
60 291 ± 1 31 ± 0.5 18 45.0 ± 2 25.5 ± 3 21.5 2.9
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты подгонки расчетных спектров МУРН к экспериментальным данным в полном диапазоне значений вектора рассеяния 0.0033 А-1 < < д < 0.56 А-1 на основе метода ББР-НН представлены на рис. 2, 3. Соответствующие значения параметров, указанные в табл. 1, не противоречат данным для аналогичных многокомпонентных систем, полученным в [1] на основе нейтронной дифракции и в [10] на основе МУРН. Однако, как видно на рис. 2, 3, такая подгонка не обеспечила хорошего согласия с экспериментальными спек-
см-1
103
102 101 100 10-1 10-2 10-3
10
10-
100
д, А-1
Рис. 2. Результаты подгонки в рамках модели БРБ-НН спектров МУРН, измеренных на полидисперсной популяции однослойных везикул церамид-6/холесте-рин/пальмитиновая кислота/сульфат холестерина при температуре 32°С. Подгонка выполнена в полном диапазоне значений вектора рассеяния д 0.0033 А-1 < д < 0.56 А-1. Параметры подгонки указаны в табл. 1.
трами в области малых значений д. Это можно объяснить наличием сильного короткодействующего взаимодействия везикул между собой и образованием кластерных структур, что не учитывается в рамках рассматриваемой модели.
Данное предположение обусловлено следующими фактами. Экспериментальные спектры в области малых значений д лежат выше расчетных кривых, хотя влияние структурного фактора в форме Дебая учитывалось при проведении вычислений, а кулоновское взаимодействие, возникающее из-за наличия сульфата холестерина, экранировалось за счет наличия в водном растворе молекул №С1. С другой стороны, влияние дальнодействующего кулоновского межмембранного взаимодействия привело бы к уменьше-
см-1
103
102 101 100 10-1 10-2 10-3
10
10-
100
д, А-1
Рис. 3. То же, что и на рис. 2, но для температуры 60°С.
Рис. 4. Пример контакта двух однослойных везикул в одной точке за счет перехода молекулы церамида-6 в ПВ-конформацию (а). Агрегация однослойных многокомпонентных везикул на основе церамида-6 в кластерную структуру типа "бус" (б).
см-1
д, А-1
Рис. 5. Результаты подгонки в рамках модели ЗРР-ИИ спектров МУРН, измеренных на полидисперсной популяции однослойных везикул церамид-6/холесте-рин/пальмитиновая кислота/сульфат холестерина при температуре 32°С. Подгонка выполнена в диапазоне д > 0.02 А-1. Параметры подгонки указаны в табл. 2.
нию экспериметальных значений по сравнению с расчетом в области действия формфа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.