Научная статья на тему 'ДИНАМИКА СТРУКТУРЫ ЛАМЕЛЛЯРНЫХ МУЛЬТИСЛОЁВ ФОСФОЛИПИДОВ НА ЖИДКОСТИ ПО ДАННЫМ СИНХРОТРОННОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ'

ДИНАМИКА СТРУКТУРЫ ЛАМЕЛЛЯРНЫХ МУЛЬТИСЛОЁВ ФОСФОЛИПИДОВ НА ЖИДКОСТИ ПО ДАННЫМ СИНХРОТРОННОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
11
4
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МНОГОСЛОЙНЫЕ СТРУКТУРЫ / ОРГАНИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ / РЕНТГЕНОВСКАЯ РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Волков Ю. О., Асадчиков В. Е., Рощин Б. С., Нуждин А. Д., Тихонов А. М.

В статье рассмотрено изменение структуры упорядоченных многослойных ламеллярных плёнок фосфолипидов дистеаройл-фосфатидилхолина и димиристойл-фосфатидилсерина, сформированных на поверхности коллоидного раствора кремнезёма, в ходе термотропного фазового перехода плавления, по данным рентгеновской рефлектометрии на синхротронном источнике.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Волков Ю. О., Асадчиков В. Е., Рощин Б. С., Нуждин А. Д., Тихонов А. М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STRUCTURAL DYNAMICS OF LAMELLAR MULTILAYERS OF PHOSPHOLIPIDS ON A LIQUID BY SYNCHROTRON X-RAY REFLECTOMETRY DATA

The article discusses structural changes in ordered multilayer lamellar films of phospholipids distearoyl-phosphatidylcholine and dimyristoyl-phosphatidylserine, formed on a surface of colloidal silica solution, during thermotropic melting phase transition, according to data obtained with synchrotron X-ray reflectometry.

Текст научной работы на тему «ДИНАМИКА СТРУКТУРЫ ЛАМЕЛЛЯРНЫХ МУЛЬТИСЛОЁВ ФОСФОЛИПИДОВ НА ЖИДКОСТИ ПО ДАННЫМ СИНХРОТРОННОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ»

УДК 539.23, 529.266

Волков Ю.О., Асадчиков В.Е., Рощин Б.С., Нуждин А.Д., Тихонов А.М.

ДИНАМИКА СТРУКТУРЫ ЛАМЕЛЛЯРНЫХ МУЛЬТИСЛОЁВ ФОСФОЛИПИДОВ НА ЖИДКОСТИ ПО ДАННЫМ СИНХРОТРОННОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ

Волков Юрий Олегович1 — старший научный сотрудник; [email protected] Асадчиков Виктор Евгеньевич1 — и.о. главного научного сотрудника, заведующий лабораторией; Рощин Борис Сергеевич1 — старший научный сотрудник; Нуждин Александр Дмитриевич1 — научный сотрудник;

1 ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Россия, Москва, 119333, Ленинский проспект, дом 57. Тихонов Алексей Михайлович2 — ведущий научный сотрудник;

2 Институт Физических Проблем им. П.Л. Капицы РАН, Россия, Москва, 119334, ул. Косыгина, 2.

В статье рассмотрено изменение структуры упорядоченных многослойных ламеллярных плёнок фосфолипидов дистеаройл-фосфатидилхолина и димиристойл-фосфатидилсерина, сформированных на поверхности коллоидного раствора кремнезёма, в ходе термотропного фазового перехода плавления, по данным рентгеновской рефлектометрии на синхротронном источнике.

Ключевые слова: многослойные структуры, органические пленки, рентгеновская рефлектометрия

STRUCTURAL DYNAMICS OF LAMELLAR MULTILAYERS OF PHOSPHOLIPIDS ON A LIQUID BY SYNCHROTRON X-RAY REFLECTOMETRY DATA

Volkov Y.O.1, Asadchikov V.E.1, Roshchin B.S.1, Nuzhdin A.D.1, Tikhonov A.M.2

1 FSRC "Crystallography and photonics" RAS, Moscow, Russian Federation

2 P.L. Kapitza Institute for Physical Problems RAS, Moscow, Russian Federation

The article discusses structural changes in ordered multilayer lamellar films of phospholipids distearoyl-phosphatidylcholine and dimyristoyl-phosphatidylserine, formed on a surface of colloidal silica solution, during thermotropic melting phase transition, according to data obtained with synchrotron X-ray reflectometry. Key words: multilayer structures, organic films, X-ray reflectometry

Введение

Фосфолипидные бислои в жидкой среде представляют собой простейшую модель биологической мембраны для биофизических исследований. Однако проблема характеризации таких структур осложняется свойством липидов формировать в водных средах макроскопические трёхмерные агрегаты — мицеллы и липосомы. Ввиду этого плоские образцы липидных слоёв, как правило, формируются на твердотельных подложках либо методом Ленгмюра-Блоджетт, либо конденсацией липосом [1].

Ранее было показано [2], что на поверхности коллоидных водных растворов наночастиц оксида кремния (кремнезолей) благодаря уникальным граничным условиям (градиенту поверхностного потенциала) возможно формировать

макроскопически плоские упорядоченные слои фосфолипидов. В частности, геометрические параметры таких структур (толщину и количество бислоёв) можно изменять, варьируя pH жидкой субфазы. В свою очередь, неразрушающие поверхностно-чувствительные методы, основанные на отражении и рассеянии рентгеновского излучения в скользящем падении, позволяют получить информацию о строении макроскопических плёнок (в том числе жидкофазных) с пространственным разрешением до единиц ангстрем [3].

В настоящей работе было исследовано термотропное поведение ламеллярных мультислоёв фосфолипидов 1,2-дистеаройл-sn-глицеро-3 -

фосфохолина C44H88NO8P (DSPC) и 1,2-димиристойл-sn-глицеро-З -фосфо^-серина C34H65NO1oPNa

(DMPS), сформированных на поверхности кремнезоля 5-нм наночастиц SiO2. Оба липида при повышении температуры выше критического значения Tc = 55°C и 37°С соответственно претерпевают фазовый переход плавления, с переходом структуры в объёме в жидкое состояние [4]. Информация о распределении плотности образцов по глубине была получена методом рентгеновской рефлектометрии — измерением коэффициента зеркального отражения при различных углах скольжения. Информация о поверхностной упаковке липидных молекул была получена методом скользящей дифракции — измерением интенсивности рассеянного излучения в азимутальной плоскости при фиксированном угле падения.

Материалы и методы

Образцы липидных плёнок приготавливались капельным методом во фторопластовой тарелке диаметром 100 мм, размещённой в герметизируемом одноступенчатом термостате [5] с точностью по температуре в пределах 0.5°C. Раствор липида в хлороформе (Avanti Polar Lipids) наносился

калиброванным шприцом на поверхность кремнезоля (Ludox, диаметр наночастиц ~5 нм, объёмная концентрация ~16%, рН ~ 9.5). После приготовления образец выдерживался при температуре 23 °С в течение часа для стабилизации исходной плёнки. Последующие измерения проводились в интервале температур от 23°С до 60°С.

о.оо

0.12

0.24

.0.36

^ [А1]

0.48

0.60

0.00

0.12

0.24

0.36

0.48

0.60

[А"1]

Рис.1. Экспериментальные (точки) и расчётные (линии) кривые отражения, измеренные для мультислоёв фосфолипида DSPC (а) и DMPS (б) при температурах выше и ниже точки плавления. Для ясности кривые смещены по вертикали.

Рентгеновские измерения проводились на станции ГО31 синхротрона ESRF [6] при энергии фотонов 71 кэВ (длина волны 1 ~ 0.175 А). Пучок сечением 10x250 мкм обеспечивал интегральную интенсивность 10 ~ 1010 имп/с. Экспериментальные зависимости коэффициента отражения R = 1ехр/Ь от волнового вектора рассеяния qz = 4тата/Х (где а = в — углы скольжения и отражения), полученные при температурах ниже и выше критической температуры плавления Тс, представлены на Рис. 1.

Анализ экспериментальных данных и расчёт распределений плотности по глубине проводились в рамках модельно-независимого подхода [7], основанного на экстраполяции асимптотики угловой зависимости отражения в область больших qz. Ключевое преимущество подхода заключено в том, что он не требует априорных предположений о внутренней структуре образца и позволяет извлечь распределение плотности по глубине р^) непосредственно. Рассчитанные распределения плотности приведены на Рис. 2. Далее для оценки количественных структурных параметров профили р^) были аппроксимированы стандартными структурными моделями липидного бислоя [2]. Полученные параметры приведены в Табл. 1.

1.4

1.2

1.0

г

о..

.0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

б)

40°С I

23°С ^

-500

-400

-300

-200 2 [А]

-100

100

Рис. 2. Распределения плотности по глубине, нормированные на табличную электронную плотности воды р„ = 0.333 А~3, рассчитанные по данным рефлектометрии для мультислоёв фосфолипида DSPC (а) и DMPS (б) при температурах выше и ниже точки плавления. Для ясности кривые смещены по вертикали на 0.2.

Таблица 1. Оценочные структурные параметры липидных слоёв

липид T Lh, A Ph/pw Lt, A Pt/pw Oeff, A A, A2 Гн20

DSPC 23°C 15.3 1.38 10.5 1.01 3.6 41.6 2±1

58°C 9.1 1.12 17.5 0.97 5.2 — 3±2

DMPS 23°C 11.6 1.53 14.7 1.03 3.8 40.8 5±1

40°C 12.8 1.27 12.1 0.92 >10 — 14±1

Результаты и обсуждение

Как следует из полученных распределений плотности, при нормальных условиях (Т < Тс) плёнки обоих липидов формируют упорядоченный мультислой, состоящий из совокупности ламеллярных бислоёв. Отметим, что липид DSPC формирует достаточно плотную периодическую структуру, в то время как в плёнке липида DMPS бислои, по-видимому, отделены друг от друга прослойками несвязанной воды. Такое качественное различие потенциально значимо для моделирования липидных мембран и требует более тщательного изучения. Также на поверхности плёнки DMPS, по-видимому, присутствует дополнительный

упорядоченный монослой, аналогичный

ленгмюровскому. Оценочное значение площади на молекулу липида А по данным скользящей дифракции составляет 41.6 А2 для липида DSPC и 40.8 А2 для липида DMPS, что соответствует известным в литературе значениям для жидкокристаллической ленгмюровской фазы; в сочетании с оценочными структурными параметрами это указывает на высокую упорядоченность молекул липида в мультислоях. При этом характерная степень гидратации Г (число молекул воды в пересчёте на каждую молекулу липида, аккумулированных непосредственно в объёме бислоя) составляет ~2 для плёнки DSPC и ~5 для плёнки DMPS.

При температуре Т > Тс в результате плавления заметно существенное сокращение плотности в приповерхностном липидном монослое и разрушение глубинных бислоёв. При этом оценочная структурная плотность полярных групп рь в бислое существенно снижается, а параметр межслойной шероховатости ое£т возрастает, что также свидетельствует о разупорядочении структуры. Отметим, что для липида DMPS оценочное значение Оег в жидкой фазе существенно превосходит физически допустимое по модели шероховатости капиллярных волн [8] при сохранении интегральной

плотности алифатических хвостов, что может быть объяснено дополнительной гидратацией молекул липида в жидкой фазе (Г ~ 15).

Авторы выражают благодарность В. Хонкимаки (ESRF) за помощь в проведении экспериментов, а также И.В, Кожевникову (ФНИЦ КиФ РАН), Х. Райхерту (ESRF) и Ю.А. Ермакову (ИФХЭ РАН) за полезные обсуждения результатов работы. Эксперименты на станции ID31 проводились в рамках проектов ESRF SC4246 и SC4461.

Список литературы

1. Theato P.; Zentel R. Formation of Lipid Bilayers on a New Amphiphilic Polymer Support. // Langmuir -2000 - V. 16 - P. 1801.

2. Тихонов А.М. Мультислой фосфолипидных мембран на гидрозольной подложке. // Письма в ЖЭТФ - 2010 - Т. 92 - С. 394.

3. Delcea M.; Helm C.A. X-ray and Neutron Reflectometry of Thin Films at Liquid Interfaces. // Langmuir - 2019 - Vol. 35 - P. 8519.

4. Small D.M. The Physical Chemistry of Lipids. NY: Plenum Press, 1986. — 672 pp.

5. Тихонов А.М. Термостатная камера для рентгеновских исследованийтонкоплёночных структур на жидких подложках. // Приборы и техника эксперимента - 2021 - №1 - С. 146.

6. Honkimaki V.; Reichert H.; Okasinski J.S.; Dosch H. X-ray Optics for Liquid Surface/Interface Spectrometers. // J. Synchrotron Radiation - 2006 - V. 13 - P. 426.

7. Kozhevnikov I.V.; Peverini L.; Ziegler E. Development of a Self-consistent Free-form Approach for Studying the Three-dimensional Morphology of a Thin Film // Physical Review B - 2012 - V. 85 - Iss. 12 - P. 125439.

8. Braslau A.; Deutsch M.; Pershan P.S.; Weiss A.H.; Als-Nielsen J.; Bohr J. Surface Roughness of Water Measured by X-ray Reflectivity. // Physical Review Letters - 1985 - V. 54 - P. 114.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.