變場式核磁共振研究膽固醇脂質體分子表面運動

Effects of Cholesterol on Membrane Molecular Dynamics by Fast Field-Cycling NMR Relaxometry

謝渠蓉(Chu-Jung Hsieh)

指導教授 ： 黃聖言

國立中正大學/理學院/化學暨生物化學系/碩士(2013年)

摘要

生物膜在細胞生物學與生物奈米技術上的研究與應用扮演著重要的角色，且生物膜中膜脂分子的流動性對於膜的各種功能皆有密切的相關性，其中膽固醇的多寡造成膜脂分子的排列狀態改變進而影響膜功能的發展。因此，本研究主要目的是藉由改變膽固醇含量對膜脂分子運動的影響以及在不同的溫度與脂質體尺寸探討膜脂分子運動的變化。
本研究嘗試在脂質體中加入不同含量的膽固醇接著改變溫度與脂質體的大小條件下，測量隨著磁場頻率變化之自旋晶格弛豫速率 (R1)，利用弛豫理論分析脂質體在此三個條件下磷脂分子整體的各種分子運動參數，且根據各分子運動參數推斷脂質體膜的物理化學性質。
在自旋晶格弛豫速率 (R1) 量測部分，實驗結果顯示: 受到膽固醇量的影響磁場頻率在 0.13 MHz 至 0.01 MHz 有所變化；溫度效應主要影響磁場頻率範圍在 40 MHz 至 0.1 MHz，隨著溫度增加 R1 降低 11.8% ~ 50.1%；尺寸效應影響磁場範圍在 0.1 MHz 至0.01 MHz，隨著尺寸增加 R1 降低約 61.1%。第二部分為磷脂分子運動分析，脂質體的系統當中主要有四種分子運動，分別為秩序性擾動 (order fluctuation)、分子擴散 (diffusion)、分子旋轉 (rotation)、快速運動 (fast motion)。分析結果顯示: 膽固醇效應影響秩序性擾動和分子平移擴散運動，從彎曲彈性係數觀察到隨著膽固醇含量增加，磷脂分子之間距離拉近，使得膜表面擾動不易產生；由於磷脂分子之間的距離變近，分子平移擴散越慢。溫度效應秩序擾動和快速運動，隨著溫度的增加，提供較多熱量脂質體，導致磷脂分子易產生擾動，使得膜擾動程度變大，另外從溫度與擴散係數的關係中發現到 30% mol 有相轉變的發生。尺寸效應主要影響分子平移擴散和分子旋轉運動，由於脂質體尺寸變小，磷脂分子間的距離變得更靠近，受到結構的立體限制較大，因此，隨著脂質體尺寸變小平移擴散速率下降；而根據愛因斯坦方程式分子旋轉主要受到脂質體尺寸的影響，隨著脂質體尺寸變大，脂質體整體旋轉變慢。
因此，由本實驗可以了解膽固醇對於磷脂分子運動的影響主要在磷脂分子結構排列的變化，利用四種分子運動有助於了解磷脂分子排列變化的機制，進而對於未來藥物傳輸以及生物膜功能的動力學研究會有更近一步的發展。

關鍵字

脂質體動力學

並列摘要

Biological membranes are complex structures are composed of a variety of lipids and proteins. The different membrane compositions affect viscoelastic and hydrodynamic properties of membranes which are critical to their functions. Lipid bilayer vesicles inserted by cholesterol not only increase membrane surface motional behavior also strengthen vesicles stability. Cholesterol-rich vesicles are similar to cell membranes in structure and composition. Therefore, cholesterol-rich vesicles can be a typical model for studying membrane dynamic and function.
In this study, nuclear magnetic relaxation dispersion (NMRD) was utilized to investigate the detailed molecular dynamic of membrane difference between vesicles and cholesterol vesicles at the temperature range of 278 K and 298 K. Two different vesicles size were prepared. According to the activation energy of diffusion coefficient, the 30% mol cholesterol vesicles happened phase transitions. The effect of cholesterol is mainly on the order fluctuation of membrane and diffusion motion of lipid molecules. In addition, the distance between lipid molecules become closer when the ratio of cholesterol increases.

並列關鍵字

Membrane Molecular Dynamics

參考文獻

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