胆固醇与含PUFA磷脂作用的分子动力学影响研究_周亮.pdf

第 14 卷 第 4 期2023 年 2 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Feb.2023胆固醇与含 PUFA 磷脂作用的分子动力学影响研究周亮，冷潇泠，聂世琦，李可飘(湖南城市学院信息与电子工程学院，湖南 益阳 413000)摘要:通过分子动力学研究了胆固醇对含有 PUFA 的 SDPC 磷脂双层膜的影响，引入了单不饱和的 SOPC 磷脂膜进行对比。模拟结果表明，加入胆固醇能够提高脂膜的有序度，增加脂膜的厚度。该效果在胆固醇的摩尔浓度为 25%左右增大了两种磷脂的差异，在50%左右差异减小。通过对胆固醇周围最近邻磷脂链密度的分析发现，低饱和度的 DHA 链影响了 SDPC 中饱和链与胆固醇的相互作用，说明一定浓度下的胆固醇可能通过对 PUFA 微区性质的调节，促进细胞膜中不同饱和度磷脂的液相分离。关键词:胆固醇;磷脂膜;PUFA;分子动力学模拟中图分类号:Q26文献标志码:A文章编号:1674 8646(2023)04 0109 04Molecular Dynamics Effects of Cholesterol on PUFA-containing PhospholipidsZhou Liang，Leng Xiaoling，Nie Shiqi，Li Kepiao(College of Information and Electronic Engineering，Hunan City University，Yiyang 413000，China)Abstract:The study analyzes the influence of cholesterol on the double layer coating of PUFA-containing phospholipidswith molecular dynamics，and compares it with monounsaturated SOPC phospholipid membrane.The simulation resultsshow that cholesterol can improve the order degree，and increase thickness of panniculus adiposus.This effect increasesthe difference between the two phospholipids when the molar concentration of cholesterol is about 25%，and decreaseswhen the molar concentration of cholesterol is about 50%.Through the analysis of the nearest neighbor phospholipidchain density around cholesterol，it is found that low saturation DHA chain influences the interaction between saturationchain of SDPC and cholesterol，indicating that cholesterol under certain concentration can promote liquid phaseseparation of phospholipid with different saturabilities through the adjustment of PUFA microcell characteristics.Key words:Cholesterol;Phospholipid membrane;PUFA;Simulation of molecular dynamics收稿日期:2022 12 04课题信息:湖南省大学生创新创业训练计划项目“植物甾醇与含 PUFA 磷脂相互作用的分子动力学研究”(湘教通 2021 197 号 3365);湖南省自然科学基金项目青年项目(2021JJ40020)“植物甾醇对动物细胞膜脂筏调节作用的分子动力学研究”，湖南城市学院，冷潇泠;湖南省教育厅科学研究项目优秀青年项目(19B098)“不同甾醇对含 PUFA 磷脂膜相分离特征影响的研究”，研究团队:冷潇泠，谭伟石，祝秋香，熊翠秀通讯作者:冷潇泠(1985 )，男，博士，讲师。E mail:lengxiaol-ing 。0引言胆固醇(CHOL)在哺乳动物细胞膜中的含量可达50%，参与了细胞膜上被称为“脂筏”区域的形成和调节1。该区域可能与多种膜蛋白发生作用，影响细胞信号的传导等功能。鱼油等食物中的多不饱和脂肪酸(PUFA)可参与磷脂的构成，由于其较低的有序度和平均厚度而形成对应的无序微区，由此推测，PUFA 磷脂会破坏脂筏区域，从而引起膜蛋白的聚集2。研究表明，含有 DHA 的磷脂会增大脂筏面积3，而 PUFA对脂筏的调节作用很有可能和 PUFA 与胆固醇的相互作用有关。目前，人们已对胆固醇对脂筏性质的调节及其与脂筏内饱和磷脂的相互作用进行了大量研究。胆固醇对脂筏有凝聚作用，提升了脂筏区域的有序度和厚度4，有助于脂筏的形成和稳定。而胆固醇与 PUFA的相互作用机制尚在探讨中。早期实验发现，短 PU-FA 磷脂会使胆固醇的亲水基团暴露在脂膜核心，从而造成 PUFA 与胆固醇的相互排斥5。研究发现，n 3 PUFA链的运动较难被甾醇环限制，从而降低了与胆固醇的亲和力6。为进一步研究胆固醇与 PUFA 磷脂的相互作用，对比模拟了胆固醇与含 PUFA 磷脂和含单不饱和的 OA 磷脂组成的磷脂膜，分析了脂膜性质的变化和磷脂间的相互作用。1研究方法采用分子动力学模拟了胆固醇(图 1)分别在1 硬脂酰基 2 油酰磷脂酰胆碱(1 stearoyl 2 901oleoylphosphatidylcholine，SOPC，图 1b)磷脂双层膜、1 硬脂酰 2 二十二碳六烯酰基磷脂酰胆碱(1 stearoyl 2 docosahexnoylphosphatidylcholine，SDPC，图 1c)磷脂双层膜中的系统，建立了胆固醇摩尔浓度为 50%、25%、10%和 0%(纯 PC 磷脂)的胆固醇 PC磷脂双层膜。膜中单层磷脂数量各为 100 个，水层厚度 22.5。模拟采用 CHARMM c36m 分子力场7，NPT 系综，非成键相互作用在 10 12 逐渐关闭，盒子采用周期性边界条件。模拟在湖南城市学院全固态储能材料与器件湖南省重点实验室的 GPU 计算服务器上使用 NAMD8 进行，模拟步长为 2 fs，每个模拟的时长为1 000 ns。图 1磷脂分子结构图(a)CHOL(b)SOPC(c)SDPCFig.1Phospholipid molecular structure(a)CHOL(b)SOPC(c)SDPC2结果与讨论2.1酰基链有序度(SCD)氘有序度(SCD)是描述膜中酰基链段动力学的基本量，主要与酰基链段上 C H 键运动的各项异性有关，其定义为:SCD=3cos2 1()2其中，表示 C H 键和膜法线之间的夹角，尖括号是对整个时间、所有分子取平均。图 2 中，深色方块线条为 0%浓度下的图像，与其他浓度下图像进行对比。图 2(a)、(b)、(c)、(d)分别为 10%浓度胆固醇、25%浓度胆固醇、50%浓度胆固醇、不同浓度下磷脂的平均 sn 1 链有序度。图 2(a c)展示不同浓度的胆固醇下 SDPC/SOPC 双层膜中 sn 1 饱和链的有序度(SCD)，可见在C3 C12 附近的有序度始终保持在一个较高值，随后有序度逐渐下降，这表明链的上半部分受到的限制较多，而越接近脂膜中心受到的限制越小，具有更高的自由度。胆固醇的加入使得 SDPC 和 SOPC 的 sn 1 链的有序度均有较大提升，并与其浓度呈正相关。SOPC的有序度始终要高于 SDPC。而胆固醇浓度变化造成的有序度差异主要集中在 C6 C15。图 2不同胆固醇浓度下的磷脂 sn 链有序度 SCDFig.2Phospholipid sn chain order degree SCDunder different cholesterol concentration011图 2(d)展示了模拟中 SDPC 和 SOPC 的 sn 1 链的平均 SCD随胆固醇浓度变化的情况。随着胆固醇浓度的增大(10%25%)，SDPC 和 SOPC 两者有序度的差别逐渐增大，当胆固醇浓度继续上升到 50%时，两者有序度的差别逐渐缩小。该差异会影响脂筏分区的形成，所形成的脂筏区域的面积与不同脂质有序度的差异成正比，差异越大，越易于区分两种不同的脂质。2.2电子密度(D(z)图 3(a d)为磷脂双分子层法线方向(z 方向)上的电子密度。通常将两处尖峰之间的距离 DHH表示为脂膜的厚度。SOPC 和 SDPC 脂膜厚度与胆固醇浓度成正相关，且 SOPC 脂膜的厚度要大于 SDPC。通过对峰值附近的多项式拟合，不同情况下的脂膜厚度如图3(f)。当胆固醇浓度从 0%上升到 25%时，SOPC 和SDPC 之间的厚度差异开始增加，但当胆固醇浓度继续上升到 50%后，两者的厚度差异减小到比 0%时还小。适当浓度下，胆固醇会强化两种磷脂之间的厚度差异，但过高的浓度则会减弱该差异。厚度差异会影响疏水错位作用9，从而影响脂筏形成，因此胆固醇在一定浓度下可能促进高度无序的 PUFA 微区与较为有序的普通单不饱和或饱和微区的液相分离。(a)0%浓度胆固醇;(b)10%浓度胆固醇;(c)25%浓度胆固醇;(d)50%浓度胆固醇;(e)磷脂厚度 DHH 随胆固醇浓度的变化;(f)磷脂厚度百分比差别(以 SDPC 为基准)随胆固醇浓度的变化。图 3各个模拟中 SOPC 和 SDPC 在膜法线上的电子密度 D(z)图Fig.3Electron density D(z)of SOPC and SDPC on membrane normals in each simulation2.3碳原子围绕胆固醇的空间分布为了精确分析胆固醇与 SOPC、SDPC 磷脂酰基链的相互作用，计算了胆固醇周围不同酰基链的分布。把模拟中每个胆固醇按照固定方位对齐后，将周围空间分成 0.5 0.5 0.5 的格子，统计在模拟中落入该格子的酰基链上的碳原子数目。其中，在 z 方向上以胆固醇 C13 为坐标轴 0 点。为获得最多的采样，选取胆固醇浓度为 50%、C13 所在的层面进行展示(图 4)。图4 中，坐标原点为 C13 位置，x 方向为 C13 C18甲基方向，颜色深度代表该位置发现的碳原子次数。在该处胆固醇的四元环由于不对称结构在中心处形成了三角形的空穴，这种不对称结构能帮助胆固醇更好地黏合脂筏区域的磷脂，围绕空穴的原子密度形成了壳层结构。SOPC 中 sn 1 链在第一壳层上约有5 个高密度区域，这些区域表示甾醇对酰基链运动的限制，是胆固醇对最邻近磷脂作用的直接体现6。SDPC 中 sn 1 链在第一壳层中的密度低于 SOPC 的111可见 4 个高密度区域，在 sn 2 链的第一壳层厚度增加，表明不饱和的 sn 2 链与胆固醇作用较弱，最近邻运动的区域更大。DHA 链原子数(22)多于 OA 链(18)，但第一壳层的密度低于 OA，说明 DHA 链的构象偏向无序，链难以保持竖直方向，最近邻 SDPC 分子的 DHA 链较少与相邻胆固醇发生作用，同时无序的链构象更容易产生尾链部分的向上弯曲，翻转上来的DHA 链也影响了 SDPC 中饱和 sn 1 链与胆固醇的相互作用，因此胆固醇与含 PUFA 磷脂(SDPC)的相互作用相对于它与普通的单不饱和磷脂(SOPC)相互作用较弱，原因是来自于 PUFA 链(DHA 链)在液晶相状态下较为弯曲的构型影响了 sn 1 位置的