DMPC磷脂双分子层在H2O与D2O环境中温度与压力诱导相变的FTIR研究：分子间相互作用的微观洞察

《Bulletin of the Chemical Society of Japan》：FTIR study of temperature- and pressure-induced phase transitions and intermolecular interaction changes in DMPC bilayers in H2O and D2O

本研究针对压力诱导磷脂双分子层相变过程中分子间相互作用机制不明确的问题，通过变温/变压傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，系统分析了DMPC双分子层在H2O与D2O环境中的相变行为。研究发现甲基/亚甲基伸缩振动频率变化可灵敏反映膜曲率与溶剂效应，首次揭示LβI相中vs(CH2)压力导数仅为Lβ'相的一半，表明链间排斥作用减弱。该研究为高压环境下生物膜结构的微观调控提供了新见解。

　　

生物膜作为生命体系的基本结构单元，其动态行为始终是生物物理研究的前沿课题。磷脂双分子层作为生物膜的简化模型，对外界环境变化异常敏感，温度或压力的微小扰动都可能引发其相态转变。虽然温度诱导的相变机制已被广泛研究，但高压环境下——尤其是深海生物生存的极端条件——磷脂膜如何通过分子间相互作用的调整维持稳定性，仍是未被深入探索的领域。更值得关注的是，重水（D₂O）作为特殊溶剂，通过增强氢键作用可能显著改变膜的性质，这为理解生命体系在同位素替代环境中的适应性提供了独特视角。

发表于《Bulletin of the Chemical Society of Japan》的最新研究，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术揭开了这一谜题。研究团队以1,2-二肉豆蔻酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DMPC）为模型，系统分析了在H₂O与D₂O环境中，温度与压力如何调控磷脂双分子层的相行为及分子间相互作用。该研究首次实现了在高压条件下对多种脂质相态的实时光谱追踪，特别是对传统光学方法难以检测的小单室脂质体（SUV）体系的成功分析，为高压膜生物学研究开辟了新途径。

研究团队主要运用了三大技术方法：首先通过变温/变压FTIR光谱系统采集了DMPC在多相态下的分子振动信息；其次利用二阶导数分析和Savitzky-Golay算法精准解析了重叠谱峰；最后结合钻石对顶砧（DAC）高压装置，实现了0.1-665.4 MPa压力范围内的原位光谱测量。实验样本包括多室脂质体（MLV）与SUV两种形态，分别代表低曲率与高曲率膜体系，所有样品均采用探针式超声制备以确保体系均一性。

温度诱导相变的光谱响应

当温度从10°C升至15°C时，MLV中亚甲基对称伸缩振动（v_s(CH₂)）频率在H₂O中向低波数移动，而在D₂O中反向移动。这一反常现象与D₂O更强的氢键作用密切相关：增强的头基间相互作用促使烷基链堆积更紧密，从而强化了链间吸引力。值得注意的是，在波纹凝胶相（P_β'）中，溶剂差异引起的频率偏移显著减小，表明该相态下膜流动性增加削弱了溶剂效应。对于SUV体系，由于高曲率导致头基无序化，预相变完全消失，主相变温度范围也明显拓宽，这为膜曲率调控相变行为提供了直接证据。

压力诱导相变的分子重构

在41.3°C高压实验中，v_s(CH₂)频率在50 MPa附近出现拐点，对应液相（L_α）向P_β'相的转变。当压力升至300 MPa时，亚甲基弯曲振动（γ(CH₂)）在1468 cm^-1处发生特征性分裂，形成1474 cm^-1与1464 cm^-1双峰。这一现象被证实为链间相关场分裂的典型标志，指示烷基链已进入交错凝胶相（L_βI）。特别重要的是，L_βI相中v_s(CH₂)的压力导数（?v?/?P）仅为L_β'相的一半，从分子层面证实交错排列有效降低了链间排斥作用。

溶剂效应的热力学诠释

通过定量分析振动频率的温度/压力导数，研究发现D₂O环境中所有相态的?v?/?P值均高于H₂O体系。例如在L_β'相，D₂O体系的v_s(CH₂)压力敏感性达到0.7 cm^-1/MPa，显著高于H₂O的0.4 cm^-1/MPa。这种差异源于D₂O更强的氢键网络压缩了头基间距，促使烷基链堆积密度增加。与此呼应，胆碱甲基不对称弯曲振动（γ_as(CH₃)_c）在13°C出现的异常频移，进一步证实了头基相互作用在相变中的主导作用。

该研究通过创新性地整合变温/变压FTIR技术，首次实现了对磷脂双分子层在多维环境参数下相行为的全景式解析。特别是发现L_βI相中v_s(CH₂)压力导数的特异性变化，为判别交错凝胶相提供了新指标。研究不仅证实膜曲率通过调控分子堆积密度影响相变特性，还揭示了D₂O通过强化氢键改变膜稳定性的微观机制。这些发现对理解深海生物膜适应性、药物载体设计以及同位素效应在生命体系中的作用具有重要启示，为发展高压生物技术提供了理论基础。