仿生膜界面局域水结构随跨膜电位的演变
最后更新：2020-04-09 11:26:27 手机定位技术交流文章
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水的结构是什么？这是《科学》杂志在其125周年纪念日提出的最具挑战性的科学问题之一。一个世纪以来，人们一直在研究水分子的结构。作为最常用的溶剂分子，水在自然界中无处不在。它的结构对许多物理、化学和生物过程有重要影响。复杂的氢键网络和强偶极赋予水分子独特的性质，它们的局部结构和取向将极大地影响双电层的静电性质。对于固/液界面，由于界面水在电化学过程中的重要作用，人们对其结构随外加电场的演化进行了大量的研究，并取得了重要的研究成果。然而，很少有关于外部电场如何调节磷脂膜/溶液界面处界面水的动态行为的报道。磷脂极性头的固有静电场显著限制了界面水的运动，进一步增加了局部水结构的复杂性。进一步阐述外加电场和磷脂的固有偶极如何共同影响界面水的局部结构，将为调节磷脂膜的重要功能(如信号转导和离子转运等)提供新的指导信息。)，但受目前分析方法的限制，目前尚未有相关报道。
最近，中国科学院长春应用化学研究所研究员蒋秀娥(点击查看简介)的研究小组在这方面取得了重要进展。通过表面增强红外光谱和电化学的结合，发现限制在磷脂极性头的强氢键水可以利用电位和离子的双重干扰，在一定范围内抵抗外部电位的干扰，这部分水将极大地影响磷脂膜的静电性质。
以两性蛋黄卵磷脂为模型体系，比较了水对疏水性十二烷基硫醇表面的潜在调节作用。对于磷脂膜/溶液界面，由负电位(-0.3 V对开路电位)引起的差异谱显示从3600 cm-1到3000 cm-1的宽峰，最低波数200波数低于DT界面。这是由于磷脂的特殊结构。除了疏水性羰基和胆碱，亲水性磷酸基团(PO)可以与相邻的水分子形成强氢键。值得一提的是，对于正电位(0.3 V对开路电位)引起的差谱，在3200~3000 cm-1范围内-OH拉伸振动没有明显变化，说明-OH拉伸振动位于3200~3000 cm-1范围内，具有一定的刚度，能够抵抗正电位的干扰。因为它出现在低波数部分，作者暂时将其归类为在界面上与PO键合的强氢键水。为了进一步确定振动带，作者在系统中加入了对PO2有特殊影响的钙离子(Ca2+)，以干扰PO2周围的水合水，从而进一步确定振动带。Ca2+诱导的差谱显示以3009 cm-1为中心的负带，而PO的对称拉伸振动蓝移表明PO去水合。
然后，在电极表面施加一系列电位(-0.3 V ~ 0.7 V，零电荷电位-0.1 V)，使界面处于极化状态。通过加入Ca2+和Ca2+的螯合剂乙二胺四乙酸∙2Na，发现振动带在3000 cm-1附近的波动与Ca2+在膜上的吸附/解吸直接相关，并且随着施加电势的负移，振动逐渐红移，表明负电势加强了界面处的水排列。同时，电化学电流的变化进一步证明了离子在膜上的吸附和解吸过程。基于上述结果，作者将振动带归因于在界面处与PO紧密结合的强氢键水。这个结果非常令人惊讶。即使施加0.7 V的正电势，具有这种特性的水仍然存在，并且预期的水偶极随界面电场反转的现象不会发生。此外，与PO键合的强氢键水对磷脂膜的静电性质有显著影响，这可能与水分子的强偶极有关。
这一研究结果加深了我们对膜/液界面双电层的基本认识，为调节膜蛋白的静电依赖功能和设计新型催化剂开辟了新的前景。
这一结果最近发表在《天使化学国际版》上。文章的第一作者是李珊珊，中国科学院长春应用化学研究所博士生。
带电两性离子磷脂膜/水界面上与磷酸基团结合的水的结构。
李珊珊、李武、、蒋秀娥
安琪。化学。Int。艾德。，2020，DOI: 10.1002/anie.202000511
姜秀娥博士介绍
姜秀娥，中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师。他于2005年毕业于中国科学院长春华英研究所。2006年至2010年，他先后在德国比勒菲尔德大学、乌尔姆大学和卡尔斯鲁厄理工学院从事洪堡学者和博士后研究。2010年加入中国科学院长春华英研究所电分析化学国家重点实验室，组建独立研究团队。为了研究生物膜界面的水合作用及其影响，我们独立开发了真空表面增强红外光谱电化学。我们首次将SEIRAS超灵敏分析特性与水分子的强中红外吸收相结合，创建了一种新的水增强表面增强红外光谱方法。我们系统地研究了生物膜界面水的结构及其在非共价相互作用中的指示和调节原理。迄今为止，他已在美国国家科学院、美国化学学会、美国化学学会、美国化学学会、美国化学学会等SCI期刊上发表论文89篇，被SCI引用3732次，并参与撰写了两本英文书籍。授权4项国内发明专利；他主持了中德国际合作和优秀青年科学基金
(优秀结论)等五项国家自然科学基金；曾获中国科学院宝洁奖学金、德国亚历山大·洪堡奖学金、吉林省三八红旗旗手、全国五一女模范战士。他现在是中国大学化学杂志的第一位青年执行编辑。
研究小组主页
https://www.x-mol.com/groups/jiang_xiue
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