活性氮氧化物穿透角质层脂质双分子层的转移自由能

图5.6.3展现了等离子体产生的主要RONS（H2O2、OH、HO2、O2、O3、NO、NO2、N2O4、HNO2、HNO3、）穿透角质层脂质双分子层的自由能剖面图（freeenergyprofiles，FEPs）。

各个分子从水中穿透脂质双分子层的转移自由能可根据各个分子的自由能剖面图按照式（5.6.7）计算得到：

其中，ΔG转移为某个分子穿透角质层脂质双分子层的转移自由能，Gmax为相应分子在自由能剖面图中最大的自由能，G水为相应分子在自由能剖面图中在水中时的自由能。因为在计算自由能剖面图时，使用分子在水中时的自由能作为参考点，所以在本文中G水=0kJ/mol。计算所得的各RONS穿透脂质双分子层的转移自由能如表5.6.2所示。

图5.6.3　等离子体产生的RONS穿透自然态与氧化态角质层脂质双分子层的自由能剖面图（FEPs）[36]

（a）等离子体产生的典型的RONS（N、N、H2O2、HO2、OH、HNO3、HNO2、N2O4、NO2、NO、O3、O2）穿透自然态角质层脂质双分子层的自由能剖面图；（b）等离子体产生的典型的RONS（N、N、H2O2、HO2、OH、HNO3、HNO2、N2O4、NO2、NO、O3、O2）穿透氧化态角质层脂质双分子层的自由能剖面图。注意，HNO2分子包含两种构型，即反式异构的transHONO 分子及顺式异构的cisHONO 分子

表5.6.2　典型的RONS穿透角质层脂质双分子层的转移自由能能垒（ΔG转移）(www.xing528.com)

从图5.6.3可以看出来，离子型化合物和具有Λ 形的FEPs，跨SC脂质双分子层的自由能屏障最高。在自然界中，离子由于具有较高的水合自由能（容易与水结合），以及容易被脂质分子的亲水性头部吸引而几乎不会通过被动扩散的方式穿透细胞膜的脂质双分子层[60]，所以它们始终需要特殊的通道（阴离子转运蛋白）进行转运[61]。同样地，在SC 脂质双分子层中，和具有最高的转移自由能（分别为83.05 kJ/mol 和76.71 kJ/mol，见表5.6.2）。从图5.6.4还能看出，和具有相似的FEPs，这可能是由于它们的穿透机理是离子诱导的（膜）缺陷穿透。具体地说，尽管它们的化学组成、大小和水合自由能不同，但它们都是以诱导脂质层产生水通道的方式穿透到SC脂质双分子层中[62]。

根据图5.6.3，对于所有的电中性RONS，它们的FEPs有十分相似的趋势。它们的自由能首先在水-脂质界面附近降低，然后增加，在脂质分子区域达到最大，然后随着深度深入而降低，直到双分子层的中心区域。所有亲水物质（H2O2、OH、HO2、HNO2、HNO3）在水-脂质界面附近具有最小的能量，这主要是由于这些RONS 与脂质分子头部具有氢键键合作用及色散相互作用[15，63]。另一方面，疏水性RONS（O2、O3、NO、NO2、N2O4）在双分子层中心具有最小的自由能（低于在水中的自由能），但N2O4的能量略高，这是由于脂质分子层中心部分（即脂质分子的尾部）具有疏水性。

从表5.6.2 可以看出，相比亲水性RONS（H2O2、OH、HO2、HNO2、HNO3），疏水性RONS（O2、O3、NO、NO2、N2O4）穿透SC 脂质双分子层具有更低的自由能能垒，这表明疏水性RONS相比于亲水性RONS更易穿透皮肤角质层。这与实验结果是一致的：亲水性的溶液几乎不能穿透皮肤层[64]。

分子动力学模拟表明，对于天然态角质层脂质双分子层而言，和的转移自由能（83.05kJ/mol和76.71kJ/mol）比H2O2的转移自由能大得多（39.59kJ/mol）；然而5.5节的实验表明，相比及，H2O2更加难以穿透角质层。这说明在实验中，接收室中接收到的及不是以离子形式直接穿透而来的，其可能的转换途径有以下两种。①和可能源自穿透SC 层的HNO3和HNO2。HNO3和HNO2在等离子体处理过程中产生，与其离子形式（即和）相比，它们穿透脂质层的转移自由能能垒更低。从表5.6.2 可以看出来，对于自然态的脂质双分子层，HNO3的转移自由能能垒为（26.18±0.36）kJ/mol，而其离子形式的转移自由能能垒为（83.05±5.82）kJ/mol，HNO2的转移自由能能垒为（18.99±0.28）kJ/mol（transHONO）或者（15.58±0.26）kJ/mol（cisHONO），而其离子形式的转移自由能能垒为（76.71±6.42）kJ/mol，HNO3与HNO2穿透角质层之后在接收室中分解为及。②和可能源自穿透角质层的NO 及NO2。NO 和NO2具有很低的转移自由能屏障（NO穿透自然态脂质双分子层的转移自由能能垒为（2.35±0.18）kJ/mol，NO2为（5.27±0.31）kJ/mol），可以跨角质层脂质层转移，先穿透角质层，然后转化为和。

综上，分子动力学模拟结果表明，典型的RNS（NO、NO2、N2O4）、O2及O3比典型的ROS（如H2O2、OH、HO2）更易穿透角质层，这表明RNS、O2及O3在等离子医学中可能起重要作用。