關(guān)于仿生膜制備的若干思考

楊嵐　邱樹毅　盧衛(wèi)紅

摘 要：近年來隨著分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)不斷發(fā)展，各領(lǐng)域多種學(xué)科相互交融來研究生物膜制作技術(shù)，已經(jīng)成為現(xiàn)代尖端研究的發(fā)展方向。眾所周知生物膜的基本結(jié)構(gòu)是脂雙層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可保證細(xì)胞內(nèi)各部分的結(jié)構(gòu)有機(jī)排列組合。其擔(dān)負(fù)著運(yùn)輸物質(zhì)、交換能量、調(diào)節(jié)代謝、交換信息，分子或細(xì)胞甄別等多項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)。由此可見，生物膜是生命發(fā)展變化中諸多實(shí)時(shí)變化的基本單元。生命中物質(zhì)輸送、能量交換和信息傳遞都和生物膜雙層脂膜結(jié)構(gòu)密不可分，生物膜和仿生膜的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，特別是膜的制備方面的相關(guān)問題。文章從多種途徑，研究仿生膜制備的方法，列舉了具體的制作過程，具有極大的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，總之，尋找新的仿生膜合成方法是現(xiàn)代科學(xué)家們面臨的一項(xiàng)緊迫而又艱巨重要的任務(wù)，可以說，仿生膜制備方法的發(fā)展是仿生膜發(fā)展的源泉。

關(guān)鍵詞：bf生物膜；cbm仿生膜；cs細(xì)胞；脂雙層；膜的制備

依據(jù)生物膜的雙層脂膜結(jié)構(gòu)的這種特殊結(jié)構(gòu)，采用人工膜進(jìn)行較易操作的實(shí)驗(yàn)做離體實(shí)驗(yàn)研究的方法，是不斷深入掌控生物膜基本功能的重要研究方法之一。現(xiàn)在常用的兩種人工膜模型，平板雙層磷脂膜（BLM）和球形脂質(zhì)體（Liposome）可以說是自然生物膜結(jié)構(gòu)的充分體現(xiàn)。生物體生命活動(dòng)的基本過程是以電荷為載體與生物膜結(jié)構(gòu)息息相關(guān)的。用電化學(xué)的理論、方法和技術(shù)進(jìn)行模擬生物膜功能的研究是認(rèn)識生命活動(dòng)最直接和明確的途徑，模擬生物膜的電化學(xué)研究是近期生物電化學(xué)研究發(fā)展的必然。仿生膜的研究對生物膜研究具有極其顯著的理論和應(yīng)用價(jià)值，特別是膜的制備方面的相關(guān)問題研究。文章從多種途徑，研究仿生膜制備的方法，列舉了具體的制作過程，具有極大的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。生物膜是細(xì)胞內(nèi)膜和細(xì)胞外膜的統(tǒng)稱，此外還包括高等動(dòng)物體內(nèi)的復(fù)合膜。生物體生命在進(jìn)化過程中，膜的出現(xiàn)具有特殊的意義，質(zhì)膜的形成是非細(xì)胞生物（如病毒、噬菌體）與細(xì)胞生物的一個(gè)重要分界點(diǎn)，細(xì)胞內(nèi)膜體系的發(fā)展是細(xì)胞生物從低級向高級進(jìn)化的反映。現(xiàn)代科學(xué)研究表明，生物膜特有的脂雙分子層結(jié)構(gòu)和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)a-螺旋結(jié)構(gòu)一樣，都是生命體系的基本結(jié)構(gòu)，是細(xì)胞的重要特征之一。生物膜維持著細(xì)胞內(nèi)各部分的結(jié)構(gòu)有序性，它關(guān)系到細(xì)胞內(nèi)的能量代謝轉(zhuǎn)換、蛋白質(zhì)等大分子的生物合成、細(xì)胞和外界環(huán)境的物質(zhì)交換及信息傳遞等重要過程，因此，生物膜結(jié)構(gòu)既是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基本形式，也是生命活動(dòng)的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)?？傊瑢ふ倚碌姆律ず铣煞椒ㄊ钱?dāng)代科學(xué)家們理應(yīng)擔(dān)當(dāng)?shù)钠D巨的研究任務(wù)，可以說，仿生膜制備方法的發(fā)展是仿生膜發(fā)展及對生物膜研究的基礎(chǔ)。

1 生物膜

1.1 生物膜的組成原料

大量研究已表明生物膜基本原料是由水和類脂、蛋白質(zhì)、糖（糖蛋白、糖脂）等組成，此外還有少量的核酸和無機(jī)離子[2]。脂類是一些不溶于水而溶于有機(jī)溶劑的大分子，在膜中主要起基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作用，其流動(dòng)性可輔助蛋白質(zhì)發(fā)揮功能，脂的極性端參與生物膜的相互作用，有少數(shù)幾種脂類還參與信息的傳遞過程。多數(shù)膜蛋白是酶、受體或通道，具有一定的生物學(xué)功能，在細(xì)胞與外界的相互作用及物質(zhì)和信息的交換中起著重要的作用。糖類多以復(fù)合物形式存在，通過共價(jià)鍵與某些脂類或蛋白質(zhì)組成糖脂或糖蛋白。類脂和蛋白質(zhì)是生物膜的主要成分，約占膜總重量的80%，水占膜總重量的15-20%。在不同的細(xì)胞中或在同一細(xì)胞不同的細(xì)胞器中以及不同的細(xì)胞膜層中，類脂和蛋白質(zhì)比例相差很大。膜的蛋白質(zhì)含量與細(xì)胞的代謝、吸收、分泌等生物活性有關(guān)。一般來說，功能越復(fù)雜多樣的膜，所含蛋白質(zhì)的種類越多，所占重量的比例也越大。

1.2 生物膜的結(jié)構(gòu)（流動(dòng)鑲嵌模型）

70年代Simger和Nicolson[3]提出的細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型至今仍被普遍采用（圖1）。

該模型強(qiáng)調(diào)了生物膜的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，特別是流動(dòng)性和不對稱性。其特征有五點(diǎn)：（1）類脂分子特別是磷脂分子是構(gòu)成細(xì)胞膜的基本物質(zhì)；（2）類脂分子以雙分子層方式排列，其極性端朝向膜外；（3）蛋白質(zhì)分子鑲嵌在脂雙層中；（4）類脂的各種成分在膜內(nèi)外的分部是不對稱的，膜蛋白的分布也表現(xiàn)高度的不對稱性；（5）細(xì)胞膜不是靜止的，而是流動(dòng)的。類脂和蛋白質(zhì)可以在脂雙層內(nèi)進(jìn)行多種形式的運(yùn)動(dòng)。

1.3 生物膜的性質(zhì)和功能組成

1.3.1 生物膜的性質(zhì)

主要體現(xiàn)在脂雙模的穩(wěn)定性，生物膜脂雙層的非對稱性，膜的電惰性與可修飾性，相變溫度，膜的通透性，膜的流動(dòng)性，膜的多型性。

1.3.2 生物膜的功能

主要包括細(xì)胞膜的屏障作用，細(xì)胞膜的物質(zhì)運(yùn)輸作用，細(xì)胞膜的受體作用，融合作用，細(xì)胞膜的信息傳遞作用。

2 模擬生物膜的模型

50年代末，Muller.P等人[1]在水溶液間成功形成自組裝Planar Bilayer Lipid Membrane（簡稱BLM膜），這種膜與生物膜的組成和結(jié)構(gòu)相似，因此可作為生物膜的模型用于各種研究。BLM膜與后來相繼出現(xiàn)的各種模擬生物膜（包括L-B膜，支撐的BLM膜）為我們提供了研究生物膜的有效手段。如今，生物膜研究已經(jīng)成為綜合生物學(xué)、化學(xué)及物理學(xué)的跨學(xué)科工程。它的成就已在生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、藥理學(xué)等領(lǐng)域起到不可估量的作用。特別是70年代以來，各種物理化學(xué)新技術(shù)、新方法的應(yīng)用使生物膜的研究已經(jīng)深深地滲入到電化學(xué)、生物化學(xué)、生物物理學(xué)、分子生物學(xué)、生理學(xué)、病理學(xué)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，并極大地推動(dòng)這些學(xué)科的發(fā)展。實(shí)際上，生物膜研究已成為分子生物學(xué)中最令人矚目和最活躍的研究領(lǐng)域之一。

2.1 傳統(tǒng)的類脂雙層膜

實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的BLM是通過把類脂溶液鋪展在界于兩種不同水溶液間憎水部分的小孔上形成的。這種方式由Muller等在60年代首先報(bào)道。由此方法形成的BLM，其性能的變化如電勢、電容及電流很容易由放置于膜另一側(cè)的參比電極所測得。直到今天，這種傳統(tǒng)的方法仍然是最簡單可行的技術(shù)。

2.2 支撐的類脂雙層膜