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        關(guān)于仿生膜制備的若干思考

        2015-05-30 10:48:04楊嵐邱樹(shù)毅盧衛(wèi)紅
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年28期

        楊嵐 邱樹(shù)毅 盧衛(wèi)紅

        摘 要:近年來(lái)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(lái)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(jiàn),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(wèn)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(guò)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(shuō),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?,F(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(shuō)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(guò)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(shí)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(duì)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(wèn)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(guò)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(chēng),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(guò)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(jí)向高級(jí)進(jìn)化的反映?,F(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(guò)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?,尋找新的仿生膜合成方法是當(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(shuō),仿生膜制備方法的發(fā)展是仿生膜發(fā)展及對(duì)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(lèi)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(wú)機(jī)離子[2]。脂類(lèi)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(lèi)還參與信息的傳遞過(guò)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(lèi)多以復(fù)合物形式存在,通過(guò)共價(jià)鍵與某些脂類(lèi)或蛋白質(zhì)組成糖脂或糖蛋白。類(lèi)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(lèi)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(lái)說(shuō),功能越復(fù)雜多樣的膜,所含蛋白質(zhì)的種類(lèi)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(duì)稱(chēng)性。其特征有五點(diǎn):(1)類(lèi)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(lèi)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(lèi)脂的各種成分在膜內(nèi)外的分部是不對(duì)稱(chēng)的,膜蛋白的分布也表現(xiàn)高度的不對(duì)稱(chēng)性;(5)細(xì)胞膜不是靜止的,而是流動(dòng)的。類(lèi)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(duì)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)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(lái)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(lái),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(lèi)脂雙層膜

        實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)的BLM是通過(guò)把類(lèi)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(shì)、電容及電流很容易由放置于膜另一側(cè)的參比電極所測(cè)得。直到今天,這種傳統(tǒng)的方法仍然是最簡(jiǎn)單可行的技術(shù)。

        2.2 支撐的類(lèi)脂雙層膜

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