关于仿生膜制备的若干思考

杨岚　邱树毅　卢卫红

摘 要：近年来随着分子生物学和细胞生物学不断发展，各领域多种学科相互交融来研究生物膜制作技术，已经成为现代尖端研究的发展方向。众所周知生物膜的基本结构是脂双层结构，这种结构可保证细胞内各部分的结构有机排列组合。其担负着运输物质、交换能量、调节代谢、交换信息，分子或细胞甄别等多项复杂任务。由此可见，生物膜是生命发展变化中诸多实时变化的基本单元。生命中物质输送、能量交换和信息传递都和生物膜双层脂膜结构密不可分，生物膜和仿生膜的研究具有重要的现实意义，特别是膜的制备方面的相关问题。文章从多种途径，研究仿生膜制备的方法，列举了具体的制作过程，具有极大的现实指导意义，总之，寻找新的仿生膜合成方法是现代科学家们面临的一项紧迫而又艰巨重要的任务，可以说，仿生膜制备方法的发展是仿生膜发展的源泉。

关键词：bf生物膜；cbm仿生膜；cs细胞；脂双层；膜的制备

依据生物膜的双层脂膜结构的这种特殊结构，采用人工膜进行较易操作的实验做离体实验研究的方法，是不断深入掌控生物膜基本功能的重要研究方法之一。现在常用的两种人工膜模型，平板双层磷脂膜（BLM）和球形脂质体（Liposome）可以说是自然生物膜结构的充分体现。生物体生命活动的基本过程是以电荷为载体与生物膜结构息息相关的。用电化学的理论、方法和技术进行模拟生物膜功能的研究是认识生命活动最直接和明确的途径，模拟生物膜的电化学研究是近期生物电化学研究发展的必然。仿生膜的研究对生物膜研究具有极其显著的理论和应用价值，特别是膜的制备方面的相关问题研究。文章从多种途径，研究仿生膜制备的方法，列举了具体的制作过程，具有极大的现实指导意义。生物膜是细胞内膜和细胞外膜的统称，此外还包括高等动物体内的复合膜。生物体生命在进化过程中，膜的出现具有特殊的意义，质膜的形成是非细胞生物（如病毒、噬菌体）与细胞生物的一个重要分界点，细胞内膜体系的发展是细胞生物从低级向高级进化的反映。现代科学研究表明，生物膜特有的脂双分子层结构和DNA双螺旋结构、蛋白质a-螺旋结构一样，都是生命体系的基本结构，是细胞的重要特征之一。生物膜维持着细胞内各部分的结构有序性，它关系到细胞内的能量代谢转换、蛋白质等大分子的生物合成、细胞和外界环境的物质交换及信息传递等重要过程，因此，生物膜结构既是细胞结构的基本形式，也是生命活动的主要结构基础。总之，寻找新的仿生膜合成方法是当代科学家们理应担当的艰巨的研究任务，可以说，仿生膜制备方法的发展是仿生膜发展及对生物膜研究的基础。

1 生物膜

1.1 生物膜的组成原料

大量研究已表明生物膜基本原料是由水和类脂、蛋白质、糖（糖蛋白、糖脂）等组成，此外还有少量的核酸和无机离子[2]。脂类是一些不溶于水而溶于有机溶剂的大分子，在膜中主要起基础结构作用，其流动性可辅助蛋白质发挥功能，脂的极性端参与生物膜的相互作用，有少数几种脂类还参与信息的传递过程。多数膜蛋白是酶、受体或通道，具有一定的生物学功能，在细胞与外界的相互作用及物质和信息的交换中起着重要的作用。糖类多以复合物形式存在，通过共价键与某些脂类或蛋白质组成糖脂或糖蛋白。类脂和蛋白质是生物膜的主要成分，约占膜总重量的80%，水占膜总重量的15-20%。在不同的细胞中或在同一细胞不同的细胞器中以及不同的细胞膜层中，类脂和蛋白质比例相差很大。膜的蛋白质含量与细胞的代谢、吸收、分泌等生物活性有关。一般来说，功能越复杂多样的膜，所含蛋白质的种类越多，所占重量的比例也越大。

1.2 生物膜的结构（流动镶嵌模型）

70年代Simger和Nicolson[3]提出的细胞膜流动镶嵌模型至今仍被普遍采用（图1）。

该模型强调了生物膜的动态结构，特别是流动性和不对称性。其特征有五点：（1）类脂分子特别是磷脂分子是构成细胞膜的基本物质；（2）类脂分子以双分子层方式排列，其极性端朝向膜外；（3）蛋白质分子镶嵌在脂双层中；（4）类脂的各种成分在膜内外的分部是不对称的，膜蛋白的分布也表现高度的不对称性；（5）细胞膜不是静止的，而是流动的。类脂和蛋白质可以在脂双层内进行多种形式的运动。

1.3 生物膜的性质和功能组成

1.3.1 生物膜的性质

主要体现在脂双模的稳定性，生物膜脂双层的非对称性，膜的电惰性与可修饰性，相变温度，膜的通透性，膜的流动性，膜的多型性。

1.3.2 生物膜的功能

主要包括细胞膜的屏障作用，细胞膜的物质运输作用，细胞膜的受体作用，融合作用，细胞膜的信息传递作用。

2 模拟生物膜的模型

50年代末，Muller.P等人[1]在水溶液间成功形成自组装Planar Bilayer Lipid Membrane（简称BLM膜），这种膜与生物膜的组成和结构相似，因此可作为生物膜的模型用于各種研究。BLM膜与后来相继出现的各种模拟生物膜（包括L-B膜，支撑的BLM膜）为我们提供了研究生物膜的有效手段。如今，生物膜研究已经成为综合生物学、化学及物理学的跨学科工程。它的成就已在生物化学、细胞生物学、药理学等领域起到不可估量的作用。特别是70年代以来，各种物理化学新技术、新方法的应用使生物膜的研究已经深深地渗入到电化学、生物化学、生物物理学、分子生物学、生理学、病理学等各个学科领域，并极大地推动这些学科的发展。实际上，生物膜研究已成为分子生物学中最令人瞩目和最活跃的研究领域之一。

2.1 传统的类脂双层膜

实验中，传统的BLM是通过把类脂溶液铺展在界于两种不同水溶液间憎水部分的小孔上形成的。这种方式由Muller等在60年代首先报道。由此方法形成的BLM，其性能的变化如电势、电容及电流很容易由放置于膜另一侧的参比电极所测得。直到今天，这种传统的方法仍然是最简单可行的技术。

2.2 支撑的类脂双层膜