模拟生物膜的电化学的分析.pdf

摘 要 模拟生物膜的电化学研究 摘要 今天人们普遍认为类脂双层构成了所有生物膜的基本结构。人们公认类脂双 层为生物膜的模型仅有75年左右的时间。然而，类脂双层的概念起源更早，并 且可追溯到三百多年前，它是从物理学家和发明家的Hooke定律骨架开始的， 相当于9．5nm，这与现代测量值极其符合。皂泡中‘黑洞’的早期观察对生物 膜类脂双层概念的发展及随后在双分子类脂膜(平面类脂双层和球形脂质体)的 实验过程有着深远的影响。毫无疑问，这些令人兴奋的发展的灵感来源于生物界， 例如，自然界使用自组装策略创造复杂的、有功能的结构，除了上述细胞膜的类 脂双层，还有诸如手性蛋白质及DNA。热力学促成自组装，如果两性磷脂(例 如卵磷脂，PC)分子在水中，烃链将远离含水溶液。它们将全部到达水面(像油在 水中一样)或者它们能彼此相对。伴随着烃链彼此相对，磷脂两性分子能够形成 两个不同的构造。一为胶束，它可以被描述为类脂极性基团在外而烃链挤到一起 的小球：另一个即为类脂双层。 段是由一个夹在含水溶液中的两类脂单层构成。他们指出，一个水中的皂泡或者 ～个从脑分离物中形成的BLM，有许多类似生物膜的物理和化学性质，如被刺 破可以自动密封，一旦经某些蛋白质(如涂以EIM)修饰，这个大约6nm厚、电‘惰 性’的结构将被激活，展现出类似神经膜作用电位的那些特征性质。BLM体系 已广泛地用于研究包括生物能、光合成、免疫学和生物传感器发展的多种物理学、 化学及生物学现象。 生物膜结构的双层模型可以简单地陈述如下：所有的生物膜基本结构均由一 个双分子类脂层(即一个类脂双层)及吸附其上的非类脂层(大多是蛋白质)构成。 摘 要 在双层的内部，烃链被伦敦范德华力结合在一起。支持双分子层模型的最有力证 据是由Rudin和他的合作者们于1960年发现的平面构型的‘黑’类脂膜的形成。 后来由许多研究小组开展的实验论证了双层类脂膜(BLMs)是生物膜极好的实验 模型。这之后不久，Bangham发现了球形构型的类脂囊泡即球形脂质体。由于平 面BLMs和球形脂质体的实用性，这使得首次研究分隔两含水溶液的超薄(～6nm) 类脂双层的电性质和传输现象成为可能。 因为膜的功能和结构是同一类脂双层 的‘两肋’，从当前的工作来看生物膜大体的亚显微结构是：类脂以双层结构的形 式为蛋白质和其他组分提供骨架，这些组分在类脂双层中是可变的。膜类脂双层 实际上是可流动的而且与橄榄油有一致性(粘度约ImPa·f1)。这样，类脂、蛋白 质和其他组分被观察到在类脂双层范围内能够自由的伸展，在这个功能实体内， 诸如受体、离子通道、色素、酶等都可被嵌入。在分子水平上，类脂和蛋白质均 展示了不对称性：而细胞内部的结构也不同于外部。这是为解释膜两侧物质主动 运输而必须如此。膜内酶或免疫遗传素的能动位置被发现仅在类脂双层的一侧。 最后，这个动态的、流动的、不对称的类脂双层结构也能让我们洞察膜体系内各 种形式的能量转化及细胞间和细胞内溶质的交换，信息和信号转化等机理。 本文简要介绍了生物膜的组成、结构和一些基本性质，详细描述了各种生物 膜模型(支撑磷脂双层膜、非支撑磷脂双层膜、泡囊等等)的制备方法。概要地总 结了模拟生物膜的各个领域的研究情况，着重评述了模拟生物膜在电化学、生物 传感器等领域的研究进展。采用电化学、光谱学以及原子力显微镜等方法对支撑 双层磷脂膜、硫醇单层膜等不同的模拟生物膜体系进行了研究。主要结果如下： 一3一甲基溴化氨(HTABr)引起铂电极支撑的类脂双层膜电化学行为的变化以及 该模拟生物膜的重新自组装行为进行了测定。实验结果表明，表面活性剂十六烷 膜的疏水性而产生的能量障碍，进而帮助探针分子实现跨膜传递。铂电极支撑的 类脂双层膜(s．BLM)的通透性随着加入表面活性剂的浓度和时间的变化而变化， 所加入表面活性剂的浓度越大，与S-BLM作用的时间越长，跨膜传递到达电极表 面的探针分子也越多，所产生的响应电流也越大。而且，我们发现，在一定程度 内(即表面活性剂的浓度低于Csol，或反应的时间比较短)，若将电极取出放入 2 摘 要 到KCl支持液中，磷脂分子在电极表面可以重新自组装，S-BLM重新恢复到原来