模擬生物膜的電化學(xué)研究.pdf

1、今天人們普遍認(rèn)為類脂雙層構(gòu)成了所有生物膜的基本結(jié)構(gòu)。人們公認(rèn)類脂雙層為生物膜的模型僅有75年左右的時間。然而，類脂雙層的概念起源更早，并且可追溯到三百多年前，它是從物理學(xué)家和發(fā)明家的Hooke定律骨架開始的，Hooke于1665年提出“細(xì)胞”這個術(shù)語來描述用他原始的顯微鏡觀察到的軟木片基本結(jié)構(gòu)。大約30年后，Newton估計了“最黑”皂泡的厚度為3/8×10<'-6>咱英寸，相當(dāng)于9.5 nm，這與現(xiàn)代測量值極其符合。皂泡中‘黑洞’的早

2、期觀察對生物膜類脂雙層概念的發(fā)展及隨后在雙分子類脂膜(平面類脂雙層和球形脂質(zhì)體)的實驗過程有著深遠(yuǎn)的影響。毫無疑問，這些令人興奮的發(fā)展的靈感來源于生物界，例如，自然界使用自組裝策略創(chuàng)造復(fù)雜的、有功能的結(jié)構(gòu)，除了上述細(xì)胞膜的類脂雙層，還有諸如手性蛋白質(zhì)及DNA。熱力學(xué)促成自組裝，如果兩性磷脂(例如卵磷脂，PC)分子在水中，烴鏈將遠(yuǎn)離含水溶液。它們將全部到達(dá)水面(像油在水中一樣)或者它們能彼此相對。伴隨著烴鏈彼此相對，磷脂兩性分子能夠形成兩

3、個不同的構(gòu)造。一為膠束，它可以被描述為類脂極性基團(tuán)在外而烴鏈擠到一起的小球：另一個即為類脂雙層。 在20世紀(jì)60年代早期，Rudin和他的合作者們認(rèn)識到在皂膜變薄的最后階段是由一個夾在含水溶液中的兩類脂單層構(gòu)成。他們指出，一個水中的皂泡或者一個從腦分離物中形成的BLM，有許多類似生物膜的物理和化學(xué)性質(zhì)，如被刺破可以自動密封，一旦經(jīng)某些蛋白質(zhì)(如涂以EIM)修飾，這個大約6nm厚、電‘惰性’的結(jié)構(gòu)將被激活，展現(xiàn)出類似神經(jīng)膜作用電

4、位的那些特征性質(zhì)。BLM體系已廣泛地用于研究包括生物能、光合成、免疫學(xué)和生物傳感器發(fā)展的多種物理學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)現(xiàn)象。 生物膜結(jié)構(gòu)的雙層模型可以簡單地陳述如下：所有的生物膜基本結(jié)構(gòu)均由一個雙分子類脂層(即一個類脂雙層)及吸附其上的非類脂層(大多是蛋白質(zhì))構(gòu)成。 在雙層的內(nèi)部，烴鏈被倫敦范德華力結(jié)合在一起。支持雙分子層模型的最有力證據(jù)是由Rudin和他的合作者們于1960年發(fā)現(xiàn)的平面構(gòu)型的‘黑’類脂膜的形成。后來由許多

5、研究小組開展的實驗論證了雙層類脂膜(BLMs)是生物膜極好的實驗?zāi)Ｐ?。這之后不久，Bangham發(fā)現(xiàn)了球形構(gòu)型的類脂囊泡即球形脂質(zhì)體。由于平面BLMs和球形脂質(zhì)體的實用性，這使得首次研究分隔兩含水溶液的超薄(～6nm)類脂雙層的電性質(zhì)和傳輸現(xiàn)象成為可能。因為膜的功能和結(jié)構(gòu)是同一類脂雙層的‘兩肋’，從當(dāng)前的工作來看生物膜大體的亞顯微結(jié)構(gòu)是：類脂以雙層結(jié)構(gòu)的形式為蛋白質(zhì)和其他組分提供骨架，這些組分在類脂雙層中是可變的。膜類脂雙層實際上是可流

6、動的而且與橄欖油有一致性(粘度約1mPa·s)。這樣，類脂、蛋白質(zhì)和其他組分被觀察到在類脂雙層范圍內(nèi)能夠自由的伸展，在這個功能實體內(nèi)，諸如受體、離子通道、色素、酶等都可被嵌入。在分子水平上，類脂和蛋白質(zhì)均展示了不對稱性：而細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也不同于外部。這是為解釋膜兩側(cè)物質(zhì)主動運輸而必須如此。膜內(nèi)酶或免疫遺傳素的能動位置被發(fā)現(xiàn)僅在類脂雙層的一側(cè)。最后，這個動態(tài)的、流動的、不對稱的類脂雙層結(jié)構(gòu)也能讓我們洞察膜體系內(nèi)各種形式的能量轉(zhuǎn)化及細(xì)胞間和

7、細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的交換，信息和信號轉(zhuǎn)化等機(jī)理。本文簡要介紹了生物膜的組成、結(jié)構(gòu)和一些基本性質(zhì)，詳細(xì)描述了各種生物膜模型(支撐磷脂雙層膜、非支撐磷脂雙層膜、泡囊等等)的制備方法。概要地總結(jié)了模擬生物膜的各個領(lǐng)域的研究情況，著重評述了模擬生物膜在電化學(xué)、生物傳感器等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。采用電化學(xué)、光譜學(xué)以及原子力顯微鏡等方法對支撐雙層磷脂膜、硫醇單層膜等不同的模擬生物膜體系進(jìn)行了研究。主要結(jié)果如下： 1．采用循環(huán)伏安法(CV)，電化學(xué)阻抗譜

8、(EIS)，對由表面活性劑十六烷基-3-甲基溴化氨(HTABr)引起鉑電極支撐的類脂雙層膜電化學(xué)行為的變化以及該模擬生物膜的重新自組裝行為進(jìn)行了測定。實驗結(jié)果表明，表面活性劑十六烷基-3-甲基溴化氨是一種有效的離子載體，其分子可以和探針分子K<,3>[Fe(CN)<,6>]/K<,4>[Fe(CN)<,6>]形成離子對，并以此來幫助K<,3>[Fe(CN)<,6>]/K<,4>[Fe(CN)<,6>]克服由于生物膜的疏水性而產(chǎn)生的能量障

9、礙，進(jìn)而幫助探針分子實現(xiàn)跨膜傳遞。鉑電極支撐的類脂雙層膜(s-BLM)的通透性隨著加入表面活性劑的濃度和時間的變化而變化，所加入表面活性劑的濃度越大，與s-BLM作用的時間越長，跨膜傳遞到達(dá)電極表面的探針分子也越多，所產(chǎn)生的響應(yīng)電流也越大。而且，我們發(fā)現(xiàn)，在一定程度內(nèi)(即表面活性劑的濃度低于Csol，或反應(yīng)的時間比較短)，若將電極取出放入到KC1支持液中，磷脂分子在電極表面可以重新自組裝，s-BLM重新恢復(fù)到原來的狀態(tài)，探針分子在電極上

10、的響應(yīng)電流也逐漸變?nèi)?，直到完全消失。這個可逆的過程可以多次重復(fù)。 2．利用自組裝方法在金電極表面制成硫醇單層膜(SAM)，并應(yīng)用循環(huán)伏安法(CV)和交流阻抗譜(EIS)對由與表面活性劑十六烷基三甲基溴化胺(HTABr)引起的硫醇單層膜電化學(xué)行為發(fā)生的變化進(jìn)行了測定。結(jié)果表明表面活性劑可與硫醇單層膜相互作用并對其膜表面分子的有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響．當(dāng)吸附在膜表面以及插入膜內(nèi)部的HTABr分子遇到溶液中的探針分子[Fe(CN)<,6>]<'3->

11、/[Fe(CN)<,6>]<'4->時，能與其發(fā)生強(qiáng)烈作用并生成締合物，因此探針分子可以很容易克服由于膜的存在而產(chǎn)生的能量障礙，接近硫醇單層膜到達(dá)電極的表面；與HTABr之間僅僅存在靜電吸引作用的探針分子抗壞血酸，在電極表面的循環(huán)伏安響應(yīng)僅有很小的增強(qiáng)；而與HTABr間存在排斥作用的多巴胺探針的氧化還原響應(yīng)得到了一定程度的抑制；與表面活性劑沒有任何作用的中性探針對-苯二酚則不受影響．這些現(xiàn)象的產(chǎn)生可能與HTABr與探針分子間的相互作用有

12、關(guān)，即根據(jù)探針分子與表面活性劑之間的作用不同，表面活性劑修飾的硫醇單層膜對溶液中不同的探針分子有選擇性的進(jìn)行電化學(xué)響應(yīng)． 3．利用自組裝技術(shù)在鉑電極上制備成支撐的磷脂雙層膜(s-BLM)作為生物膜的模型，利用循環(huán)伏安法(CV)，電化學(xué)阻抗譜(IES)和原子力顯微鏡(AFM)對由金屬氧酸鹽K<,7>[PTi<,2>W<,10>O<,10>]·6H<,2>O(PM-19)引起的s-BLM通透性的變化進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明，K<,

13、7>[PTi<,2>W<,10>O<,40>]·6H<,2>O可與s-BLM發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，結(jié)果導(dǎo)致s-BLM表面磷脂分子的有序排列受到影響，產(chǎn)生了一些微孔，同時降低了s-BLM的電阻，增加了膜電容，也增加了探針分子Fe(CN)<,6><'3->/Fe(CN)<,6><'4->與電極間的電子傳遞。通過原子力顯微鏡我們可以觀察到PM-19誘導(dǎo)磷脂雙層膜產(chǎn)生一些孔洞，并對產(chǎn)生這種現(xiàn)象的可能的機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。 4．采用循環(huán)

14、伏安法(CV)和紫外-可見(UV-vis)吸收光譜，對羥基自由基引起模擬生物膜的損傷以及硒多糖對羥基自由基的抑制作用進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明，羥基自由基能夠引起模擬生物膜的損傷，進(jìn)而對膜的通透性產(chǎn)生影響。但是在硒多糖存在時，羥基自由基的這種作用受到抑制，即硒多糖能夠清除自由基保護(hù)生物膜。通過硒多糖與普通多糖，硒以及過氧化氫酶抑制羥基自由基能力的比較，我們觀測到當(dāng)體系中同時存在硒多糖和過氧化氫酶時，它們的自由基清除率得到了一定程度的提高，

15、而不僅僅是各自作用的加合，說明多糖與酶之間存在著某種關(guān)系，可以相互作用進(jìn)而提高它們的活性和清除羥基自由基的能力，并探討了硒多糖清除自由基的可能機(jī)理 5．應(yīng)用自組裝技術(shù)在鉑電極和金電極上制備成支撐的磷脂雙層膜(s-BLM)和硫醇單層(DDM)膜作為生物膜的模型，利用循環(huán)伏安法(CV)、電化學(xué)阻抗譜(IES)對抗精神病藥物氯丙嗪(chlorpromazine hydrochloride，CPZ)引起的模擬生物膜通透性的變化進(jìn)行了研究。實驗結(jié)

16、果表明，氯丙嗪可與s-BLM和DDM發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，結(jié)果導(dǎo)致s-BLM和DDM表面分子的有序排列受到影響，氯丙嗪可以在s-BLM上產(chǎn)生了一些微孔，降低s-BLM對探針分子的阻礙作用，增加了Fe(CN)<,6><'3->／Fe(CN)<,6><'4->與電極間的電子傳遞，同時在氯丙嗪的濃度達(dá)到一定程度時，可以將s．BLM結(jié)構(gòu)完全破壞，將磷脂分子從電極表面洗脫下來。而由于DDM與金電極結(jié)合的比較牢固，因此氯丙嗪與DDM作用到一定程度后基