生物膜的应用

生物膜组成细胞膜组成似可分为¹膜的骨架(主要是脂质)º期在骨架上的物质(蛋白质等)。其化学成分一般由类脂(磷脂、胆固醇)、蛋白质、糖类(糖蛋白、糖脂)、少量的核酸、无机离子以及水分所组成。而类脂和蛋白质则是组成细胞膜的主要成分。膜结构体系的基本作用是为细胞提供保护。质膜将整个细胞的生命活动保护起来，并进行选择性的物质交换；核膜将遗传物质保护起来，使细胞核的活动更加有效；线粒体和叶绿体的膜将细胞的能量发生同其它的生化反应隔离开来，更好地进行能量转换。膜结构体系为细胞提供较多的质膜表面，使细胞内部结构区室化。由于大多数酶定位在膜上，大多数生化反应也是在膜表面进行的，膜表面积的扩大和区室化使这些反应有了相应的隔离，效率更高。另外，膜结构体系为细胞内的物质运输提供了特殊的运输通道，保证了各种功能蛋白及时准确地到位而又互不干扰。例如溶酶体的酶合成之后不仅立即被保护起来，而且一直处于监护之下被运送到溶酶体小泡。细胞生物膜系统是指由细胞膜、细胞核膜以及内质网、高尔基体、线粒体等有膜围绕而成的细胞器，在结构和功能上是紧密联系的统一整体，由于细胞膜、核膜以及内质网、高尔基体、线粒体等由膜围绕而成的细胞器都涉及到细胞膜或细胞器膜，所以通常称此系统为生物膜系统。细胞的生物膜系统在细胞的生命活动中起着极其重要的作用。此外，研究细胞生物膜系统在医学和生产过程中都有很广阔的前景。生物膜结构如今所认知的生物膜结构为流体镶嵌模型。在提出后又有多次补充，它们都是以流动镶嵌模型为前提。如晶格镶嵌模型强调了膜蛋白分子对磷脂分子流动性的限制作用，认为内在蛋白周围结合的磷脂分子为界面脂，界面脂只能随内在蛋白运动，并与内在蛋白构成晶格；板块模型则认为在流动的脂双层中存在着结构和性质不同，但有序又可独立移动的镶嵌板块，板块内不同组分的相互作用以及不同板块间的相互作用，使生物膜具有复杂的生物学功能。膜蛋白和膜脂结构研究的最新进展主要是以下几个方面：（１）膜蛋白三维结构研究。膜蛋白可分为外周蛋白和内在蛋白，后者占整个膜蛋白的７０％～８０％，它们部分或全部嵌入膜内，还有的是跨膜分布，如受体、离子通道、离子泵以及各种膜酶等等。第一个水溶性蛋白质———肌红蛋白的三维结构的解析是由英国人Ｋｅｎｄｒｅｗ于１９５７年用Ｘ射线衍射法完成的，他因此获得了诺贝尔奖。迄今蛋白质解析出具有原子分辨率的三维结构已达２００００个左右。（２）膜脂结构研究进展。膜脂主要包括甘油脂（即磷脂）、鞘脂类以及胆固醇。对于甘油脂研究较多，它们不仅是生物膜结构的骨架，其中有些成员还参与了信号转导的过程。生物膜作用细胞膜主要功能有（1）分隔、形成细胞和细胞器，为细胞的生命活动提供相对稳定的内部环境，膜的面积大大增加，提高了发生在膜上的生物功能；（2）屏障作用，膜两侧的水溶性物质不能自由通过；（3）选择性物质运输，伴随着能量的传递；（4）生物功能：激素作用、酶促反应、细胞识别、电子传递等。（5）识别和传递信息功能（主要依靠糖蛋白）（6）物质转运功能：细胞与周围环境之间的物质交换，是通过细胞膜的转运功能实现的不同的生物膜有不同的功能。细胞膜和物质的选择性通透、细胞对外界信号的识别作用、免疫作用等密切相关；神经细胞膜与肌细胞膜是高度分化的可兴奋膜，起着电兴奋、化学兴奋的产生和传递作用；叶绿体内的类囊体薄膜与光合细菌膜、嗜盐菌的紫膜起着将光能转换为化学能的作用，而线粒体内膜与呼吸细菌膜则能将氧化还原过程中释放出的能量用于合成三磷酸腺苷；内质网膜是膜蛋白、分泌蛋白等蛋白质及脂质的生物合成场所。因此，生物膜在活细胞的物质、能量及信息的形成、转换和传递等生命活动过程中，是必不可少的结构。细胞膜的应用２．脂质体的发展和应用１９６５年，英国学者Ｂａｎｇｈａｍ将磷脂分散在水中，然后用电镜观察。发现磷脂自发形成多层囊泡，每层均为类似生物膜结构的脂质双分子层，囊泡中央和各层之间被水相隔开，双分子层厚度约为４纳米。后来，将这种小囊泡称为脂质体。脂质体具有分子小、扩散速度快、脂溶性好及可生物降解等优点，因此可作为药物和基因等的载体。此外，如在脂质体中掺入特异的组织和细胞的识别配体或抗体等，脂质体即可将药物和基因靶向运输，增加药物作用的局部浓度和作用时间并减少全身的毒副反应。目前，抗肿瘤化疗药物及肿瘤基因治疗的脂质体投送系统的研究和应用已取得了较大的进展。3．细胞膜电穿孔的发展及应用经过人们不断的研究发现:细胞膜的绝缘强度与所加脉冲电场的幅值和持续时间有关。细胞膜的击穿电压值在0.5~1.5V左右,即:假定细胞膜的厚度为5nm,当采用Ls)ms级的电脉冲时,电场强度应该在1~3kV/cm左右。通常,幅值较低、持续时间较短的脉冲刺激仅导致细胞膜充电,其时间常数取决于膜电容和充电通路的等效电阻。电穿孔现象发生后,膜电导率G(t)增大,跨膜电流增加至nA数量级。如果在电流陡增前撤去外电场或者处于两脉冲的间隔时期,则膜电位U(t)快速衰减,细胞膜放电,膜屏障功能恢复,则称此现象为可逆性电击穿(REB);否则微孔数量增加或者孔径激增,以至于膜组织断裂,细胞死亡,称此现象为不可逆性电击穿(IREB定性地说,电穿孔现象是由电能(因跨膜电位提高而产生的决定性能量)和/KT能量0(因热波动而产生的随机性能量)共同作用而引起的。大量的观察发现:电穿孔的发生主要是一种物理现象,同时也会引起细胞膜某些化学性质的变化,应该建立细胞膜出现微孔的物理模型来解释细胞膜的机械特性、电特性和分子运输行为。一、生物膜在污水处理中的应用生物膜法是土壤自净和河床净化过程的人工模拟和强化。生物膜通常为微生物、原生动物、后生动物集群生长、繁育的膜状生物性污泥。与活性污泥法相比,耐冲击负荷、耐毒性、耐泡沫影响且无污泥膨胀问题,是生物膜法的普遍性优点。1、多功能人工水草生物膜处理黑臭河水研究随着工业的发展，工业超标排污造成大量的生活用水被污染，河道黑臭。因此，处理污水成为人们急需解决的问题，城市河道黑臭主要是过量纳污导致水体供氧和耗氧失衡的结果，水体缺氧乃至厌氧条件下污染物转化并产生氨氮、硫化氢、挥发性有机酸等臭恶臭物质以及铁、锰硫化物等黑色物质[1]。近年来，微生物被广泛用于黑臭河道的治理，通过选育和培养高效的微生物菌剂，能有效降解COD、N和P，消除黑臭，提高溶解氧水平[2-3]。但对于成分复杂的废水，单一功能的微生物难于治理多种污染物[4]。以人工水草作为生物膜载体，结合光合细菌球形红细菌、枯草杆菌和氧化硫硫杆菌组合构建多功能人工水草生物膜系统，多功能人工水草生物膜对工业河黑臭河水具有较好的净化效果，系统克服了单一功能微生物难于处理多种污染物的缺陷，能有效地处理成分复杂的黑臭河水。2、还原水解－生物膜工艺处理印染废水中试研究。研究人员提出“还原水解－生物膜”处理工艺[5]，效果稳定、各处理单元布置合理，能够适应在各种生产阶段变化情况下的该厂废水的处理，处理后出水能达到并低于纺织染整工业水污染物排放的一级标准[6]，显示了联合工艺优良的适应性。利用生物膜法处理剩余污泥产量少，处理效率高，具有很好的推广应用价值。三、有机废气的生物膜处理技术化工厂和石油化工厂在生产过程中排放各种有机废气,其中含有醋、醇、醚、酚、睛、酸、芳烃及杂环化合物等有机污染物,对人体及环境危害很大。与有机废气的传统处理方法相比,生物处理法[9]的主要伏点是工艺设备简单、管理维护方便、能耗少、运行费用低,且去除效率也比较高。生物膜法是微生物在填料表面固定附着生长的生物处理法,有机废气中的污染物和空气中的氧通过相间传质为微生物膜所吸附,并发生生物氧化反应,使有机废气得到净化。生物膜法具有以下优点：生物相多样化,除好氧菌外还存在厌氧菌,生物膜具有较低的含水率,单位体积内的生物量较大,因此生物膜反应器具有较大的处理能力,工艺过程比较稳定,动力消耗较少。由于具有以上这些优点,生物法生物膜法在有机废气处理中的应用受到了特别的关注。四、生物膜在血液透析中的应用血液透析[10]是一种溶质通过半透膜与另一种溶质交换的过程。半透膜是一张布满许多小孔的薄膜，膜的孔隙大小在一定范围内，使得膜的两侧溶液中的水分子和小分子的溶质可通过膜孔进行交换，但大分子溶质(蛋白质)不能通过。根据膜平衡原理，半透膜两侧液体各自所含溶质浓度的梯度差及其他溶质所形成的不同渗透浓度，可使溶质从浓度高的一侧向浓度低的一侧移动(弥散作用)，而水分子则从渗透浓度低的一侧向浓度高的一侧渗透(渗透作用)，最终达到动态平衡。当血液进入透析器时，其代谢产物如尿素、肌酐、胍类、中分子物质、过多的电解质便可通过透析膜弥散到透析液中，而透析液中的碳酸氢根、葡萄糖、电解质等机体所需物质则被补充到血液中，从而达到清除体内代谢废物、纠正水电解质紊乱和酸碱失衡的目的。总结和展望近十年来,国际上膜分子生物学的发展速度和规模十分巨大,并取得了相当可观的成就。生物膜已成为现代生物学的一个新生长点。其原因大体是:生物膜与细胞结构和命现象的密切关系已为人们所认识,离开对生物膜结构和功能的了解,要深人认识生命的本质是不可能的;以研究生物大分子的结构和功能为基础的分子生物学,它的进一步发展必然把视线转向比单个大分子更为复杂的超分子体系L;生物膜结构则是这种超分于体系在细胞内的基本结构形式,是研究生物大分子之间相互关系的适宜对象由于细胞学,生物化学和生物物理学等的长期发展为生物膜的基本性质,形态结构,化学成分及膜蛋白膜脂等物理化学性质和功能的研究积累大量的比较系统的材料使人们对膜的基本认识逐渐深人,为生物膜研究的进一步发展奠定了基础;(钓由于近代许多物理学、化学等新技术和新仪器广泛渗透到生物膜的研究中,其中包括各种光谱如红外、激光拉曼、荧光光谱、旋光色散和圆二色性以及x一光衍射、中子衍射、核磁共振、顺磁共振、电子自旋标记、高分辨率电子显微镜、冰蚀刻技术和人造脂微球技术等都为生物膜的结构,膜组份的分子构型及其和膜功能的关系等提供了大量的信息,使人们在分子水平:对生物膜有了更多的了解;(5)由于生物膜在实践上有其广泛应用的可能性,很多医学、药学、工程技术、化学工业等问题的解决都对生物膜的许多基本原理的阐明提出了要求,从而把生物膜的研究扩展到更为广阔的领域,为促进膜分子生物学的发展增添了新的淮动方。可以预计,生物膜的研究在今后将有更大更快的发展。