Zhang Shifeng, Dong Anjie
P. O. Box 6888Department of Polymer Science and Engineering, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072)

Abstract This paper reviews the progress in the field of supermolecule self-assembly of the non-biological systems and their function as the simple models of biomembrane on the understanding of the assembly structures and the functions of biomembrane. These non-biological systems include planar bilayer membrane systems, spherical liposome systems and liquid crystal systems. The studying results about the supermolecule self-assembly of the above systems indicate that the physical chemistry factors observed in the self-assembly process of the non-biological systems, such as the conformation control, order organization and mechanisms etc, can provide some information to the research about self-assembly and functions of the lipids and proteins in biomembrane, which will play important action to understand the relationship between the molecule self-assembly structures and the functions of biomembrane.

 

超分子自组装模型体系在生物膜研究中的作用

张世锋, 董岸杰
（天津大学化工学院高分子材料系，天津 300072）

2003年1月17日收稿;国家自然科学基金资助课题（30170227）

摘要本文总结了近年来非生物超分子自组装体系的研究进展及其作为生物膜模型体系在揭示生物膜的结构与功能性的关系中的应用。平面层膜体系、球形脂质体体系、液晶体系的超分子自组装结构与性能的研究结果表明：这些非生物自组装模型体系表现出来的各种分子形态控制、有序组合等诸多物理化学因素及机理在不同程度上反映出了生物膜的膜脂与膜蛋白之间的组装及功能性，对揭示生物膜的组装结构与功能性间的关系有一定的促进作用。
关键词生物膜 自组装 平面层膜体系 球形脂质体体系 液晶体系

1 概述
生物膜是指由糖类、脂类、蛋白质组装而成的一种薄膜结构，其厚度约为7-10nm，包括所有细胞都含有的细胞膜和真核细胞所特有的细胞器膜^[1]。生物膜是与细胞起源、生命本质密切相关的重要结构，它以界面的形式把生命活动的各个区域划分开来，并保持和调节着各区内外环境，使各区内生命活动得以正常进行，是进行物质代谢、能量转换、神经传导、信息传递等生理活动的场所。生物膜的各种功能是由膜脂、蛋白质、多糖等组成间通过精密而完美的组装及协同作用完成的，因此深入研究生物膜的组装结构与功能性的关系是非常重要的。
生物膜能够使其中的生物大分子（如膜蛋白）形成多种纳米组装结构（介观结构）、能够保持多种组装结构共存，且根据功能的需要调节组装结构的变化。这种完美的组装技术除生物信息调节作用外，这要归因于膜蛋白与膜脂间的相互作用及环境条件的协同作用。
理解生命首先需要理解自组装。例如：组成生物膜的一种典型的磷脂－聚丙烯基磷酸盐，其结构上显示出合适的亲水疏水平衡，当浓度高于临界浓度时，能够在适当的缓冲液或水中自发地形成囊泡。Ourisson G^[2]研究表明原始的生物膜可能是由聚丙烯基磷酸盐在水中自组装形成的。因此，深入了解分子间的超分子自组装能为揭开生命的奥秘提供一定的帮助。
超分子自组装就是通过（化学合成不能进行的）分子间的一系列构象转变而最终达到有序材料的设计^[3]。超分子有序自组装主要利用分子间的相互作用（氢键、亲水疏水相互作用、静电作用及范德华力等）为主牵引力，在适当外场引导下，分子或微区自发构筑成具有不同长度范围的特殊有序结构和形状的集合体。一般指同种或异种分子间的长程组织，它的结构比较稳定，并能提供特殊的结构和功能，并具有可逆的性质。这种可逆性经常由于协同效应及热力学转变而加强，但经常因为分子识别导向的合成（自合成）及交联而丧失，是自发而且不可逆的组装。超分子自组装体系，可以将分子的流动性和有序性结合起来，并在宏观水平上表现出良好的组织能力和功能。自组装机理与分子所处的物理化学环境直接相关。各种物理化学因素的协调与竞争是达到有序自组装的关键，因为相互作用的连接点间的微小自由能的变化都会导致各种结构状态的出现。因此，自组装的研究能揭示许多制约和控制分子形态、有序组合的物理化学因素，尤其是科学前沿领域超分子自组装的研究所发现的新现象及由此形成的新理论和自组装控制技术能够为生物膜结构与功能的研究提供许多启示和信息。

2 生物膜自组装模型体系
生物膜是由蛋白质、脂类等组装而成的超分子复合物，某些生物膜上还含有多糖。生物膜的基本结构是由膜脂和膜蛋白等组成的基本性质决定的。构成生物膜的膜脂都是两亲性分子（amphipathic），是由一个头部和两条尾巴组成，头部相连处是亲水的甘油基团，尾部是疏水的脂肪酸链。膜脂的共同性质即同时具有亲水的头部和疏水的尾部这一性质，使得它们在水溶性环境中能形成几种热力学上稳定的脂双层结构。两亲性分子相互平行排列，与膜表面垂直，上下两排形成脂双层结构，所有亲水性头部都朝向膜的内表面，疏水性的尾部在中间尾尾相连，呈平面、球形脂双层结构等形态，如图所示^[1]。

图 膜脂在水相中的种结构

脂质双分子层构成了生物膜的基质。蛋白质等物质就嵌入在这种脂质双分子层内或附着在其表面，通过与脂质的协同作用，完成生物膜的生理功能。
由于生物膜的组成、结构、和功能极为复杂，因而深入研究组装结构与功能性显然是十分困难的。因此，抛开复杂的生物体特有的生物因素，从各种相对简单的模型体系自组装的纯物理化学角度出发，研究某些比较单纯但相对深入的过程，对揭示膜蛋白和膜脂分子间相互作用所导致的各种自组装介观结构性质、介观结构间的相互作用与宏观功能性的关系具有一定的作用。
2.1 平面层膜体系
两亲性分子自组装平面类脂双层膜(Bilayer Lipid Membrane, BLM)可以作为生物膜研究的合适模型，可用来揭示生物膜的许多分子机理，例如：离子感应、物质传递、门控通道、抗体抗原结合、信号传导、能量转换等。其中由载体支承的类脂双层膜系统（S-BLM）因较强的稳定性，成为近年来人们研究的重点。例如将Zn－酞菁组装到S-BLM中，在光照的条件下，能产生电压和电流。而在铟—锡氧化物玻璃(ITO)载体上形成的S-BLM，当其中结合有₆₀分子时，光诱导电子能穿过膜^[4]。此外，Tien H T^[5]研究发现含有₆₀的S-BLM是一种良好的电子载体或介质，这种S-BLM可作为电化学传感器或分子电子装置。这些呈现独特光电性质的S-BLM为研究生物膜的光电性和动力学等性质提供了合适的模型。
一些S-BLM体系的通透性研究结果也为研究生物膜的物质传递提供了有用的信息。如He Y E^[6]等把六种冠醚组装到S-BLM中，循环伏安法研究结果表明当将二茂铁组装到这种S-BLM，不仅可以明显改善膜的光电性质，还能显著增加亚铁离子的通透性。Li J H^[7]在研究莫能星(monensin)和磷脂烷烃硫醇在金电极上形成的S-BLM的离子选择通透性时发现莫能星能显著提高S-BLM的离子选择性。Karabaliev M^[8]研究了2-甲氧基-10-（3-二甲氨基-2-甲基·丙基）吩噻嗪（levomerpromazize）/脂类在玻璃碳极上组装形成的S-BLM，发现这种化合物在溶液中呈现出独特的自组装性，它能插到膜中，不但增加了S-BLM的电活性还增加了K[Fe(CN)]分子的渗透性，这对理解生物膜的离子转运机理有一定的启迪。
聚合物大分子自组装研究中成果最为突出的是高分子有序自组装超薄膜的制备，主要集中于两亲性嵌段共聚物聚电解质胶体粒子、两亲性小分子及液晶体系的有序单层和多层纳米薄膜的研究。高分子超薄膜的研究在生物学中有重要作用，例如，两亲性嵌段共聚物在水溶液中能自发地形成有序的纳米层状薄膜，呈现出与生物膜相似的渗透性、稳定性、机械性能及包裹、传递特性。有研究报道高3-5nm的内在蛋白能组装到约10nm的聚二甲基硅氧烷－聚2-甲基唑啉(PDMS-PMOXA)膜中^[9]，这归因于聚合物的多分散性和聚合物链可被大量压缩性质导致的聚合物链在膜蛋白周围的分散。有研究表明两种热力学上认为不能相容的聚合物当受限于纳米尺寸的薄膜中能够通过构象的调整自组装成完全互容的类似于迷宫的形貌结构，而这种互容现象的产生完全是由于相界面的物理因素的影响。此外，研究还发现均相聚合物熔融态大分子在超薄膜中的构象行为并不是完全类似于其本体中的无扰高斯链，在平行膜表面方向上存在着一定的有序性^[10]。可见，这些高分子自组装体系结果可以作为模型体系来研究生物膜中膜脂的纳米超薄结构对其中蛋白质大分子构象的影响。
2.2 球形脂质体体系
    磷脂等两亲性物质在特定条件下能形成脂质体，这种简单而又稳定的闭合双层膜常用作模型体系来研究复杂的生物膜。Castelli F^[11]在研究两种结构相似的物质（类胡萝卜素和叶黄素）在脂质体中自组装结构时，发现物质的结构与膜的厚度间存在一定的联系。Hafez I M^[12]研究发现胆甾醇半丁二酸在碱性或中性水溶液中能自组装成闭合的脂双层结构，当与二油酰基磷酸乙醇胺混合时能形成对PH敏感的促融泡囊，这种PH值敏感性是由相转变引起的。Apel C L^[13]研究了短链单羧酸的性质，短链单羧酸是一种双头基双亲性分子(bola-amphiphle)，单羧酸醇在适当的条件下在水介质中能形成稳定的双层膜。当电离的或中性酸官能团出现时，形成具有RCOO_…HOOCR氢键网的稳定的双层膜，这为验证生物膜中稳定疏水作用的限制和原始生物膜的形成提供了合适的模型。
聚合物-脂质体复合体系也常用来模拟解析复杂的生物膜。Emdadul H M^[14]发现组装到由多种脂类形成的脂质体中的聚乙二醇(PEG)，能够诱导双层膜的融合，这种体系可以用来模拟蛋白质等参与膜融合的过程。Kostarelos K^[15]根据CH(PEG)₂₀₀₀CC(CH的疏水相互作用，把CH(PEG)₂₀₀₀CC(CH组装到脂质体中，形成吸附聚合物的立体稳定的脂质体并用来模拟生物膜的融合过程。Porcar I^[16]基于分配和吸附模型研究了聚二乙烯基吡啶和聚四乙烯基吡啶在脂质体上受pH、温度、离子强度等因素的影响发生的结构变化，这对了解生物膜的结构随外界条件的变化有一定的帮助。
表面活性剂在特定的条件下也能形成闭合的层膜结构。这种闭合双层膜也常用作模型体系来研究复杂的生物膜。当带有相反电荷的胶体粒子存在时，离子型表面活性剂和中性活性剂形成的混合双层膜能够自发地形成具有确定面积的粘附区（对带有相反电荷的胶粒有吸附作用）和排斥区（对带有相反电荷的胶粒有排斥作用），在粘附区胶粒能自组装成稳定的二维结晶，这种结晶能够象木筏飘在水中一样在双层膜上流动，胶粒这一自组装过程仅仅是通过胶粒在流体中的静电作用和界面结构实现的^[17]，这一研究无疑为膜蛋白与磷脂双层膜的性质研究提供了有用的模型。
2.3 液晶体系
生物膜具有脂质双亲性螺旋结构，呈多种形态。研究证明生物膜确实不是普通流体，而是液晶。有关生物膜较为前沿的理论是液晶生物膜模型理论，它可以解释生命科学中许多现象，例如，细胞膜的融合、生物膜上的蛋白质的奇异扩散等。尤其是以胆甾相液晶相似所建立的手性分子生物膜理论对生物手性分子的自组装螺旋结构给出了合理的解释。
类似于一叠完整的膜，中间被薄层的水隔开的非生物体系层状液晶体系也为研究生物膜相互作用、局部缺陷和相变提供了有用的模型系统^[18]。最近，聚合物胶体粒子或胶束在层状磷脂相或液晶连续相中的自组装研究也取得了重要的成果。Warriner H E^[19]等人研究发现，胶体粒子或聚合物胶束在层状磷脂相或胆甾型液晶连续相中，能够通过聚合物与磷脂或液晶分子间的特殊相互作用（非共价键）或仅仅通过物理作用形成以胶粒为结点的稳定的物理交联网状液晶体，胶粒作为层状液晶的缺陷，起到增大液晶弹性模量、调节液晶流变性的作用。这种胶粒存在下的液晶体系与蛋白质镶嵌的磷脂双层结构有相似之处。Loudet J C^[20]等研究者发现在连续的向列型液晶相中，聚合物胶束与液晶间具有偶极弹性相互作用，导致胶束能够沿着液晶排列方向自组装成单分散的、高度有序的线形的胶束链，链与链间相互平行地排列在液晶体系中并贯穿整个液晶相，胶束链并不聚集。这些研究结果表明液晶或磷脂与聚合物胶粒的相界面性质及相互作用能够调节胶粒的存在形式，既可以使粒子固定在液晶相网络中，也可以形成胶束链穿过整个液晶相。液晶相对其中的聚合物胶粒（束）有包裹和形成通道的可能性，这为研究生物膜通道形成的机理提供了新的途径。

3 前景展望
随着非生物自组装生物膜模型体系研究的进一步深入，生命科学中诸如原始生物膜形成等难题有望得到解决。而且随着纳米科技的发展，分子组装尤其是超分子自组装研究的不断进展，对深入认识细胞膜的组装结构与功能性具有很大的促进作用。揭示生物膜高超的组装技术及机理将成为可能，并为开发诸如智能材料、内置数字电极、离子传感器、微型电极、电化学生物传感器等特殊功能性材料及装置提供很好的理论基础。