人工双分子脂膜

人工双分子脂膜 (BLM)是一种与生物膜骨架相似的由类脂组成的人工膜，以此作为研究生物膜结构和功能的模型。
五十年代末科学家用从动物组织中提取的磷脂，在0.1MNaCl溶液中制备出面积为10mm²的单个稳定的双分子脂层，叫双分子层脂膜(BLM)。他们的厚度约为60～90Å，比可见光的波长短得多，在反射光下呈黑色，因而又叫黑膜。
这种人工膜的电特性为：电阻一般大于10⁸Ω·cm²，电容为1μF/cm2，在0.15～0.20V电压下BLM破裂，pH<5.0和>9.0时也能引起BLM破裂。它对离子的选择性极弱。某些蛋白质与BLM结合后并不引起膜电阻的变化，而另一些蛋白质与之结合后则可引起膜电阻下降。BLM的这些电特性为研究生物膜内的分子活动规律、膜的结构与功能提供了十分重要的模型。

人工膜(BLM)与天然膜（生物膜）特性比较

性 质	生物膜(20～25℃)	BLM(36℃)
电镜图 厚度() 电容(μF/cm2) 电阻(Ω·cm2) 双层破裂电压(mV) 表面张力(dyn/cm) 水透性(μ/s) 水渗压的活化能(Kcal/M) 尿素透性(μ/s×102) 甘油透性(μ/s×102)	显示三层结构 60～100 0.5～1.3 102～105 100 0.03～1 0.37～400 9.6 0.015～280 0.003～27	显示三层结构 60～75 0.38～1.0 106～109 150～200 0.5～2 31.7 12.7 4.2 4.6

组成生物膜骨架的磷脂双分子层中的磷脂，如磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂及胆固醇等均为两性分子，分子的一端为水溶性（亲水），另一端为脂溶性（疏水）。在一定的条件下，这种两性分子的疏水端能相互靠拢，而亲水端则溶于水中，形成与生物膜骨架相似的双分子层脂膜。
目前常用的BLM有平面的及球形的两种类型，球形的通常称作脂质体。
BLM作为膜模型建立的时间虽然不长，但在膜的研究中受到广泛重视和应用。例如用磷脂、胆固醇制得的BLM，并在BLM两侧溶液中加入某些物质，可以作为质膜的模型来研究物质通过膜的扩散、主动传输、抗原特性等。在BLM中掺入叶绿素及其他物质，可以作为叶绿粒（类囊体）的模型研究光合作用的原初过程。BLM中掺入视色素可作为视觉感受细胞模型，以研究视觉的原初过程。BLM中掺入呼吸链酶系统可作为线粒体嵴膜模型，以研究线粒体内膜功能。此外在医疗实践及细胞工程的研究中。BLM的应用也有很大的潜力。下面举例加以说明。
(1) 应用BLM研究细胞膜兴奋性机理： 用改变平面BLM本身及其添加物以及两侧溶液中的成分，观察并分析上述各种不同组合的电特性，可以推断膜兴奋过程与某些物质间的关系。用不同膜组分如磷脂酰胆碱(PC)，磷脂酰丝氨酸(PS)，磷脂酰乙醇胺(PE)及胆固醇分别制备平面BLM，在BLM两侧溶液中分别加入不同浓度的离子及硫酸鱼精蛋白，细胞色素C，白蛋白等带正电荷的蛋白质，然后测量BLM的某些电特性，可以发现：
❶Ca⁺⁺吸附在PS-BLM上，则膜电阻增高，带正电荷的鱼精蛋白吸附在PS-BLM上，则膜电阻下降。PC-BLM或含胆固醇的膜不吸附Ca⁺⁺(用⁴⁵C示踪测量)，他们虽可吸附鱼精蛋白，但膜电阻无明显变化。
❷PS-BLM两侧Ca⁺⁺浓度或pH不对称时，有一定电场穿过膜，膜变得不稳定。PC-BLM及含胆固醇的BLM在同样情况下是稳定的。
❸PS-BLM的两侧如分别为NaCl及KCl溶液，当二者浓度相等时产生膜电位。PC-BLM或胆固醇BLM在同样条件下则不产生膜电位。
❹PS-BLM的一侧溶液中加入Ca++，另一侧加入鱼精蛋白，则膜保持平衡，Ca⁺⁺和蛋白质的吸附数量与膜的击穿电压有关。
上述实验结果提出如下的膜兴奋机理模型： 神经膜的磷脂骨架是非均一的，膜主要由中性磷脂、胆固醇构成。同时，在膜中分散着许多局部富于酸性磷脂的小区域，这些区域是膜的生理活动区，休止电位的产生就是由这些小区域两侧存在不同浓度的NaCl和KCl所致。KCl的一侧为内侧，相对电位为负。在休止状态时Ca++吸附在小区的外侧面，而带正电荷的蛋白质吸附于内侧，这样就保持平衡状态。当一电流自PS膜内经膜间外流时，Ca⁺⁺自外侧表面移去，因而使膜电阻下降，与此同时更多的蛋白质吸附在膜的内侧面，也使膜电阻下降。因而在电流适当时，PS膜就突然变得对离子渗漏，产生动作电位。
(2) 用BLM解释淋巴细胞杀死外来细胞的机理： 以氧化胆固醇和二硝基苯化的磷脂酰乙醇胺(DNP-PE)溶解于癸烷中制成的BLM，电导为10-7～10^-8mho/cm²。如果在BLM上加入少许纯化的抗体，则电导不变，如再加入淋巴细胞，2～20min后电导明显增加，这说明淋巴细胞能增强膜的透性，并且也证实了淋巴细胞的这种特性是在与膜接触时所起的直接作用。
(3) 脂质体在临床医学中的应用： 酶、核酸等物质都能包入脂质体水相中，这就提供了以脂质体为运输工具将药物引入机体某些特定部位的可能性。
例如： 神经节苷脂积累症患者白细胞内不存在氨基己糖酶A，此酶也不能单独进入细胞，但若把酶掺入脂质体中与白细胞共同培育，酶就进入细胞中去，这就为治疗这种病提供了依据。将抗癌药物阿拉伯呋喃酰胞嘧啶(Ara-C)掺入脂质体后治疗患白血病小鼠，疗效比直接用药物治疗高。将治疗黑热病毒性极大的锑剂掺入脂质体后应用，可大大增强疗效，因而可以降低治疗剂量而取得同样的疗效。
(4) BLM应用于研究嗜盐菌光合作用机理：嗜盐菌在NaCl浓度为4.3M时生长良好，<3. 0M时即不能生长。它没有无氧发酵的能力，所需养料除氨基酸外只需要少量的K+、Mg++、Ca++及微量Fe及Mn，通过氧化磷酸化合成ATP。嗜盐菌的细胞膜上有三类色素
❶含菌红素部分，它对蓝光的致死作用有保护效应；
❷黄色的部分主要是气泡壁并混有盐菌鞭毛；
❸紫色的部分主要是蛋白质(占75%)，它的分子量为26000，结构与动物眼睛中视紫红质一样。细菌视紫质在光照时起着质子泵的作用，使膜内外侧产生质子浓度梯度和电位差。如果切断细菌营养来源或在黑暗中通入N2，则细胞内部ATP浓度可下降至原水平的30%; 如光照或通入O₂则可升高ATP。如果把分离了的紫膜碎片掺入到脂质体中，然后进行光照，则介质pH发生可回复的变化，说明在脂质体双脂层中的紫膜具有质子泵的作用。此时如进一步将ATP酶放入嵌有紫膜的脂质体中，同时在介质中加入ADP及无机磷，光照样品，发现有ATP合成。这说明嗜盐菌的紫膜所进行的是另一种光合作用，它将光能转化为跨膜质子浓度梯度，利用贮于质子梯度的能量以及ATP酶存在时，可将ADP和无机磷合成ATP而无需电子传递链上一系列酶的参与。
BLM作为人工膜模型在探讨生物膜结构与功能的机理与应用方面，正在发挥它应有的作用。