生物物理座 第四讲 生物膜

所有的细胞、无论是原核细胞还是真核细胞,都有一个共同的结构组分──膜.近年来,人们将细胞膜(又称质膜)和细胞的内膜系统(指细胞内不同膜相结构的膜)统称为生物膜. 近年来,发展了特殊的适于膜研究的物理技术。如膜光谱、各种光学探针、人工膜等,使我们对生物膜有更深入的了解.生物膜有许多功能,与生命科学中许多基本问题都有密切关系,如细胞起源、遗传、信息传递、生物能量转换、物质运转、激素作用、神经传导、细胞免疫、细胞识别、细胞分化和肿瘤发生等.正确认识膜的结构(尤其是其动态结构)和功能,不仅对揭开生命的奥秘有重大意义,而且…     

几种含羟基化合物对红细胞膜流动性的影响

利用氮氧自由基自旋标记物 CAT-16 和 5-DSA 较为详尽地探讨了两类含羟基化合物 - 羟胺衍生物与苯酚取代物对红细胞膜流动性变化的影响. 实验结果表明：当非双亲性的小分子苯酚取代物插入红细胞膜内,膜的整体有序性降低和流动性增加;羟胺衍生物可作为促氧化剂诱导产生过氧化自由基,促使膜内磷脂间发生化学偶联,从而降低生物膜的内部流动性. 在红细胞膜的表面,标记物分子运动基本不受偶联影响,综合效应来自小分子插入导致的膜流动性增加.     

包膜颗粒的表面磷脂重排对细胞内吞的影响

在纳米颗粒表面包裹生物膜可以增强体系的生物相容性、靶向性、内含物释放的可控性,但包膜颗粒与细胞膜作用的机制仍不清楚.在本研究中,我们考察了不同侧向流动性的负电性磷脂膜包裹的多孔硅纳米颗粒的体外细胞内吞行为.发现,高流动的液态磷脂包被产生了较高的内吞效率,并且它的内吞方式也与低流动的凝胶态磷脂包被情况存在差异.Derjaguin-Landau-Verway-Overbeek理论分析表明,前者的磷脂空间重排能够促进生物膜与细胞膜的融合与粒子内吞,而后者在膜融合过程中存在高能量势垒,因此只能以胞饮的方式被动地进入细胞.我们的研究深化了包膜粒子内吞过程的认识,为后续设计复杂的纳米载药体提供了新的思路和参考.     

包膜颗粒的表面磷脂重排对细胞内吞的影响

在纳米颗粒表面包裹生物膜可以增强体系的生物相容性、靶向性、内含物释放的可控性,但包膜颗粒与细胞膜作用的机制仍不清楚.在本研究中,我们考察了不同侧向流动性的负电性磷脂膜包裹的多孔硅纳米颗粒的体外细胞内吞行为.发现,高流动的液态磷脂包被产生了较高的内吞效率,并且它的内吞方式也与低流动的凝胶态磷脂包被情况存在差异.Derjaguin-Landau-Verway-Overbeek理论分析表明,前者的磷脂空间重排能够促进生物膜与细胞膜的融合与粒子内吞,而后者在膜融合过程中存在高能量势垒,因此只能以胞饮的方式被动地进入细胞.我们的研究深化了包膜粒子内吞过程的认识,为后续设计复杂的纳米载药体提供了新的思路和参考.     

蜂毒肽浓度和磷脂组分对巨囊泡泄露的影响

蜂毒肽作为一种广谱抗菌肽已经得到广泛认知,用蜂毒肽构建载药体系攻击癌细胞研究正在兴起.基于仿生物膜模型探索其破坏机理,可以避免潜在活性细胞过程的影响.在此,我们选用细胞尺寸的单层巨囊泡膜模型,可在光学显微镜下直接观察和操作,获得仿正常细胞膜和仿癌细胞膜在不同蜂毒肽浓度刺激下的响应.研究得出,低浓度蜂毒肽诱导囊泡泄露实验表明中性磷脂囊泡以孔模式为主泄露,负电性磷脂囊泡以爆裂模式为主泄露;高浓度蜂毒肽诱导囊泡泄露实验表明负电性磷脂相较于中性磷脂可延迟蜂毒肽作用效果;蜂毒肽色氨酸残基荧光光谱表明囊泡膜表面蜂毒肽吸附量以及泄露模式依赖于磷脂组分.此外,推断了蜂毒肽对不同组分磷脂膜的破坏作用模型.研究为蜂毒肽在肿瘤细胞的作用机制及其衍生物的优化设计提供参考.     

蜂毒肽浓度和磷脂组分对巨囊泡泄露的影响

蜂毒肽作为一种广谱抗菌肽已经得到广泛认知,用蜂毒肽构建载药体系攻击癌细胞研究正在兴起.基于仿生物膜模型探索其破坏机理,可以避免潜在活性细胞过程的影响.在此,我们选用细胞尺寸的单层巨囊泡膜模型,可在光学显微镜下直接观察和操作,获得仿正常细胞膜和仿癌细胞膜在不同蜂毒肽浓度刺激下的响应.研究得出,低浓度蜂毒肽诱导囊泡泄露实验表明中性磷脂囊泡以孔模式为主泄露,负电性磷脂囊泡以爆裂模式为主泄露;高浓度蜂毒肽诱导囊泡泄露实验表明负电性磷脂相较于中性磷脂可延迟蜂毒肽作用效果;蜂毒肽色氨酸残基荧光光谱表明囊泡膜表面蜂毒肽吸附量以及泄露模式依赖于磷脂组分.此外,推断了蜂毒肽对不同组分磷脂膜的破坏作用模型.研究为蜂毒肽在肿瘤细胞的作用机制及其衍生物的优化设计提供参考.     

蜂毒肽与单组分脂膜相互作用的单分子研究

近年来,单分子追踪技术的出现和发展为研究细胞膜界面生物学过程提供了一条新的途径,然而细胞膜内生物分子运动的异质性特征使得从大量分子轨迹中区分和分离不同的分子运动模式变得非常困难,迫切需要发展简单易行的分析方法.本文以蜂毒肽和单组分平板支撑脂膜的相互作用体系为例,发展了一种利用单分子运动位移标准差的频数分布来区分和分离不同运动模式脂分子的数据分析方法,提供了比传统基于位移或回旋半径频数分布的分析方法更高的准确度和更多的定量信息.利用该方法成功分离得到了脂分子在平板膜内的快慢两种运动状态,并发现其分布情况部分相符于脂分子在上下叶的位置分布;在不同浓度蜂毒肽的表面吸附或跨膜成孔作用的影响下,这两部分脂分子的运动受到了不同的干扰.本文针对生物膜体系内分子运动的复杂异质性特征发展了一种实现分子运动模式分离的数据分析方法,并利用此方法获得了蜂毒肽破膜成孔的不同阶段对脂膜上下叶的不同影响.该方法的开发将对利用单分子追踪技术研究生物体系动力学过程有重要帮助.     

带电纳米颗粒与相分离的带电生物膜之间相互作用的分子模拟

纳米颗粒在纳米医药、细胞成像等领域有着非常广泛的应用,深入理解纳米颗粒与生物膜之间相互作用的微观机制是纳米颗粒合成与应用的重要基础.本文采用粗粒化分子动力学模拟的方法研究了带电配体包裹的金纳米颗粒与相分离的带电生物膜之间的相互作用.结果表明,通过改变金纳米颗粒表面的配体密度、配体带电种类和比例,以及膜内带电脂分子的种类,可以方便地调控纳米颗粒在膜表面或膜内停留的位置和状态.进一步从自由能的角度分析了带电纳米颗粒与带电生物膜之间相互作用的微观物理机制.本文对纳米粒子在纳米医药、细胞成像等领域的应用具有一定的理论参考意义.     

双层生物膜的动力学性质

采用傅里叶空间中的布朗运动方程研究了具有双层结构的生物膜的动力学性质,给出了生物膜在空间热库作用下随机运动的三维图像.研究表明,双层生物膜之间的相对滑动是一个非常重要的动力学过程,对高度-高度相关函数有非常显著的影响. 关键词： 双层细胞膜 相关函数     

表面活性剂单体引起的细胞膜失稳

表面活性剂常用于细胞裂解、脂质体外排与膜组分搜集等.但在临界成胶束浓度以下,它如何以单体状态与生物膜作用的机制与调控仍存在很多疑问.本文研究了表面活性剂带电性对膜失稳的影响.石英电子微天平检测发现非离子型Triton X-100产生了最显著的磷脂膜结构三维再组装.荧光显微观测表明膜表面生成了非稳的出芽微泡,在机械扰动下可发生解离.该表面活性剂溶液环境中的体外细胞也出现了活力丧失.但是,离子型CTAB与SDS却无法触发相似的膜失稳与细胞失活效应.分析认为,由于不存在后两者体系中的单体间静电排斥, Triton X-100更易高效地插入生物膜,从而诱导膜结构再组装.研究深化了表面活性剂与生物膜作用机制的理解,对表面活性剂在生物医药、膜组分萃取等领域的深化应用提供了指导与帮助.     

生物膜光生物反应器启动及产氢特性

对光合细菌生物膜制氢反应器的挂膜启动特性以及成膜稳定后的反应器产氢性能进行了实验研究,探讨了光合细菌生物膜制氰反应器挂膜期间产氢及底物降解规律及稳定成膜后底物浓度对反应器产氢性能的影响.实验结果表明:在生物膜光生物反应器挂膜初期,随着微生物浓度的增大使循环液吸光度、底物消耗和反应器氢气产量迅速升高,进入膜生长期后由于主要是可逆吸附,各参数出现波动,最后在膜稳定期各参数趋于稳定.在稳定成膜后,随着底物浓度的增加,生物膜光生物反应器产氢率先增加,然后降低,存在一个最佳产氢率的底物浓度.     

膜生物反应器内生化反应过程的格子Boltzmann模拟

采用介观尺度的格子Boltzmann数值算法研究平板式膜生物反应器内生物膜结构对生化反应及流动传输的影响.利用四参数随机生成法重构不同多孔结构的生物膜,计算中耦合多块模型获得局部详细信息且提高计算效率.结果表明：生物膜结构稳定条件下,孔隙率增大有利于主流区与生物膜内的物质传输,可以提高底物降解效率;孔隙率一定条件下,改变生物膜的孔隙结构分布可以加强传质,强化生化反应过程,提高底物降解效率.     

硅基二氧化硅厚膜材料的快速生长

采用火焰水解法在Si片上快速淀积SiO₂厚膜材料,材料膜厚达到40μm以上,生长速率达8μm/min.然后将该材料分别在真空中/空气气氛中高温致密化处理,获得了各种形态的二氧化硅厚膜材料,包括平整度好、光滑透明的玻璃态SiO₂厚膜材料.并利用XRD、电子显微镜等仪器对SiO₂膜的表面和膜厚进行了测试分析.     

用荧光探针法研究茶叶花粉黄酮对氧自由基致鼠红细胞膜氧化损伤的保护作用

应用1,6-二苯基-1,3,5-已三烯(DPH)为荧光探针,超氧阴离子自由基和羟基自由基致鼠红细胞膜氧化损伤为模型,研究了茶叶花粉黄酮对鼠红细胞膜氧化损伤的影响.结果表明,超氧阴离子自由基和羟基自由基均能引起鼠红细胞膜脂质过氧化反应,脂质过氧化产物丙二醛含量显著升高,膜脂流动性下降.将鼠红细胞膜预先用茶叶花粉黄酮处理后,膜脂的MDA含量明显下降,呈现剂量与效应关系,膜脂流动性显著提高,表明茶叶花粉黄酮对超氧阴离子自由基和羟基自由基引起的鼠红细胞膜的氧化损伤有保护作用.     

微孔有机膜可以泵送钾离子

细胞膜具有泵送钾 (K)离子的功能 ,可以使细胞膜外面的低浓度的K离子通过细胞膜泵送到高浓度的细胞液中 .近期在Phys.Rev .Lett.上发表的Siwy和Fulinski的论文指出 ,特别制备的圆锥状微孔有机膜也有类似的功能 .他们用德国Darmstadt重离子研究所UNILAC装置将能量为 2 0 2GeV的Au+ 18粒子束高度散焦后轰击12 μm厚的PET(polyethyleneteraphthalate)膜 ,一旦探测到透过膜的Au离子立即停止轰击 .将此带有个别微孔的PET膜放进一边为NaOH溶液、另一边为中性溶液的槽中 ,使膜从一侧向里腐蚀 ,形成锥状微孔 ,其两端直径分别为 2nm和 5 0…     

生物膜泡形状问题的理论研究

生命活动中的物质代谢、能量转化、信息传递等过程都与生物膜的形态及功能密切相关.本文综述了基于Helfrich自发曲率模型的闭合膜泡、开口膜泡的控制方程及其解析解,并提出了经由开口膜泡边界条件证明分裂膜泡颈端条件的可能方案.     

重力对金纳米颗粒在生物膜表面吸附影响的荧光研究

纳米颗粒在生物膜表面的吸附行为是纳米生物技术领域的重要问题. 采用正、倒置实验, 通过荧光显微镜定量研究了重力对金纳米颗粒在支撑磷脂膜表面吸附的影响. 研究发现, 颗粒尺寸决定其在顶或底层支撑膜表面吸附的差异性. 吸附量的差异与颗粒的沉淀速率和扩散速率之比的对数呈线性关系. 粒径小于14 nm时, 不考虑重力在吸附时的影响; 粒径大于176 nm时, 重力在吸附中占主导地位. 为药物载体研究和理解颗粒－生物膜相互作用提供参考.     

重力对金纳米颗粒在生物膜表面吸附影响的荧光研究

纳米颗粒在生物膜表面的吸附行为是纳米生物技术领域的重要问题.采用正、倒置实验,通过荧光显微镜定量研究了重力对金纳米颗粒在支撑磷脂膜表面吸附的影响.研究发现,颗粒尺寸决定其在顶或底层支撑膜表面吸附的差异性.吸附量的差异与颗粒的沉淀速率和扩散速率之比的对数呈线性关系.粒径小于14 nm时,不考虑重力在吸附时的影响;粒径大于176 nm时,重力在吸附中占主导地位.为药物载体研究和理解颗粒-生物膜相互作用提供参考.     

生物膜的液晶理论

 当代生物学的研究表明:没有液晶就没有生命。细胞膜就是液晶态,神经冲动的传导,脂肪的消化等生命现象都与液晶有关。这就使得物理学上广为应用的液晶,同细胞生物学家所研究的生物膜,发生了千丝万缕的联系。     

荧光显微镜研究极端pH值诱导磷脂支撑膜的侧向再组织

利用荧光显微镜研究了极端pH值诱导支撑磷脂双层膜的侧向再组织.结果表明,在强酸/强碱性溶液中,流动性较好的二油酰磷脂酰胆碱支撑膜出现破裂、分离、出芽或生出微管等与细胞内吞和外排相似的现象.基于极性分子与H+/H3O+或OH-的相互作用,以电中性的磷脂首基为核吸附溶液中的H+/H3O+或OH-.当磷脂膜上下叶吸附的电荷量不同时,引起两叶有效面积差,即磷脂膜曲率不对称,从而诱发磷脂膜出现各种结构和动力学的响应.本研究有助于理解极端环境对生物膜的影响,为研究生物膜的形变过程提供了参考.