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1、第四节第四节 BLMBLM、脂质体与囊泡、脂质体与囊泡 一、人工双层脂质膜一、人工双层脂质膜 二、脂质体与囊泡二、脂质体与囊泡 三、双层脂质膜与生物膜模拟三、双层脂质膜与生物膜模拟 主讲：阮根兰主讲：阮根兰一、人工双层脂质膜一、人工双层脂质膜 19631963年年MuellerMueller、田心棣等首次在水相中制备出、田心棣等首次在水相中制备出人工双分子脂质膜（人工双分子脂质膜（artificial artificial bilayerbilayer lipid lipid membrane, BLMmembrane, BLM）。）。1 1、 BLMBLM的制备的制备 能形成能形成稳定稳定双
2、层脂膜的双层脂膜的关键关键成膜溶液的成膜溶液的配方配方。 成膜物有：合成及天然类脂（如胆固醇、卵磷脂、成膜物有：合成及天然类脂（如胆固醇、卵磷脂、十二烷酸磷酸酯、单油酸甘油酯等）、表面活性剂、类胡十二烷酸磷酸酯、单油酸甘油酯等）、表面活性剂、类胡萝卜素、染料以及多种生物抽提物。萝卜素、染料以及多种生物抽提物。 溶剂有：液态烷烃、氯仿、低碳醇等。溶剂有：液态烷烃、氯仿、低碳醇等。 最早应用的制备平面最早应用的制备平面BLMBLM的主要装置如图的主要装置如图6.306.30所示。所示。 2 2、 BLMBLM的一些性质的一些性质 （1 1）膜的厚度膜的厚度 应用光学衍射、电学、电镜等方法应用光学衍
3、射、电学、电镜等方法可以测得。可以测得。 BLMBLM的厚度理论上应是两个类脂分子的长度及液的厚度理论上应是两个类脂分子的长度及液态碳氢化合物的夹心层厚度之和，见书上表态碳氢化合物的夹心层厚度之和，见书上表6.46.4。 膜的颜色与膜的厚度有关，可以根据膜的厚度估膜膜的颜色与膜的厚度有关，可以根据膜的厚度估膜的颜色。的颜色。 （2 2） BLMBLM的界面张力的界面张力 类脂分子的结构特点是类脂分子的结构特点是两亲性两亲性，形成形成BLMBLM时暴露于水相的是类脂的亲水基，而两层类脂分子的时暴露于水相的是类脂的亲水基，而两层类脂分子的疏水基依靠疏水基依靠van van derder Waals
4、Waals力相对聚集。因而在水相中，力相对聚集。因而在水相中，BLMBLM有两个相界面（双界面），这种表面张力可用最大气泡压力有两个相界面（双界面），这种表面张力可用最大气泡压力法测定（实验法测定（实验最大泡压法测定溶液的表面张力）。最大泡压法测定溶液的表面张力）。 （3 3）BLMBLM的电性质的电性质 电性质包括导电性、电容、双电电性质包括导电性、电容、双电层击穿电压和膜电势。有意义的是，层击穿电压和膜电势。有意义的是，BLMBLM的电性质与生物膜的的电性质与生物膜的电性质很接近电性质很接近。 （4 4） BLMBLM的通透性的通透性 BLMBLM的通透性是指水、非电解质（主的通透性是指水
5、、非电解质（主要是非极性和小极性有机分子）和无机离子（如要是非极性和小极性有机分子）和无机离子（如Na+ Na+ 、K+K+、ClCl- -等）通过膜的能力。等）通过膜的能力。 设设BLMBLM膜面积为膜面积为A A（c c），膜两边浓度梯度为），膜两边浓度梯度为dc/dc/dxdx，单位时间透过量，单位时间透过量 J J（mol/smol/s）=-AD=-AD（dc/dc/dxdx），或，或 J=-ADJ=-AD（c/c/x x）物质沿物质沿x x方向透过膜，方向透过膜，D D为扩散系数。此式成立条件是浓度梯为扩散系数。此式成立条件是浓度梯度均匀，扩散沿垂直于膜平面方向，故透过膜的长度应等于
6、度均匀，扩散沿垂直于膜平面方向，故透过膜的长度应等于膜厚度膜厚度tmtm，故，故当当xx=t=tm m时时，设，设D/tD/tm m=P=P，P P称为通透系数（渗透称为通透系数（渗透系数），可得系数），可得 J=-J=-APcAPc式中式中负号表示是从浓向稀扩散（渗透）负号表示是从浓向稀扩散（渗透）。离子等带电荷物质。离子等带电荷物质易水化，故都难透过易水化，故都难透过BLMBLM。渗透系数与渗透物性质和渗透系数与渗透物性质和BLMBLM成分成分有关。有关。二、脂质体与囊泡二、脂质体与囊泡 由天然或人工由天然或人工合成的磷脂所形成合成的磷脂所形成的球形或椭球形的、的球形或椭球形的、单室或多室
7、的封闭单室或多室的封闭双层结构称为双层结构称为脂质脂质体体。由人工合成的。由人工合成的表面活性剂形成的表面活性剂形成的类似结构称为类似结构称为囊泡囊泡。有时将以上二者统有时将以上二者统称为囊泡（或译泡称为囊泡（或译泡囊）。见右图囊）。见右图1 1、脂质体、脂质体 研究较多的是三种类型的囊泡，见下图研究较多的是三种类型的囊泡，见下图 囊泡是两亲性的表面活性剂在高浓度时的一种聚囊泡是两亲性的表面活性剂在高浓度时的一种聚集体。形成何种形式的聚集体与表面活性分子的集体。形成何种形式的聚集体与表面活性分子的空间空间排布排布有关。当两亲分子的疏水部分有大的表面积（如有关。当两亲分子的疏水部分有大的表面积（
8、如分子中有两个碳氢链）亲水基又较大时易形成囊泡和分子中有两个碳氢链）亲水基又较大时易形成囊泡和脂质体，即两亲分子的临界堆积参数脂质体，即两亲分子的临界堆积参数P P小于小于1 1是形成囊是形成囊泡的几何条件（参见书上图泡的几何条件（参见书上图5.10 P1645.10 P164）。）。2 2、 脂质体（囊泡）的制备脂质体（囊泡）的制备 脂质体与囊泡的制备方法有很多，其中有类脂质体与囊泡的制备方法有很多，其中有类脂膜或亲液泡沫扰动法、过滤挤压大小分级法、反相脂膜或亲液泡沫扰动法、过滤挤压大小分级法、反相蒸发法、超声法、高压均化器法、注射法等。蒸发法、超声法、高压均化器法、注射法等。3 3、脂质体
9、的性质、脂质体的性质 脂质体的性质受到脂质体（囊泡）组成、温度等因素的影响。脂质体的性质受到脂质体（囊泡）组成、温度等因素的影响。 （1 1）脂质体（囊泡）的）脂质体（囊泡）的稳定性稳定性 脂质体和囊泡的分散相多在胶脂质体和囊泡的分散相多在胶体大小范围内，均具有一定的相对稳定性。当脂质体用于包封药物时，体大小范围内，均具有一定的相对稳定性。当脂质体用于包封药物时，其稳定性受药物本身性质的影响。包封率是表征脂质体稳定性的重要实其稳定性受药物本身性质的影响。包封率是表征脂质体稳定性的重要实用指标，包封率高，其稳定性好。脂溶性好的药物包封率较高。用指标，包封率高，其稳定性好。脂溶性好的药物包封率较高
10、。 （2 2）脂质体的）脂质体的相变性质相变性质 相变是指因温度、压力、浓度等条件的相变是指因温度、压力、浓度等条件的改变而引起的相平衡体系状态的变化，这种变化反映体系微观结构的变改变而引起的相平衡体系状态的变化，这种变化反映体系微观结构的变化。当脂质体与水相互作用时，水量不同时，脂质体可有不同的结构组化。当脂质体与水相互作用时，水量不同时，脂质体可有不同的结构组织。织。 加热或冷却单层或多层脂质体时在某一温度有相的转变。加热或冷却单层或多层脂质体时在某一温度有相的转变。 低于相转变温度低于相转变温度凝胶态凝胶态碳氢链成反式构象碳氢链成反式构象 高于相转变温度高于相转变温度液晶态液晶态碳氢链失
11、去全反式结构碳氢链失去全反式结构 脂质体从凝胶态向液晶态转变提高了其流动性，也使被包容物脂质体从凝胶态向液晶态转变提高了其流动性，也使被包容物进出脂质体的速度增大。这种性质对于进出脂质体的速度增大。这种性质对于生物膜生物膜极有意义。极有意义。4 4、脂质体、囊泡的一些应用、脂质体、囊泡的一些应用 （1 1）药物载体药物载体 由于脂质体既能包容由于脂质体既能包容脂溶性脂溶性药物又能药物又能包容包容水溶性水溶性药物，且脂质体有导向性、选择性、通透性、缓释药物，且脂质体有导向性、选择性、通透性、缓释性、降毒性和保护性等，故脂质体是优良的性、降毒性和保护性等，故脂质体是优良的定向给药定向给药（也称靶（
12、也称靶向给药）载体。向给药）载体。 定向给药是指药物能在病变部位浓集，起到最佳疗效，定向给药是指药物能在病变部位浓集，起到最佳疗效，并不使药物对其他正常组织产生毒副作用。并不使药物对其他正常组织产生毒副作用。 脂质体有独特的靶向能力，分为自然靶向、物理靶向脂质体有独特的靶向能力，分为自然靶向、物理靶向和主动靶向。和主动靶向。 （2 2）化学反应的微反应器化学反应的微反应器 与表面活性剂胶束相同，与表面活性剂胶束相同，表面活性剂形成的具有多层或单层结果的囊泡也可以使某些表面活性剂形成的具有多层或单层结果的囊泡也可以使某些反应物浓集，从而使反应加速。反应物浓集，从而使反应加速。囊泡的催化能力比胶束
13、的大。囊泡的催化能力比胶束的大。 囊泡催化活性大与其囊泡催化活性大与其结构结构特点有关（特点有关（FendlerFendler实验实验可证明）。可证明）。三、双层脂质膜与生物膜模拟三、双层脂质膜与生物膜模拟 生物膜中含有的脂类主要有磷脂、糖脂和胆固醇。类生物膜中含有的脂类主要有磷脂、糖脂和胆固醇。类脂和蛋白质在细胞膜中的排列分布模型是脂和蛋白质在细胞膜中的排列分布模型是液态镶嵌模型液态镶嵌模型，即脂，即脂类构成双分子层，为细胞膜的基质，在膜中脂质分子可横向自类构成双分子层，为细胞膜的基质，在膜中脂质分子可横向自由运动，也可转动和链节活动。流动镶嵌模型所表示的生物膜由运动，也可转动和链节活动。流
14、动镶嵌模型所表示的生物膜如图如图6.356.35所示。所示。 在生物膜中，运输、能量转换和信息传送都是由在生物膜中，运输、能量转换和信息传送都是由特殊蛋白特殊蛋白质质完成的。完成的。 生物膜是生物膜是动态动态的，膜的流动性取决于类脂分子脂肪酰链的，膜的流动性取决于类脂分子脂肪酰链的长度和不饱和度。的长度和不饱和度。1 1、BLMBLM与生物膜物理性质的比较与生物膜物理性质的比较 BLM BLM与生物膜的基础都是脂质双层膜，它们的物理性质与生物膜的基础都是脂质双层膜，它们的物理性质十分近似（表十分近似（表6.76.7）。）。2 2、生物膜模拟、生物膜模拟 BLMBLM和囊泡均为和囊泡均为两亲分子
15、两亲分子的双分子层有序结构，特别是的双分子层有序结构，特别是BLMBLM与生物膜的基础脂质双层结构基本相同。因而可以设想在这与生物膜的基础脂质双层结构基本相同。因而可以设想在这些双层结构中嵌入些双层结构中嵌入活性物质活性物质可能使其具有生物膜的某些特性。可能使其具有生物膜的某些特性。 现在人工现在人工模拟视觉模拟视觉过程尚不可能，但从生理和生化研究过程尚不可能，但从生理和生化研究上已发现光子能激人的视杆细胞，而视杆细胞中的光敏分子是上已发现光子能激人的视杆细胞，而视杆细胞中的光敏分子是视紫红质，它由视蛋白和视紫红质，它由视蛋白和11-11-顺视黄醛组成。顺视黄醛组成。 视紫红质的曝光使发色基团
16、发生一系列变化，导致脂质视紫红质的曝光使发色基团发生一系列变化，导致脂质膜的超极化，并使视杆细胞超极化，进而传送至视网膜的其膜的超极化，并使视杆细胞超极化，进而传送至视网膜的其他神经元。他神经元。 从从19631963年起就有人将视紫红质嵌入年起就有人将视紫红质嵌入BLMBLM以以重组人工重组人工感受器感受器。田心棣等研究结果表明，。田心棣等研究结果表明， BLMBLM上有上有ROSROS的光电压作的光电压作用谱与视紫红质的吸收谱相当。用谱与视紫红质的吸收谱相当。 在在BLMBLM上嵌入从细胞膜中抽提出的某些有效生物活性上嵌入从细胞膜中抽提出的某些有效生物活性物质研究相应的电学性质、离子传输性质、光合作用等有不物质研究相应的电学性质、离子传输性质、光合作用等有不少成果。少成果。 BLMBLM作为研究生物膜的模型是有意义的，但是其作为研究生物膜的模型是有意义的，但是其更更重要重要的应用是以胶束、单分子层、脂质体、囊泡等为微环境，的应用是以胶束、单分子层、脂质体、囊泡等为微环境，研究其中的化学反应、光化学太阳能的转换和储存、分子识研究其中的化学反应、光化学太阳能的转换和储存、分子识别和输送，药物的胶囊、酶的模拟等。这便是别和输送，药物的胶囊、酶的模拟等。这便是生物膜模拟生物膜模拟化化学研究内容。学研究内容。
