生物启迪：探索生物膜结构与功能

生物膜的启示

生物膜是指包围整个细胞的外膜。对于真核生物还包括处于细胞内具有各种特定功能的细胞器的膜，如细胞核膜、线粒体膜、肉质网膜等等，称为细胞内膜。生物膜是生物细胞的重要组成成分，它具有复杂的细微结构和各种独特的功能。对于生物膜的研究以及构成生命现象本质的许多问题，如能量转换、物质转换、代谢的调节控制、细胞识别、信息传递等都有密切的关系。

真核细胞的膜约占细胞干重的70%～50%，它不仅仅是包围细胞质的口袋，或者区分细胞内各细胞器的隔膜；而且作为一种结构为细胞提供了细胞空间内的支持骨架，使酶和其它的物质有秩序地排列在细胞内外的“骨架”上，因而保证了细胞内有条不紊高效率地进行成千上百的各种反应，保证了生命活动的正常进行。

生物膜的构造是非常复杂的，它的成分主要是蛋白质和脂类物质，此外还有少量的糖、核酸和水。其中蛋白质约占60%～75%，脂类占25%～40%，糖类占5%左右。其中脂类物质规定膜的形态，蛋白质则赋予膜的特殊功能。

蛋白质与脂类的比例在不同的细胞膜是不同的，对于功能复杂的膜，其蛋白质的含量也比较高。

构成膜内脂类的主要成分是磷脂，它是一个两性分子。每一个磷脂分子由极性部分和非极性部分组成。生物膜中的磷脂呈双分子平行排列，极性部分排列于双层的外表面，非极性部分朝着膜的内部，这就形成了膜的基本结构。蛋白质和酶等生物大分子或者主要结合在膜的表面上或者可以由膜的外侧伸入膜的中部，有的甚至可以从膜的一侧穿透两层磷脂分子而暴露于膜的另一侧外。在暴露于膜外侧的蛋白质分子上有时还带有糖类物质。这些蛋白质、酶和糖类物质在生物膜的位置上并非固定不变，而是处于一种不断运动的状态。膜的各项生理功能主要是由蛋白质、酶、糖类决定的。

目前对于生物基本结构的了解，被认为是具有疏水性的膜蛋白与不连续的脂双层的镶嵌结构。对于水溶性的物质如金属离子、糖类、氨基酸等透过膜是一个“屏障”。但是活着的正常细胞，水溶性的小分子物质仍然可以穿透细胞膜，其中碘在细胞内的积累浓度比海水中高千倍以上。人体内在颈部气管的两旁有一种内分泌腺，称为甲状腺，甲状腺的腺泡细胞对于碘也具有很强的选择性摄取、浓缩和运转的能力。(www.xing528.com)

细胞对某种物质所具有的浓缩功能，使某物质在细胞内的含量远远超过细胞外的数量，这种物质被输送到膜内是逆着浓度差进行的。这类输送过程称为“主动输送”，而且要消耗代谢能量。如果在主动输送过程中停止能量的供应，主动输送就变成“促进输送”，使膜内高浓度的物质顺着浓度差的方向将物质输送至细胞外，直至被输送的物质在细胞内外的浓度相等为止。

总之，膜的选择性输送功能，主要是由膜上的载体蛋白质的作用实现的，载体的作用使膜提高了渗透率，且有高度的选择性。具有选择性的通透性是生物膜的一个特性，使细胞能接受或拒绝、保留（浓缩）或排出某种物质。

人们如果能模拟生物膜的输送功能，创造出选择性强、高效的分离膜，不仅具有重要的理论意义，而且在化学工业中也有很大的实用价值。目前，在模拟生物膜的“促进输送”和“主动输送”的功能方面取得了一些进展，利用液膜技术达到了对气体及溶液中离子的选择性分离的目的。

液膜分离技术是从20世纪70年代初发展起来的，它以模拟生物膜的“促进输送”为基础，是一种新方法、新技术。在液膜中加入适当的载体分子后，大大提高了液膜的渗透率和选择性，展示了良好的应用前景。

人工模拟生物膜输送物质的功能，把载体应用于化学分离，由此而产生的一种新的分离技术——液膜分离技术，为化学工业实现高速、专一分离目的开辟了一条新途径。人们可以根据不同的分离对象而设计不同的在液膜中进行的平衡反应。可以预料液膜分离技术在气体分离、海洋资源的开发和应用中将起到巨大作用。而对于生物膜化学模拟工作的广泛开展也将推动对生物膜的深入研究。