（物理化学专业论文）gemini表面活性剂诱导卵磷脂囊泡结构改变的机理研究.pdf

摘要 摘要 囊泡是由两亲分子定向单层尾对尾地结合成封闭单分子双层所构成的外壳，和壳内 包藏的微水相构成，它可分为两种类型：由天然的或合成的磷脂所组成的囊泡( 脂质体) 和由双亲分子自组装形成的囊泡。细胞膜一般是由4 0 - 5 0 的类脂和5 0 6 0 的蛋白质组 成。按照流体镶嵌模型，由磷脂和糖脂等类脂构成的双分子层是生物膜的基本骨架，而 蛋白质则包埋于磷脂基质中，可以从两侧表面嵌入或穿透整个双层分子，起着渗透屏障 的作用。双分子层的每个磷脂分子都可以自由横向移动，其结果使双分子层具有流动性、 柔韧性、高电阻性及对高极性分子的不通透性。因此，生物膜结构不是僵硬、静止的， 面是动态、流动的结构。 g e m i n i 表面活性剂是由联接基以共价键将两个两亲分子单体联接而成的，它代表了 一类新型表面活性剂。大量的研究表明联接基的性质( 长度、柔韧性和化学结构) 最终 决定了g e m i n i 表面活性剂在溶液中的性质。因而在学术上以及工业上，都对它产生浓 厚的兴趣。本文所研究的季铵盐型g e m i n i 表面活性剂是以( c h 2 ) s 为联接基的季铵盐型 g e m i n i 表面活性剂。 本文采用卵磷脂自发形成的囊泡来模拟细胞膜，以缓冲体系模拟细胞所处的环境， 研究季铵盐g e m i n i 表面活性剂对卵磷脂囊泡结构的影响以及胆固醇对囊泡结构稳定性 的作用，并对其机理进行了探讨。论文的研究内容分为二部分： 第一部分是研究季铵盐型g e m i n i 表面活性剂对未添加胆固醇，即单纯的卵磷脂囊 泡稳定性的影响。用动态光散射技术、停流法、电子透射显微镜以及荧光探针的方法， 研究不同联接基长度的季铵盐型g e m i n i 表面活性剂对卵磷脂囊泡结构改变的影响，并 借助理论模型和临界堆积参数理论探索g e m i n i 表面活性剂诱导囊泡结构改变的机理。 实验结果表明表面活性剂诱导囊泡结构改变的主要原因是表面活性剂嵌入到囊泡的双 分子层中从而改变了囊泡的表面电荷强度以及嵌入后的表面活性剂在囊泡双分子层中 分布的不均匀性。此外，表面活性剂分子的结构也对其产生影响，不同联接基长度的季 铵盐型g e m i n i 表面活性剂对囊泡结构改变的影响不尽相同，但会呈现出定的规律性。 第二部分是研究季铵盐型g e m i n i 表面活性剂对添加了胆固醇的卵磷脂囊泡的影响。 实验结果表明，同样浓度的季铵盐型g e m i n i 表面活性剂对添加了胆固醇的卵磷脂囊泡 摘要 体系的破坏能力较弱。因此推测这是由于胆固醇分子与卵磷脂分子之间是相互吸引，导 致其形成的囊泡结构更加紧密，从而阻止了季铵盐型g e m i n i 表面活性剂对其的破坏作 用。 关键词：膜模拟，g e m i n i 表面活性剂，卵磷脂囊泡 a b s t r a c t a b s t r a c t v e s i c l ei sc o m p o s e do fc r u s tw h i c hf o r m sf r o mc l o s e du n i m o l e c u l e - b i l a y e rt h a tc o m b i n e d w i t hm o n o l a y e r so ft w oa m p h i p h i l i cm o l e c u l e si n t a i l t o - t a i l o r i e n t a t i o n a l l y , a n d m i c r o - h y d r o f a c i e st h a ti sc o n t a i n e dw i t h i nt h ec r u s t i tc a l lb es o r ti n t ot w ot y p e s ：v e s i c l e m a d eu po fn a t u r a lo rc o m p l e xl e c i t h i na n dv e s i c l em a d eb ys e l fa s s e m b l yo fa m p h i p h i l i c m o l e c u l e s c e l lm e m b r a n ei sm a d eu po f4 0 5 0 l i p o i da n d5 0 - 6 0 p r o t e i n a c c o r d i n gt ot h e m o d e lo fl i q u i di n c r u s t a t i o n , b i l a y e ro fm o l e c u l ec o m p o s e db yl e c i t h i ni st h eb a s ef r a m ew o r k o fc e l lm e m b r a n e ，w h e r ep r o t e i ne n c h a s et oa c ta so s m o t i cb a r r i e r s e v e r yl e c i t h i nm o l e c u l e o fb i l a y e rc a nm o v ef r e e l y a sar e s u l t ，t h eb i l a y e ri sm o v e a b l e ，f l e x i l e ，h i g he l e c t r i cr e s i s i t a n t a n dr e s i s t a n tf o rh i g hp o l a r i t ym o l e c u l e s o ，t h ec e l lm e m b r a n eh a sad y n a m i ca n df l o a t i n g s t r u c t u r e g e m i n is u r f a c t a n t sa r em a d eu po ft w oa m p h i p h i l i cm o i e t i e se o v a l e n t l yc o n n e c t e db ya s p a c e rg r o u p ，a n dr e p r e s e n ta n e wc l a s so fs u r f a c t a n t s a c c o r d i n gt ol o t so fp a p e r s ，t h en a t u r e o ft h es p a c e rg r o u p ( 1 e n g t h ，f l e x i b i l i t y , c h e m i c a ls t r u c t u r e ) h a sb e e ns h o w nt ob e o ft h eu t m o s t i m p o r t a n c ei nd e t e r m i n i n gt h es o l u t i o np r o p e r t i e so fa q u e o u sg e m i n is u r f a c t a n t s s ot h e ya r e a t t r a c t i n gc o n s i d e r a b l ei n t e r e s t i nt h ea c a d e m i ca n di n d u s t r i a lc o m m u n i t i e sw o r k i n go n s u r f a c t a n t s i nt h i sp a p e r , w es t u d yak i n do fg e m i n is u f f a c t a n t s - - - - - q u a t e r n a r ya n m a o n i u m g e m i n ic o n n e c t e db yt h es p a c ec h a i no f ( c h 2 ) s t h es t r u c t u r a lt r a n s i t i o n si n d u c e db ya d d i t i o no ft h ec a t i o ns u r f a c t a n t s ( q u a t e r n a r y a m m o n i u mg e m i n is u r f a c t a n t s ) t os m a l lu n i l a m e l l a rl e c i t h i nv e s i c l e sh a v eb e e ns t u d i e sb y m e a n so fd y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n g , t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n df l u o r e s c e n c e t h em e c h a n i s mi ss t u d i e da tt h em e a nt i m e 、7 l v r h e nt h eq u a t e r n a r ya m m o n i u mg e m i n is u r f a c t a n t sa r ea d d e di n t ot h ep u r el e c i t h i nv e s i c l e s y s t e m w i t h o u t a d d i n gc h o l e s t e r o l ，a c o m b i n a t i o no fd y n a m i cl i g h t - s c a t t e r i n ga n d f l u o r e s c e n c ep r o b et e c h n i q u e sh a sb e e nu s e dt os t u d yt h es t r u c t u r et r a n s f o r mo fl e c i t h i n v e s i c l ew i t hs u r f a c t a n t sw i md i f f e r e n ts p a c e rc h a i nl e n g t h t h em e c h a n i s mo fs t r u c t u r e t r a n s f o r mo fv e s i c l ei se x p l o r e db ym o d e la n de f f e c t i v ep a c k i n gp a r a m e t e rt h e o r y t h er e s u l t s i i i a b s t r a c t s h o wt h a tt h em a i nr e a s o nw h i c hl e a d st h es t r u c t u r et r a n s f o r mi st h ec h a n g eo fs u p e r f i c i a l e l e c t r i cc h a r g eo fv e s i c l ea n dt h ea s y m m e t r i cd i s t r i b u t i n go ft h es u r f a c t a n tm o l e c u l a ri nt h e v e s i c l e f u r t h e rm o r e ，t h es t r u c t u r eo fs u r f a c t a n ti sa l s oo n eo ft h er e a s o n s s u r f a c t a n t sw i t h d i f f e r e n ts p a c e rc h a i nl e n g t hh a v ed i f f e r e n te f f e c t so nc h a n g i n gt h es t r u c t u r eo ft h ev e s i c l e , w h i c ht u mo u tt oh a v es o m er u l e s s e c o n d l y , w es t u d i e dt h el e c i t h i nv e s i c l es y s t e mw i t hc h o l e s t e r 0 1 w h e nt h eq u a t e r n a r y a n a _ m o n i u mg e m i n is u r f a c t a n t sa r ea d d e d ，t h er e s u l t st u r no u tt h a tt h es a m ec o n c e n t r a t i o no f t h eq u a t e r n a r ya m m o n i u mg e m i n is u r f a c t a n t sc a nn o tb r e a c ht h ev e s i c l e s ow es p e c u l a t et h a t i ti sb e c a u s et h em o l e c u l eo ft h el e c i t h i na n dc h o l e s t e r o lc a na l l u r ee a c ho t h e rw h i c hi n d u c e t h ev e s i c l eb e c o m e st o ot i g h tf o rt h es u r f a c t a n t st oe m b e d k e y w o r d s ：m e m b r a n em i m e t i c ，g e m i n is u r f a c t a n t s ，l e c i t h i nv e s i c l e i v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 厦门大学化学化工学院化学系物理化学专 业胶体与界面化学) 课题( 组) 的研究成果，获得( 胶体与界面化学) 课题( 组) 经费或实验室的资助，在( 韩国彬教授) 实验室完成。 声明人( 签名) 厂董_ ：建葛 2 耐年7 月万日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年 月目解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，。未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) 厂赉仅苓 瑚年7 月万日 第一章前言 第一章前言 1 1g e m i n i 表面活性剂及其特性 表面活性剂( s u r f a c t a n t ) 是这样一种物质，它在加入量很少时即能大大降低溶剂( 一 般为水) 的表面张力( 或液液界面张力) ，改变体系界面状态，从而产生润湿或反润湿、 乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶等一系列性质。日常生活中很早就使用的肥皂( 主要 成分为脂肪酸钠盐) ，就是这类物质之一。 众所周知，表面活性剂分子一般总是由非极性的、亲油碳氢链和极性的、亲水基 团共同构成，这两部分分别处于分子两端，形成不对称的两亲结构。这样的结构使得 在低浓度时，表面活性剂分( 离) 子可自发吸附到气液界面上，将其碳氢链伸出水 相外以降低体系自由能。当体相中表面活性剂分( 离) 子达到一定浓度( 临界胶束浓 度c m c ) 时，气液界面吸附的表面活性剂分( 离) 子已达饱和，体相中的溶质分( 离) 子通过扩散而相互接触进而聚集，形成碳氢链被包裹在内，亲水头基构成外壳的所谓 “核一壳”结构的分子有序聚集体分子有序聚集体的形成同样有利于降低体系的自由 能，因而聚集过程也是自发进行的。在较低浓度时，这种分子聚集体称为胶团。 当前，一类新型分子结构的表面活性剂突破性地提高了表面活性，即低聚表面活性 剂( o l i g o m c r i es u r f a c t a n t ) 。所谓低聚表面活性剂是将两个或两个以上的同一或几乎同 一结构的表面活性剂单体，在其亲水头基或靠近亲水头基附近用联接基团( s p a c e r g r o u p ) 通过化学键将这些两亲成分联接在一起【1 1 。采用化学键而不是简单的物理方法 不仅增大了碳氢链间的紧密接触，而且不破坏头基的亲水特征，使得这类表面活性剂既 有很好的水溶性又呈现出很高的表面活性，其中典型的例子是二聚表面活性剂( d i m e r i c s u r f a c t a n t ) 【2 翔。 二聚表面活性剂的分子顺序结构为：长碳链、离子头基、联接基团、第二个离子头 基、第二个长碳链( 如图1 1 示) 长碳链 离子头基 联接基离子头基长碳链 0+ 图1 1g e m i n i 表面活性剂分子结构示意图 l 第一章前言 1 9 7 1 年，b u n t o n 等首次报道了季铵盐二聚表面活性剂的合成，然而真正开展系统 研究是在1 9 9 1 年以后，该年m e n g e r 合成了以刚性基团联接离子头基的双烷烃链表面 活性剂，并给以这种顺序排列的两亲分子起了个名称：g e m i n i 表面活性刹4 1 。g e m i n i 在天文学上意思是双子星座，借用在此形象地表达了这类二聚表面活性剂的分子结构特 点，即在中文译文中常见到的“双子表面活性剂的由来。此后，美国的r o s e n 采纳了 “g e m i n i 的命名，并系统合成和研究了聚氧乙烯或氧丙烯柔性基团联接的g e m i n i 表 面活性剂【3 】。同时，法国的z a n a 小组也以亚甲基作为联接基团，研究了一系列双烷基 季铵盐表面活性剂【5 1 0 】。19 9 8 年r e n o u f 等首次合成了不对称g e m i n i 表面活性剂。19 9 9 年m a r i a n o 等从葡糖苷出发合成了无公害、高活性的环保型g e m i n i 表面活性剂。研 究结果表明，与传统的表面活性剂相比，g e m i n i 表面活性剂具有比单烷烃链单离子头 基构成的普通表面活性剂高得多的表面活性。例如，若保持每个亲水基团联接的碳原子 数相等，与单烷烃链单离子头基构成的传统表面活性剂相比，离子型的g e m i n i 表面活 性剂具有如下的特性【3 】： 1 ) 更易吸附在气液表面，从而更有效地降低水的表面张力。 2 ) 更易聚集生成胶团。 3 ) 若比较上述g e m i n i 自身降低水表面张力和聚集生成胶团二者相对倾向的强弱， 则前者比后者更强。这表明g e m i n i 表面活性剂在降低水表面张力方面具有相当 突出的特点。 4 ) 具有很低的k r a f t 点。对降低水溶液表面张力的能力和效率上，g e m i n i 表面活 性剂和普通表面活性剂间的复配能产生更大的协同效应。 5 ) 具有良好的钙皂分散性能。 6 ) 在很多场合是优良的润湿剂。 事实上，由于g e m i n i 表面活性剂独特的分子结构，使得人们可望有效控制住表面 活性剂在有序聚集过程中的头基分离力，从而使它们在分子有序组合体中紧密排列，这 大幅度降低了水溶液的表面张力，极大提高其生成胶团的能力。因而，通过设计不同联 接链长度来调节二聚表面活性剂例子头基间的距离，可望控制分子间的静电力、疏水相 互作用力以及分子自身的几何形状与体积，进而调控分子自组装的行为和有序组合体的 结构与性能。 2 第一章 前言 上述关于g e m i n i 表面活性剂本身的高表面活性，以及可望实现对分子有序聚集体 形成与转化、结构与功能的调控，表明这类新颖的表面活性剂无论在实际应用中还是在 操纵分子自组装行为过程中都将显示出明显的优越性，具有科学和使用的重要意义，因 而r o s e n 郑重地将g e m i n i 誉为新一代的表面活性刹3 1 。当前，关于g e m i n i 表面活性剂 的研究正成为该领域的前沿课题，受到越来越强烈的关注。几篇重要的综述见文献【3 1 3 - 1 7 1 o 1 2囊泡 细胞膜和细胞器的基本结构都是由两亲分子的双分子层闭合或折叠而成，因此双分 子层在膜模拟的研究中处于重要的地位。双分子层亦即层状胶团，其基本结构如m c b a i n 对层状胶团所描绘的那样：像两把牙刷毛对毛地合在一起，“毛 代表表面活性剂疏水 基【1 8 1 ( 如图1 2 a ) 。当双分子层聚集结构在水溶液中形成时，为避免双层边缘处成膜分 子的碳氢基与水相接触，以便降低体系的能量，双层有可能弯曲，边缘自行闭合，就形 成了一种新的结构【1 9 1 ( 如图1 2 b ) 。如果这些双亲分子是天然表面活性剂卵磷脂，则形 成的结构就称为脂质体；若由合成表面活性剂组成，则称之为囊泡【2 0 l 。 irrt tt tt | t tt t l l rt tt tt tt t i r rt t 丌1 t 1 t 上工且儿l 上l 王且l 工上上上上且u 上l 上l a b 图1 2双分子层( a ) 与单室囊泡( b ) 如果只有一个封闭双层包裹着水相，称为单室囊泡。多室囊 泡则由多个双亲分子封闭双层成同心球式的排列，不仅中心部分 而且各个双层之间都包含水【2 l 】( 如图1 3 ) 。囊泡的形状多为大致 球形、椭球形或扁球形，也曾观察到管状囊泡【2 2 1 。根据大小与脂 双层的数目，脂质体可分为如下几类【2 3 】：单室小囊泡( s u v ，直 图1 3 多室囊泡 径2 0 5 0r i m ) 、单室大囊泡( l u v ，直径0 1 1 0p r o ) 、多室囊泡( m l v , 直径1 0 0 8 0 0r i m ) 等。单室囊泡只有一个封闭的双层包裹着水相；多室囊泡则是多个双亲分子封闭成同心 3 第一章前言 球式的排列，不仅中心部分，而且各个双层之间都包有水。其中，单室大囊泡有利于生 物大分子，特别是酶分子的捕获，而且它能重新使膜蛋白处于功能性的状态。多室囊泡 是胆固醇的主要载体，常用于胆固醇结石的研究中j 。 许多天然的和合成的表面活性剂和在水中不能缔合成胶团的磷腊，分散于水中时会 自发形成被称为囊泡或脂质体的聚集体。囊泡和脂质体都是以两亲分子定向双分子层为 基础的封闭双层结构，其中包含一个或多个水室。一般认为囊泡是此类聚集体的总称， 而脂质体则特指由磷脂形成的囊泡。脂质体是人类虽早发现的囊泡体系。s t o e c k e n i u s l 2 日 在1 9 5 9 年发现磷脂在水中会溶涨形成多层结构。1 9 6 5 年b a n 曲a m 等明将干磷脂分散于 水中制得了多室囊泡，这标志着人工制各囊泡研究的开始。1 9 7 7 年k u a i t a k e 等2 7 增次 以全人工合成表面活性剂双十二烷基二甲基溴化铵制得了囊泡，带动了这一方面研 究工作的迅速发展。从此，囊泡便在生命科学及许多高新技术领域的研究中扮演着重要 角色。由合成表面活性剂组成的闭合双层结构，有时被称作表面活性剂囊泡或合成囊泡。 1 2 1 囊泡的形成与崩备 由于囊泡把内容物与外界环境分隔开，因此产生了物质的局部化，人们设想囊泡 尤其是由磷脂形成的脂质体可能与生命的起源有关。在水溶液与空气的界面上形成脂的 单分子层，因扰动会产生两种单层小囊泡，一种内容物为空气另一种内容物为水。前 者不稳定而趋向于水空气界面移动，后者通过范德华力等与磷脂作用，这样就形成了 具有双层膜结构的囊泡( 如图1 4 ) 。 羹羹 图1 4 囊泡自然形成的设想i 圳。 ( a ) 脂在空气，水界面形成单分子层；( b ) 界面受到扰动；( 6 3 形成两种球形聚集体， 含空气聚集体向界面移动；( d ) 含水聚集体与借作用形成囊泡 囊泡的制备受温度、浓度、电解质、p h 值等影响。形成囊泡可采用多种方法，最 简单的是让两亲化合物在水中溶涨，自发生成囊泡。根据应用目的以及内容物的性质， 第一章 前言 人们开发了很多种制备脂质体的方法，有反向蒸发法、溶剂注入法、冷融法、钙诱导融 合法、超声波法、旋涡分散法、前体脂质体法、复乳法、乙醇一喷射法等【2 ”。囊泡 的制备一般包括三个步骤：首先是脂质体原料的水合和非均质囊泡的形成，然后将囊泡 均质化，最后将脂质体分离或分散到相应的介质中。常用的方法为以下两种1 3 2 】： ( 1 ) 反向蒸发法。类脂溶于有机溶剂。待混合均匀后。小心地将有机溶剂蒸发出 去，容器内壁上就会形成平板双层膜，再与欲包封物质的水溶液混合，就可形成脂质体。 ( 2 ) 注射法。将成膜类脂物质及脂溶性物质( 如药物) 共溶于有机溶剂中( 乙醇 或乙醚) ，然后将此溶液用注射器缓慢加入到5 0 6 0 的缓冲溶液中，不断搅拌至溶剂 全部蒸发为止，即可制得脂质体。由这两个方法制备成多室囊泡和( 或) 单室囊泡。在相 变温度以上时，对多层囊泡进行超声，则形成单室囊泡，其直径为3 0 6 0n m ，囊泡的 壁厚一般为5n l n 左右，每个囊泡含有8 0 0 0 0 - 10 0 0 0 0 个表面活性剂分子。 注射法中常使用乙醚、氯仿和乙醇来溶解两亲化合物，因而有乙醚注射法、氯仿 注射法和乙醇注射法。本文制备囊泡的方法就是采用乙醇注射法，将两亲化合物( 本文 为卵磷脂) 制成乙醇溶液，然后注射到水中，待乙醇挥发后就可以形成囊泡。相反的操 作也是可以的，即将水注射到到磷脂的乙醇溶液中，再除去乙醇，也能制备囊泡。 这两种方法可以认为是自发形成囊泡，所形成的囊泡一般较稳定。用超声波法或 挤压法等以施加外力的方法来制备的囊泡一般比较不稳定，失去外力作用后，囊泡会解 体。 但不是所有的两亲分子都能形成囊泡，开始时只知道某些磷脂可以形成囊泡。它 们是类脂中具有只溶涨不溶解特性的一类化合物。从分子结构上看，其特点是带有两条 碳氢尾巴和较大头基的两亲分子，例如双棕榈酰磷脂酰胆碱( 卵磷脂的一种) ，如图1 5 。 随后发现合成的双尾表面活性 o n 剂，例如双烷基季铵盐和双烷基磷酸 o = c _ h 2 一o c - r 1 盐也可以形成囊泡。这说明囊泡的生 r 2 一c o 譬h o c , n 3 成与表面活性剂分子的几何因素有 c h 2 - o 芎一0 1 嘞一甓，o h - 关。一般认为，囊泡的形成要求表面 图1 5 双棕榈酰磷脂酰胆碱的分子结构式 活性剂分子满足临界堆积参数p 略 小于1 的条件。最近发现混合表面活性剂体系，特别是混合阴阳离子型表面活性剂可以 自发形成囊泡f 3 3 1 。 脂质体制备过程中应注意几个问题【3 2 1 ：首先，应注意脂质体的稳定性，脂质体的稳 5 第一章前言 定性与膜质材料的相转变温度有密切的联系，氢化卵磷脂比不饱和卵磷脂有更高的相转 变温度，因而制得的脂质体稳定性好。其次，不同制备方法制得得脂质体形状和大小 均不同。用超声法制得的脂质体容易出现结构缺陷；反相蒸发法制得的是多层脂质体， 经过凝胶过滤或经挤压过小孔，可以得到尺寸较小和多分散性较小的多室囊泡【蚓甚至单 室囊泡【3 5 3 6 1 ，但是这样一来，将导致囊泡组分的流失；注射法的条件温和，易制得完整， 单分散的单室大脂质体，但残余溶剂较难除尽。另外，在制备的过程中，还要解决脂质 体的富集与分离和脂质体的分析等问题。 1 2 2 囊泡的性质 ( 1 ) 稳定性 囊泡分散液与胶团溶液不同，它不是均匀的平衡体系，而是表面活性剂的有序组合 体在水中的分散体系，其分散相的尺寸在胶体分散的范围。它只是具有暂时的稳定性， 有的可以稳定几周，甚至几个月。这是因为形成囊泡的物质在水中的溶解度很小，迁移 的速度很慢。而且，相对于层状结构，囊泡结构具有熵增加的优势。已经发现，多室囊 泡越大越稳定。有时也可以采用可聚合的表 面活性剂，在形成囊泡后进行聚合，以增强 囊泡的稳定性【3 7 1 。近来发现，通过复配而自 组装形成的囊泡一般是稳定体系。 ( 2 ) 包容性 囊泡的一个重要特性是能够包容多种 溶质。它可以按照溶质的极性把它们包容在 不同部位例( 如图1 6 ) 。一般地，较大的亲 水溶质包容在它的中心部位。小的亲水溶质 包容在它的中心部位及极性基层之间的区 域，即各个“水室”之中。疏水溶质则在两 亲分子双层的碳氢链夹层之中。本身就具有 两亲性的分子，例如胆固醇、脂蛋白之类的 - 丢臣卫旺二蔓= 玉壶匪酚釜9 大增性极极性增大 图1 6 囊泡溶液的9 个区域 图下方标注各区域极性大小， 区域5 的极性最小 化合物，可插到定向的双层中形成混合双层。这种包容作用是囊泡多种应用的基础，能 使囊泡具有同时运载水溶性和非水溶性药物的能力。 1 2 3 囊泡的表征【2 0 】 囊泡的表征有很多方法，如透射电镜、光散射法、葡萄糖捕获法以及流变学方法等。 6 第一章前言 ( 1 ) 透射电镜 透射电镜是最直观的一种方法，利用这种方法可以直接得到各种囊泡的照片，其缺 点是费用高且操作复杂。 ( 2 ) 光散射法 光散射法的操作相对简单得多，它分为静态光散射和动态光散射，可以与透射电镜 相结合，在确认囊泡存在的前提下，准确地给出其半径，并可以跟踪监测其变化。在越 来越多的自发形成囊泡的报道情况下，光散射可以通过粒径的变化确认囊泡的存在。 ( 3 ) 葡萄糖捕获法 葡萄糖捕获法可以测定出囊泡的增溶量。 ( 4 ) 流变法 流变法可以通过胶束、囊泡和虫状胶束流变性质的差别反映其结构的变化。 1 2 4 囊泡的应用【3 7 】 ( 1 ) 生物膜 也许可以说活体的最重要的特征都与生物膜有关。它在诸如离子迁移、免疫识别等 过程都起重要作用。它由三部分组成，主体是由磷脂和蛋白质组成的混合定向双层。双 层的外表面附有糖朊层，具有细胞的表面识别功能。双层的内表面则带有由蛋白质分子 交链而成的网。它锚接在混合双层的蛋白质分子上，给膜一定程度的刚性。 由此可见，囊泡是研究和模拟生物膜的最佳体系。对囊泡的研究有助于探索生物膜 的奥秘，也提供了通过仿生发展高新技术的途径。 ( 2 ) 药物载体【3 9 4 2 j 脂质体分散液静脉注射后可在循环系统中周游人体，并优先为某些器官，例如肝和 脾所吸收。此种特性启发人们利用囊泡来设计药物输送体系。基本操作是：将水溶的和 不溶的药物包容在囊泡中，通过静脉注射把药物送到靶器官。此方法有下列优点【4 3 删： 形成囊泡的磷脂无毒，可以生物降解； 脂质体在循环系统中存留的时间比单纯的药物长效，脂质体慢慢降解释放出药物 使显效期延长； 在脂质体表面附加上特殊的化学基团，可以使药物导向特定器官，并且大大减少 用药的剂量； 药物被包裹在脂质体中可防止酶和免疫体系对它的破坏。 在许多方面，物理化学研究已为脂质体包裹药物作出贡献。例如应用可聚合两亲分 7 第一章前言 子形成脂质体以增加稳定性；在相转变温度以上，多室脂质体中药物扩散出来的速率比 在相转变温度以下时要快得多，以及各种制备脂质体的方法等。另外，包裹了药物的脂 质体还可以进行冷冻干燥，成为便于存放的固体粉末。使用时加入溶剂而方便地得到囊 泡分散液。这些都是当代药物科学与技术的前沿领域。可以预见，脂质体药学在医药科 学中将继续是一个非常活跃的领域。 ( 3 ) 反应微环境【4 5 蜘 囊泡的9 个区域( 如图1 6 ) 能为对环境极性有不同要求的成分提供相应的微环境， 使得特殊反应可以顺利进行。例如一些在水中起作用的微生物的功能常常因存在有机溶 剂而受到抑制，而这些有机溶剂又为溶解烃类或其它不溶于水的反应成分所必须的。如 果用囊泡则可解此难题，亲水溶质包容在它的中心部位及极性基层之间的区域，疏水溶 质则在各个两亲分子双层的碳氢基夹层之中，这就使对环境极性有不同要求的成分各得 其所，而且有相互接触进行反应的机会。 1 3细胞膜模拟 1 3 1 细胞膜模拟概述 细胞膜一般是由4 0 5 0 的类脂和5 0 6 0 的蛋白质组成，其厚度大约8n n l 。按照流 体镶嵌模型【4 7 1 ，由磷脂和糖脂等类脂构成的双分子层是生物膜的基本骨架，而蛋白质则 包埋于磷脂基质中，可以从两侧表面嵌入或穿透整个双层分子，起着渗透屏障的作用。 双分子层的每个磷脂分子都可以自由横向移动，其结果使双分子层具有流动性、柔韧性、 高电阻性及对高极性分子的不通透性。因此，生物膜结构不是僵硬、静止的，而是动态、 流动的结构【4 8 】。 细胞膜的存在，使细胞成为种开放系统，它参与调控细胞的物质、能量和信息的 代谢过程。细胞的种种功能，相识别、融合、胞吞、胞泌、细胞间相互作用、激发性、 易位、输运和渗透等都是以膜为媒介的过程。 膜模拟化学主要研究胶束、单分子层、双分子层、囊泡、主客体系和聚离子等有序 组合体的特性和应用，是近年来迅速发展起来的一门新兴科学，是化学、物理学、生物 学基础边缘学科和多种工程技术的汇合点。进行细胞膜模拟的研究具有如下意义： 首先，有助于认识许多生命现象，对膜结构的认识还可为物理学的发展作新的启迪。 其次，研究在比较简单的体系中模拟膜为媒介的过程，并以此为基础，开发这种新 第章前言 型化学的实际应用。我们可以利用胶柬、单分子层、双分子层、囊泡、主- 客体系和聚 离子这些统称为膜模拟剂的物质来组成底物、改变微环境和反应性、以及用作载体。目 前已经应用于反应性控制、光化学太阳能的转换和贮存、分子的识别和输运、药物胶囊 化、以及为底物和酶提供独特的环境2 ”。如今，随着膜模拟化学的发展，反胶束、囊泡 和聚离子等还广泛应用于制备各种结构的纳米功能材料中。 132 细胞膜模拟系统 膜模拟剂分为两类：( 1 ) f h 表面活性剂组成，起主体作用( 2 ) 在聚合物主千上有电离 基团。其中由表面活性剂和磷脂等两亲分子在溶剂中分散、聚集的分子有序体占主要部 分。表面活性剂是由疏水和亲水两部分组成的两亲分子。极性头基之间的排斥和碳氢链 之间的缔合的相反力导致表面活性剂在水中的聚集。当水溶液中表面活性剂的浓度超过 l 临界胶束浓度( c m c ) 就在溶液中形成胶柬，随着浓度增加依次形成球状胶束、棒状胶 束和液晶相；在非水溶剂中，若有痕 量水存在，表面活性剂之间的偶极 偶极及离子对相互作用的结果形成 反胶束。若增加水的浓度，将形成较 大的聚集体。如果水的浓度进一步增 加，开始出现油包水微乳。将表面活 性剂的有机溶液铺展在水面上，则在 空气水的界面形成单层；若将单分 子层转移到固体支持物上就可形成 多分子层。合适的表面活性剂能够形 成双层，双层有两类：第一类，在小 针孔的口上形成平的( 或双层) 类脂 膜，b l m ：第二类，封闭的双层囊泡， 由类脂膨胀形成。各组合有序体的组 织结构如图17 所示。图中各种结构 都是简单化了的。实际上，目前还没 有一个模型能完美到如实地模拟出 复杂膜集合体。 燃5 单层 蒜桊潦 反殷柬w 盯蕞乳0 删乳 薹登严 一一- 二* l 谬 多室蠢泡 。 单室妻泡 图1 7 不同介质中表面活性剂的自组装体结 构简略图吲 上述这些有序组合体作为膜模拟剂，具有如下特性：f 1 ) 使反应物增溶、浓集、分 第一章前言 隔、组织化和定域化；( 2 ) 保持质子和或反应物的梯度；( 3 ) 改变量子效率；( 4 ) 改变电 离势；( 5 ) 改变氧化和还原电势；( 6 ) 改变离解常数；( 7 ) 影响有方向性的电子取代；( 8 ) 改变光物理途径和速率；( 9 ) 改变化学途径和速率；( 1 0 ) 使反应物、中间物、过渡态及 产物稳定；( 1 1 ) 把产物( 电荷) 分开；和0 2 ) 它们本身是化学稳定的、光学透明的、光 化学非活性的。当然，不是全部模拟物都满足所有这些功能或者对所有的应用提供独特 的介质。 1 3 3 不同膜模拟剂的比较 不同表面活性剂的膜模拟剂之间形态差别很大。水溶液中的胶束是直径为4 1 0n m 的球体。反胶束具有类似大小。微乳和囊泡的直径大得多，分别为5 - 5 0 0n n l 和3 0 1 0 0 0 n m f 4 9 】。由冠醚、穴状配体、环糊精及有关的主体提供的空腔比较小。单层的大小依赖 于底相的表面积和表面压。b l m 被限制在一个相对小的针孔内；聚离子的重均分子量 可以达几百万。 各有序组合体的稳定性也各不相同。胶束、微乳和囊泡在它们形成之后可以保持稳 定较长的时间。在相近条件下，单层可以保持同样长的时间，而b l m 却很少延续超过 二、三小时。 相变是单层、b l m 和囊泡的一个重要性质。由于与表面积一表面压等温线有关， 单层可以气态，液态或固态形式存在。b l m 和囊泡的热致相变只涉及类脂排列方式的 改变而没有改变双层总的结构面貌。低于相变温度时，b l m 和囊泡的表面活性剂组分 以高度有序的“固 态存在，它们的烷基链呈全反构象。在相变温度以上，由于歪扭转 动和扭折形成的结果，类脂变成“流体”。在b l m 和囊泡内还有表面活性剂的其他运 动，如分段运动和转动、侧向扩散及回转等。胶束体系通常没有温度诱发的相变。聚离 子可以发生构象变化，甚至可能引起二级和三级的结构改变。 膜模拟剂还能提供适合不同反应的各种微环境：水溶胶束“内部 的表观微粘度 大约为8 m p a s1 5 0 】；通过改变被捕集水团的大小，连续改变反胶束微环境的有效极性， 可使反胶束中的水分子获得相当于苯的极性【5 l 】；o w 微乳具有一个相当大的烃内部区。 这为捕集大量疏水分子提供了高度非极性的微环境；单层在靠近它们的头基附近提供了 相对极性的微环境，其碳氢尾周围的微环境则与表面压，即构成单层的表面活性剂彼此 接近的程度有关；囊泡双层不象单层那样容易变形，它们提供比胶束更为刚性的内部。 脂质体中的微粘度可以高达2 0 0m p a s t 5 2 1 。由于质子通过囊泡壁的渗透性可以急剧减小， 因此在脂质体内的水与体相水之间存在相当大的p h 梯度，并可保持几小时f 5 2 。3 1 。囊泡 1 0 第一章前言 还具有渗透活性，在高渗溶液中收缩，低渗溶液中膨胀，于是被脂质体捕集的水逐渐与 位于囊泡内表面上的头基结合。 冠醚和环糊精具有完全限定的疏水性空腔，结构的变化或腔体大小的改变只引起微 环境的较小变化。聚离子周围的微环境可以变化很大，官能团的性质和种类及总的构象 是影响微环境的因素。 综上所述，在研究之前，应充分考虑各种膜模拟剂的不同特点来选择膜模拟剂。例 如，微乳和囊泡能满足把高浓度的极性和非极性分子组织进每个聚集体的要求。聚离子 等易从反应中分离出来，是有机合成优先考虑的介质。b l m 和囊泡特有的双电层的电 势梯度，则可以为许多实际应用所利用。 所有的膜模拟剂中，单层和双层对材料和设备的要求很高，特别是单层的制备要求 洁净度特别高，双层的稳定性又差，目前单层和双层主要限于光化学和膜介电性质的研 究。而囊泡制备相对简单，对脂质体进行修饰，可以使其获得某些与生物体相似的性质， 从而作为细胞模型在生物体结构功能研究和模拟方面具有重要意义【州。另外，囊泡特有 的包容性和稳定性，又使其在药物载体方面的研究走向了应用阶段【5 5 】。 1 3 4 生物膜模拟模型 生物膜的模拟是研究生物膜的一个重要的必不可少的手段。生物膜的通透性、膜 上各类脂的作用以及脂与蛋白质的相互作用等都需要通过人工膜的研究来得到阐明。利 用人工膜可以避免生物体系中的许多复杂的相互作用关系，实验的结果比较容易分析。 不过作为生物膜模型的人工膜，应当具备以下特点： l 、化学组成和厚度与天然膜相似； 2 、能有效地分开两种不同的水相； 3 、具有结构和化学的两侧不对称性； 4 、易于操作，能用来研究膜的向量功能，例如传递等。 显然，囊泡具备以上的特点，不过除了囊泡之外还有两种常用来做生物膜模拟的 模型： ( 一) 平面双层膜： 平面双层脂膜特别适合于研究膜的电化学性质。双层膜脂的主要优点在于膜电位、 p h 梯度、离子强度上的研究，它的主要缺点是膜面积太小，在它的平均寿限时间内能 通过的物质太少，不易精确分析。在操作的技术上，由于双平面膜很薄，因此防震的问 题是实验操作中的一个颇为关键的问慰5 6 1 。 第一章前言 ( - - ) 磷脂与蛋白质重组合形成功能膜： 重组合的研究包括三方面：把生物膜溶解；分离与鉴定膜蛋白；从磷脂与 蛋白质重组合形成与天然膜结构和功能一致的人工膜。如果重组合成功，这些研究就可 以说明脂蛋白质相互作用、各蛋白质组分之间的相互关系以及它们在膜内的分布情况。 1 4 表面活性剂一脂质体体系 1 4 1 表面活性剂一脂质体体系研究现状 脂质体常用于模拟细胞膜为媒介的过程。通过电子显微镜【5 7 , 5 8 】、核磁共振【5 9 , 6 0 、 电子顺剃6 1 ，6 2 1 、荧光慨删、r a m a n 光谱9 ，6 5 1 、红外【硎、差热扫描【6 7 1 、动态光散射【6 8 1 等 方法，脂质体的形态和组分【6 9 1 、相变【7 0 ，7 1 1 ( 相变温度、相变浓度、相变动力学、添加物 对相变的影响) 、电学性质【7 2 】( 主要是跨膜电位) 、分子动力学7 3 , 7 4 1 、渗透性【7 5 1 ( 底物跨 越双层的输运) 等都得到细致的研究。 目前，以表面活性剂和脂质体的相互作用来研究物质在膜双层中的吸附和渗透作 用及其机理十分活跃6 缸7 们。研究结果表