金属离子与生物膜上膜脂的作用
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第873页（4315字）
生命活动的基本单元是细胞。
细胞上的物质除水之外，大部分存在于各种膜结构上。几乎所有重要的生命活动都是在生物膜上进行的。
金属离子是生命活动中不可缺少的。金属离子与生物膜的作用影响着，在某些情况下决定着生物膜上的生命活动。
膜脂分子上基团的运动状态和膜脂分子的聚集状态决定膜的基本特性。所以，生物膜的相状态在离子－生物膜的相互作用的研究中首先被注意。由于生物膜的组成和结构极其复杂，所以，这方面的研究几乎都是在人工生物膜(脂质体，Liposome)上进行的。差示扫描量热(DSC)，萤光光谱，顺磁共振，核磁共振，拉曼光谱，富利埃红外等都已用于这方面的研究。
1974年查普曼(D．Chapman)等用DSC研究UO22+对电中性的双棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)脂质体的相变的影响时看到了UO22+使脂质体的相变峰位移，同时出现新峰。
同年，特劳伯利(H．Träuble)等用N芳基－萘胺(NPN)做为萤光探剂研究了Li+，Na+，K+和Mg+2， Ca2+，Be2+等对阴离子型的磷脂酸(PA)脂质体的相变的影响。
结果表明碱金属离子使相变温度降低而Mg2+等使相变温度提高。此后，有大量这方面的研究报道。
其中1977年查普曼(D．Chapman)等，杰因(M．K．Jain)等进行了系统的研究。1978年，范迪克(P．W．M．VanDijck)等报道了Ca2+引起的双组份的脂质体膜上的侧向相分离。1979年维尔(W．J．Vail)等，1987年蒂尔科克(C．P．S．Tilcock)等报道了Ca2+，Mg2+等使含有心磷脂(CL)的脂质体和由磷脂酰丝氨酸(PS)，磷脂酰乙醇胺(PE)制成的脂质体出现六角Ⅱ型(HⅡ)相。1981年威尔斯特(J．Wilschut)等认为Ca2+引起的HⅡ相的出现会在磷脂膜上造成带电荷的孔洞，膜的通透性，细胞的分泌作用、外放作用、受体丛集等均与此有关。
金属离子与膜脂的作用不仅会改变生物膜上膜脂的侧向分布，而且会改变膜脂在生物膜的里层和外层之间的分布。在细胞膜上，76%的磷脂酰胆碱(PC)和大部分鞘磷脂(SM)处在外层，而80%的PE和PS处在内层。
1987年毕特波尔(M．Bitbol)等报道，使PE和PS从生物膜的外层转移到里层需要有Mg2+参加，而细胞内部的自由Ca2+则抑制磷脂的转移。所以，细胞内自由Ca2+的增加会导致细胞膜里外层之间磷脂分布的差异的丧失。
1990年汉斯莱特(U．Henseleit)等的结果表明，在离子通道A23187的存在下，Ca2+和Sr2+能使预先置于人的红细胞细胞膜外层的溶血磷脂酰胆碱和棕榈酰肉毒碱转入膜的里层。
Mn2+和Mg2+则使这种转移变慢。
金属离子的作用会使生物膜的性质改变。1981年科甘(U．Cogan)等的研究表明，生物膜外层的流动性高于里层，而细胞外的高浓度的Ca2+和Ca2+与磷脂的结合使得里外层之间的膜脂的流动性的差别缩小。
1990年瓦坦纳伯(H．Watanabe)等用自旋标志方法研究人红细胞的质膜的流动性，结果表明，Ca2+使质膜的流动性下降。1991年榎本等研究对气味高度敏感的脂质体时发现，Ca2+在脂质体外的存在会大大提高PC－PS脂质体在气味分子乙酸戊脂作用下流动性与电位的变化。
生物膜的融合和分裂是细胞之间和细胞器之间物质传送和信息传递的重要方法。1984年伯格恩(R．D．Burgoyne)发现，在分泌细胞的外放作用发生之前，会出现细胞内的局部细胞质里Ca2+浓度的瞬间增高。
1989年贝克斯(C．J．M．Peckers)等发现细胞内穿梭微囊与有关膜之间的融合也需要Ca2+。生物膜的互相融合要求膜脂分子相接触。
这就必需排开存在于膜表面的结合水。1989年费更逊(G．W．Feiigenson)报道，Ca2+能与两个膜上的PS分子形成反式的络合物而排开膜表面的结合水，引起膜的融合，Mg2+与PS形成的是顺式络合物(帕利斯A．Porlis，1979)，所以Mg2+虽然也能使膜表面的负电位降低，使PS脂质体发生集聚，但不能引起融合。
除了上述反式Ca(PS)2络合结构会引起生物膜的融合之外，HI相的形成被认为是另一条使膜融合的途径。1990年奥提兹(A．Ortiz)等的研究表明，多价离子与生物膜中的CL的结合会在两膜之间形成HI型结构而导致膜的融合。1991年雪列米捷夫(Ю．A．ⅢepeмeтebeB)等用La3+诱导人红细胞融合，制得尺寸达400μm的巨型红细胞。脂质体与细胞之间的融合也已经实现，1991年沙尔曼(M．Salman)等报道了在Ca2+存在下旨质体与Mycoplasma capricolum细胞的融合。
碱金属离子与生物膜上膜脂的作用主要是静电屏蔽作用。大部分多价离子以离子云的形式存在于膜上负离子基团的周围，只有一部分多价离子与膜脂相结合。
1981年麦克劳林(S．Mclaughlin)等报道，Mg2+和Ca2+与PE的结合常数分别是2和3M－1。由于结合常数很大，所以结合速度由扩散速度控制。
1987年，麦克唐纳(P．M．Macdonald)等报道，Ca2+与CL的结合常数是20M－1。1989年亚可逊(M．A．Akeson)等研究Al3与PC脂质体的作用，结果表明，Al3+被吸附的能力是Ca2+的560倍。
A13+在活度为5×10－6时就能中和植物细胞质膜的表面电荷，使表面电位从－30mV变为+11mV，这与Al3+能抑制根细胞对正离子的摄取相符。细胞膜表面的负电荷主要来自糖脂的唾液酸上的羧基和磷脂分子头部的磷酸基。
UO22+只与生物膜上的磷酸基结合。1984年，仁托尔(R．Renthal)等用UO22+来测定紫膜表面的磷酸基团数。1986年，帕斯克尔(L．Pasquale)等利用UO22+研究上述两类带负电的基团对细胞电泳速率的不同的贡献。1984年，赫伯特(L．Herbette)等用中子衍射研究Ca2+与PC的结合，结果表明，结合的Ca2+与磷酸基团的距离小于0．1～0．2nm。
1987年麦克唐纳(P．M．Macdonald)等报道了用2H－NMR研究Ca2+与磷脂酸甘油(PG)－磷脂酰胆碱(PC)脂质体的结合。他们发现，Ca2+在结合点上停留的时间短于10－6～10－5s。所以，Ca2+是处于膜表面的电位“槽”中，能在“槽”中自由流动。同年，塔特利昂(S．A．Tatulian)报道，金属离子与磷脂的结合点远少于基团数。
1990年，谢维克(G．Cevc)在综述中列出了磷脂与一价，二价和三价金属离子的结合常数。
由于Ca2+，Mg2+等重要离子缺少易检测的光谱特性，所以不容易对它们与膜的结合状况进行即时观测。
而镧系元素离子(Ln3+)的半径接近Ca2+。它们使生物膜融合的能力也与Ca2+接近。
Ln3+的光谱特性十分有利于进行离子与生物膜的结合的研究。
1983年，沙利斯(N．E．L．Saris)发现，Eu3+的发光强度与磷脂的头部基团有关。
他还观察了在混合磷脂体系中Tb3+和Eu3+、之间的能量转移。1989，1990年彼得森姆(M．Petersheim)等和孙(I．Sun)等报道，Ln3+与每种磷脂都能形成不止一种络合物。
Ce3+的4f到5d的吸收峰的消光系数为103M－1cm－1。它的发射峰的强度比Tb3+或Eu3+大两个数量级以上，所以Ce3+被认为是研究离子与生物膜的相互作用的合适离子。1990年孙(J．Sun)等报道了Ce3+在PA脂质体上在不同的H+浓度值时形成3种络合物。
在生物膜上，蛋白质分子的周围往往结合着膜脂。
在一般的情况下，带负电的PS往往富集在一些蛋白质附近。1985年，埃斯曼(M．Essmann)等报道，一个Na，K－ATP酶分子被66个磷脂分子包围着，而这是酶起作用所必须的，富集在酶四周PS使Mg2+在这区域的浓度增高，Mg2+使Na，K－ATP酶活化。1991年，卡哈纳(E．Kahana)等研究了Na+，Ca2+，Mg2+等对细胞骨架蛋白与人红细胞膜的结合的影响。结果表明，骨架蛋白不易从红细胞膜上脱落的原因可能是Ca2+，Mg2+使骨架蛋白和膜的负电位降低而减弱了它们相互间的斥力。
由于Ca2+，Mg2+是金属离子中在生命活动中处于首要地位的离子，所以，金属离子与生物膜上的膜脂的相互作用的研究集中在对这两种离子的研究上。随着对其它金属离子的生理作用和毒性的了解，离子与膜脂的作用的研究正在向其它金属离子发展。
稀土元素离子正在被注意。对铝、铅、铬、镍、铜、镉、汞等金属离子的研究也在逐渐开展。
另一方面，研究正在向金属离子与生物膜的作用的部位、结合的性质和结构等深入。生物膜的表面都荷带电荷，而荷电的状态十分复杂。
生物膜的荷电状态对离子－生物膜相互作用的影响也是正在被深入研究的重要方面。细胞是一个有机整体，蛋白质的作用是生命活动中的最活跃部分。金属离子与膜脂的作用对生物膜上蛋白质分子的结构与功能的影响甚至对整个细胞的影响是研究的另一个前沿。
。【参考文献】：1 Gunther T. Magnesium in health and disease,Itokawa Y,J. Durlach,J Libbey, comp, Ltd, 1989:3～10 Sun J,et al.
2 Biochim. Biophys Acta, 1990,1024sl59～166
3 Cevc G. Biochim, Biophys Acta, 1990,1031:311～382
4 Wilschut J. Membran Fusion Wilschut J,D Hoekstra,Marcel Dekker, Inc,1991:89～126
(中国科学院化学研究所方一非研究员撰)