生物膜

生物膜介绍

生物被膜又叫“被膜”，是一种由细胞外大分子物质构成的具有一定结构的菌群。生物被膜（biomyces）是一类具有高度耐药性的细菌。生物被膜是由蛋白质，多糖， DNA, RNA，肽聚糖，脂肪，磷脂等多种生物大分子组成的。生物被膜是一种由初始粘附、生物被膜发育到成熟传播的生物被膜，其形成是一个由细菌粘附、生物被膜发育、成熟传播三个阶段组成的动态过程。

生物被膜（biomyces）是指微生物在自然界中有序地生长而形成的聚集体。一种细菌粘附在一种惰性物质或活动物质的表面，不断地繁殖、分化，并分泌出一种多糖，把整个菌群都包裹起来，从而构成一种细菌聚集体膜状的物质。单一的生物被膜可以是一个或几个不同种类的微生物组成的。随着对微生物在固液界面上占主导地位这一独特现象的深入研究，人们逐渐意识到，微生被膜是由一系列的物理、化学、生物等多个因素共同作用而成的。在海洋生态系统中，岩石、动植物及组合体等各种界面均可被生物膜入侵。

近年来，医学领域对于由多种细菌引起的慢性、难治性疾病的认识不断加深，并发现其在体内形成的生物被膜是其治疗困难的重要原因。与浮游菌相比，作为生物被膜中的细菌对外界环境、恶劣环境以及自身的免疫反应等均表现出较高的耐受性，其在生理代谢、底物分解与利用以及对环境的耐受性等方面表现出与浮游菌不同的特性。

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生物膜作用与功效

生物膜的作用主要表现为以下三种：

第一种：物质运输

由于其半透性，生物被膜是一种对肿瘤细胞有高选择性的渗透屏障。细胞生长所需的水、氧及其他养分被输送到细胞中，产生的激素、毒素及某些酶被输送到细胞外，以及由细胞代谢产生的CO2、NH3等废料被输送到细胞外，这些过程都与生物被膜的物质输送机制相关。有三种方式：被动运输、主动运输、胞吞作用和胞吐作用。

（1）被动运输：是一种非依赖于能量的小分子物质或离子跨膜转运的方式。它的传播方式有：单纯传播和辅助传播两种。

① 简单扩散：例如O2、N2、CO2和 NO等气体，类固醇激素等脂溶性小分子，水、甘油、尿素等不带电的极性小分子，都可以以这种方式自由地穿过生物膜。这种物质可以从高密度的一面穿过薄膜，到达低密度的一面，这一过程或者说是一种简单的扩散。该传递模式的速度依赖于被传递材料在两个方向上的浓度差异，最终趋向于一个扩散的平衡态。它的特征是不会与薄膜中的其他材料起作用，而且它不会消耗能量。通常情况下，生物膜的电阻比较高，非带电的脂溶性物质比较容易透过，也就是带有极性或电性的亲水性物质比较难透过，但以上所提到的几种物质是特例。通常来说，物质透过细胞膜的能力，很大程度上是由分子的尺寸和极性决定的。小分子的透过率大于大分子的透过率，无极性的透过率大于极性的透过率。疏水性较小、无电荷的小极性分子可透过人造膜；水是一种渗透性很强的物质，不带电荷的大的极性分子和离子都无法透过薄膜。

② 协助扩散：指的是物质借助膜上特异蛋白的帮助，从其浓度较高的一侧通过膜运输到其浓度较低的一侧，直到两侧浓度达到动态平衡的过程或方式，也不需要消耗能量。也被称为“加速扩散”或“易于扩散”。通常情况下，细胞膜中的蛋白质会以其结构的改变来实现物质的运输。这样的传输有助于分散和减少到达均衡所需要的时间。

（2）主动运输：这种以能量为代价，以能量为代价，穿过生物被膜的物质传递过程称为“主动传递”。这是第二个机理，即小分子物质或离子能透过细胞膜。在此过程中，能源的消耗以 ATP为主。细胞在细胞内的转运还需有特异性的蛋白质载体。有源交通主要通过以下三个途径实现。

① 离子泵：如生物膜上存在的Na+-K+泵、钙泵、H+-K+泵、H+泵等，均属此类。其中，Na+-K+泵是最经典的子。Na+-K+泵，即Na+-K+ATP酶，是膜上的一种特殊蛋白。它利用水解ATP产生的能量，以逆离子浓度的方式向细胞外排出Na+，而同时将细胞外的K摄入细胞内。据计算，每消耗1个ATP分子可将3个Na+泵出细胞而将2个K+泵入细胞。

② 协同运输：一种材料与另一种材料耦合在一起，以实现一次输送的一种方法，称为合作输送。通常情况下，其能量来源为 ATP。该传输模式还需相关的 ATP传输离子在细胞内、外两个方向上形成离子浓度差，从而产生足够的电化学反应（或储存的电能），供相关的物质跨细胞跨膜传输。在生物体内，如葡萄糖、氨基酸等的逆向运输是由 Na+泵与 Na+载体共同完成的。本项目拟在此基础上，利用 Na+- K+泵在钠离子和钾离子之间形成的电压差，实现钠离子和葡萄糖（或氨基酸）的同步运输。在此过程中，钠离子从细胞中被释放出来，通过钠钾离子泵将钠离子转运到细胞外，从而保持钠离子浓度的梯度。通常情况下，与离子迁移具有相同的物质迁移方向的协作传输称为同向协作传输，相反的协作传输称为逆向协作传输。

③ 基团转移：首先，对被输送的物质进行一定的化学改变（例如，共价修饰），使得被输送的物质在细胞中保持在较低的浓度，从而使得该物质能够沿浓度梯度持续地从胞外输送到胞内，这一过程或方法被称为“基团转移”。在特定的细菌里首先被发现。比如，在细菌中，葡萄糖在进入细胞之前，需要经过一段时间的磷酸化，变成6-磷酸葡萄糖。而经过磷酸化处理的葡萄糖很少能通过细胞膜，因此6-磷酸葡萄糖可以在细胞中蓄积。

（3）胞吞作用和胞吐作用：大分子化合物在生物被膜中不能透过，因此，大分子化合物的进入和流出必须经过内吞和外排才能进入细胞。

① 胞吞作用：大分子物质或颗粒被质膜的一小部分内陷而包围，最后从质膜上脱落，形成含有这些大分子或颗粒的细胞内囊泡的过程，此即胞吞作用。它可分为如下的3种类型。

a．吞噬作用：吞噬是一种将大的固体粒子（如细菌、细胞残骸等）通过大的小囊将其吞噬到细胞中的过程，被称为吞噬。被吞噬的粒子会被吸收到细胞的表面，然后被称为吞噬泡或者是噬体，然后被溶酶体中的水解酶分解。

b．胞饮作用：胞饮是指将胞外微液（包括一些小分子或离子）以小囊泡的形式摄入到细胞中。在此过程中，会产生所谓的“胞饮水泡”或“胞饮水”，这些“胞饮水”或与溶酶体融合，由溶酶体的酶分解，或回到质膜，或迁移到其他质膜，或以储存的方式存在于细胞中。几乎所有的细胞，都有这样的功能。

c．由受体介导的内吞作用：被转运的物质（也称为内吞）与特定的受体（受体）结合，使细胞膜凹陷，并在细胞膜上生成包裹着内吞物质的小泡，这一过程被称为内吞。这个反应的特异性非常高，所以细胞可以有选择的摄取有关的物质。很多病毒和毒丝就是通过这个途径侵入到动物的体内。

② 胞吐作用：某些物质被一种膜包裹，并以微泡的形式缓慢地移动到细胞的表面，最终与质膜结合，从细胞中被释放出来，这就是所谓的胞吐。真核生物可通过外泌体的形式来补充与细胞膜更新相关的物质。胞吐会产生多种不同的分子，同时也会将某些小分子物质通过胞吐会从细胞中排泄出来。

第二种：信息传递

在有机体的生命活动中，细胞内部、细胞与细胞之间、细胞与外部环境之间，无时无刻不在发生着物质、能量和信息的交换，从而保证了各种生命过程的和谐、有序，而这一切都是通过生物被膜来完成的。而在这一切之中，最主要的就是交换消息。细胞间的讯息传送，亦称细胞通讯。从狭义上说，这是一种从一个细胞中释放出来的讯息，经由介体传递给另外一个细胞，从而引起对应的效果。从更广泛的意义上来说，它还包含了细胞和外部环境之间的信息交换。

生物之间的信息交换是由特定的物质进行的，而携带着相关“信息”的物质被称为“信号（分子）”，通常指的是化学物质。生物被膜调控着细胞内各种信号分子的产生和传导。根据细胞内化学信号分子的溶解度不同，可分为亲油性与亲油性两类，而亲油性较多。在亲脂信号分子中，最具代表性的是类同醇激素和甲状腺素，这些物质能够通过细胞质膜进入到细胞内，并与在细胞质或细胞核中的相关受体结合，形成复合物，从而调控如基因表达等生命活动，而亲水性信号分子则主要包含了神经递质、生化因子、化学递质及大部分激素。这些蛋白虽然不能跨细胞膜，却能通过与相应的受体结合，调控细胞中的相关生命活动。由于生物被膜具有较强的识别能力，因此，通常把它们统称为“配体”，而与其特异性结合的物质被称作“受体”。

第三种：能量转换

生物被膜是生物体内能量转换的关键环节。在生命活动中， ATP是一种重要的能源“通货”。在有机体的新陈代谢中，所传递的能量首先被“储存”为 ATP，然后在必要时被 ATP所释放。在植物中， ATP的产生以光合作用和氧化作用为主。叶绿体中的类囊体膜是进行光合作用的重要场所。在此过程中，光合色素系统、电子转移系统、以及光合磷酸化耦合酶系统共同发挥着重要的功能，将光化学反应过程中所产生的能量，一部分转化为 NADPH，一部分转化为储存于 ATP中的化学能量。

在真核细胞中，线粒体的内膜起着重要的作用，它是进行生物氧化和能量转化的重要场所。线粒体内存在一条完整的电子转移链系统，使代谢产物上的氢气通过电子转移链向氧气的传输而被转化为 ATP的化学能。

生物膜特点

1、保护伤口创面、吸收渗出液、促进愈合作用。

2、结构简单且相对稳定。

3、能起到物理阻隔作用。

4、高生物活性：保留丰富的生长因子，促进自体软组织愈合。

5、因生物膜的组成成分符合人体所需，所以在修复能力上也更为出色。

生物膜用途

1、生物膜创面敷料面膜型（皮肤修护贴）：用于非慢性创面的覆盖和护理。能更高效的修护肌肤、舒缓敏感、充分补水、长效锁水。

2、壳碘复合生物医用膜：在临床上，它是一种治疗创伤创面的贴剂，主要作用是对创面进行保护，吸收渗出物，促进愈合。

3、可吸收生物膜：必须配合骨粉，才能发挥物理屏障的效果，阻止充填物的移位，具体内容有：拔牙后，残根拔出后，拔牙窝的填补；牙槽脊的修复；牙周病导致的牙槽骨缺损的修复。

4、泌尿外科包皮手术术后专用生物膜，几丁聚糖生物膜：适用于体表烧烫伤、灼伤、皮肤溃疡、窦道、瘘管、冻裂伤、耳鼻喉口腔术后敷贴或填塞及创口创面的护理和换药。

5、去生物膜清洗剂：这也是对无用生物膜的有效去除方式。

生物膜原理

多糖蛋白、多糖基质、纤维蛋白和脂蛋白等多糖蛋白复合物是细菌生物被膜的重要组成部分。成熟的生物被膜模式由外至里依次为：基质生物被膜层，连接层，状态层，基质层。

生物被膜既是维持细胞生存的一道屏障，又是细胞与细胞、细胞与基质的桥梁。其结构相对简单且稳定，是物质运输、信息跨膜传输、能量转化的重要载体，这也是生物膜能在各领域运用的原理。