生物膜

生物被膜是微生物有組織生長的聚集體。細菌不可逆的附著於惰性或活性實體的表面，繁殖、分化，並分泌一些多糖基質，將菌體群落包裹其中而形成的細菌聚集體膜狀物。單個生物被膜可由一種或多種不同的微生物形成。

通徠過對微生物在固體表面定植中起支配作用的特殊現象進行了大量研究，逐漸認識到這些微生膜的形成包含複雜的理化過程和生物群落的相互作用。

在海洋環境中，所有類型的表面，如岩石、植物、動物和裝配式結構都可能被生物膜侵佔。

近年來，隨著醫學界對某些環境中常見細菌所致的一些慢性和頑固性疾病的深入了解，發現生物被膜是導致這些細菌性疾病難以根治的主要原因。以生物被膜形式存在的細菌不同於浮遊細菌，它們對抗生素等殺菌劑、惡劣環境及宿主免疫防禦機制有很強的抗性，生物被膜內的細菌在生理、代謝、對底物的降解或利用和對環境的抵抗能力等方面都具有獨特的性質。

細菌生物被膜主要包括分泌的多糖蛋白、多糖基質、纖維蛋白、脂蛋白等多糖蛋白複合物。成熟生物被膜模型從外到內包括主體生物膜層、連接層、條件層、基質層。

生物膜的主要化學成分是脂類和蛋白質，糖類次之，另外還有微量的核酸、金屬離子和水。膜脂和膜蛋白以及糖類所佔的比例因膜的種類而異。例如，神經鞘膜中脂類含量佔75%，而蛋白質只佔18%，這利於膜在神經興奮傳導中的絕緣作用；而線粒體膜蛋白質含量佔75%以上，脂類則占約20%，這與該膜含有豐富的酶有關。膜的功能越複雜，蛋白質含量越高。膜中蛋白質與脂類之比一般為4：1到1：4之間。

生物膜的存在，不僅作為屏障為細胞的生命活動創造了穩定的內環境，介導了細胞與細胞、細胞與基質之間的連接，而且還承擔了物質轉運、信息的跨膜傳遞和能量轉換等功能，這些都是由生物膜的結構決定的。

生物膜因其半通透性而成為具有高度選擇性的通透屏障。細胞生長所需要的水、氧及其他營養物質被運進細胞，細胞內產生的激素、毒素和某些酶被運出細胞，細胞內代謝產生的CO2、NH3等廢物被運出細胞，這些過程都與生物膜的物質運輸機制有關。

（1）被動運輸

被動運輸是小分子物質和離子通過細胞膜的運輸機制之一，它不需要能量。

① 簡單擴散

像O2、N2、CO2和NO等氣體，類固醇激素等脂溶性小分子，水、甘油、尿素等不帶電的極性小分子均可經此方式自由通過生物膜。這些物質可由高濃度的一側通過膜向低濃度的一側擴散，這個過程或方式即簡單擴散。這種運輸方式的速率取決於被運輸物質在膜兩側的濃度差，並最後趨於達到擴散平衡。其特點在於不與膜上任何物質發生反應，也不消耗能量。

一般來講，生物膜的電阻較高，不帶電荷的脂溶性物質較易通過，即帶電荷或極性基團的親水物質則不易自由通過，但上述幾種則例外。一般講，物質在質膜上的通透性主要取決於分子的大小和極性。小分子物質比大分子物質更易通過，非極性分子比極性分子更易通過。小的疏水分子和小的不帶電的極性分子能夠通過人工膜；水具有一定的透性，離子和大的不帶電的極性分子不能通過膜。

② 協助擴散

協助擴散是物質藉助膜上特異蛋白的幫助而從其濃度較高的一側通過膜運輸到其濃度較低的一側，直到兩邊濃度達到動態平衡的過程或方式，也不消耗能量。它也叫促進擴散或易化擴散。這裡涉及的一般是膜的內在蛋白，該蛋白通過其構象變化而完成對物質的運輸作用。這種運輸促進了擴散，並縮短了達到平衡所需的時間。根據這種運輸過程中運輸蛋白的工作特點可做如下分類。

a．由通道蛋白介導的擴散：這種擴散方式首先在哺乳動物的紅細胞中發現。通道蛋白貫穿膜，形成一個狹縫狀的中央親水通道，允許一定大小帶一定電荷的離子通過。像Cl即經此機制穿過紅細胞膜。這類蛋白存在廣泛，如細菌中的膜孔蛋白即屬此類。

b．由載體蛋白介導的擴散：這種擴散方式所涉及的載體蛋白是一類跨膜蛋白，它通過與物質結合而將物質運過膜。大多數物質，尤其是不溶於脂類的物質，即經這種方式運輸過膜。例如，葡萄糖即通過紅細胞膜上的一種特殊載體蛋白而被運入紅細胞內的。這種載體蛋白相當於結合在細胞膜上的酶，可同特異的物質結合，運輸過程中有類似於酶與底物作用的動力學曲線。

c．由離子載體介導的擴散：離子載體是溶於膜脂雙分子層的疏水性分子：它雖然也是按照被動轉運方式來轉運離子的，但是不同於載體蛋白，它包括載體性離子載體和通道形成性離子載體兩種。

纈氨黴素就是一種載體性離子載體，它在膜的一側結合K，然後順著電化學梯度通過脂雙層，於膜的另一側釋放K。大部分離子載體存在於微生物中，有的已被用作抗生素。

（2）主動運輸

物質經消耗能雖而被逆濃度梯度運輸通過生物膜的方式，即主動運輸。這是小分子物質和離子通過細胞膜的機制之二。其間所消耗的能量主要來自ATP。這種運輸方式也需要特定的蛋白載體。

① 離子泵

如生物膜上存在的Na-K泵、鈣泵、H-K泵、H泵等，均屬此類。其中，Na-K泵是最經典的子。Na-K泵，即Na-KATP酶，是膜上的一種特殊蛋白。它利用水解ATP產生的能量，以逆離子濃度的方式向細胞外排出Na，而同時將細胞外的K攝入細胞內。據計算，每消耗1個ATP分子可將3個Na泵出細胞而將2個K泵入細胞。

② 協同運輸

一種物質偶聯其他物質一起進行運輸的過程或方式叫協同運輸。它一般是間接利用ATP供能的。這種運輸方式另需要有關的ATP轉運離子以在膜的內外兩側建立離子濃度梯度，由此形成的電化學動力（或貯存的能量）才能使有關物質得以運輸過膜。

動物細胞中，葡萄糖和氨基酸等物質即經過質膜上的鈉泵和載體的協同作用才實現其逆濃度梯度的轉運。這裡，載體蛋白與細胞外的Na、葡萄糖（或氨基酸）等結合后，藉助Na-K泵轉運Na、K時建立的電位梯度，將Na、葡萄糖（或氨基酸）等同時運入細胞。而在細胞內從載體上卸下的Na則又被Na-K泵運出細胞而維持Na的電位梯度。

一般來講，物質運輸方向與離子轉移方向相同的協同運輸為同向協同運輸，反之則為反向協同運輸。

③ 基團轉移

通過對被運輸的物質先進行某種化學變化（如共價修飾），使被運輸物質在細胞內維持較低濃度，以使這種物質得以沿著濃度梯度不斷被從細胞外轉運到細胞內，這種過程或方式即為基團轉移。它最早發現於某些細菌中。例如，細菌中的葡萄糖在其通過膜時，先被磷酸化（一種共價修飾方式）為6-磷酸葡萄糖后才被運入細胞。而磷酸化后的葡萄糖是小能透過細胞膜的，所以6-磷酸葡萄糖得以在細胞內積累。

（3）胞吞作用和胞吐作用

生物膜對大分子化學物是不通透，故大分子物質進出細胞需通過胞吞和胞吐作用來實現。

① 胞吞作用

大分子物質或顆粒被質膜的一小部分內陷而包圍，最後從質膜上脫落，形成含有這些大分子或顆粒的細胞內囊泡的過程，此即胞吞作用。它可分為如下的3種類型。

a．吞噬作用：以大的囊泡內吞較大的固體顆粒（如細菌及細胞碎片等）進入細胞，這個過程即吞噬作用。被吞噬顆粒被吸附於細胞表面，形成叫吞噬泡或噬體的小泡，再與溶酶體相融合而被溶酶體中的水解酶水解。

b．胞飲作用：以小的囊泡形式將胞外的少量液體（含小分子或離子）吞入細胞的過程，即胞飲作用。在這個過程中，會形成叫胞飲水泡或胞飲水體的小泡，它或與溶酶體融合而被溶酶體中的酶降解，或返回質膜原處，或移至另一處質膜，或以貯存形式停留在細胞內。絕大多數細胞都有此作用。

c．由受體介導的內吞作用：當被運輸物質（又叫內吞物）與細胞表面上的特異受體結合后，即引起細胞膜內陷，形成裹有內吞物的囊泡而被運入細胞的過程，此即受體介導的內吞作用。這種作用專一性很強，細胞因此會大量選擇性地攝入相關物質。許多病毒和毒索即由此過程進入動物細胞內。

② 胞吐作用

有些物質在細胞內被一層膜包圍，形成小泡，慢慢移到細胞表面，最後與質膜融合而被排出細胞，此即胞胞吐作用。

真核細胞可以胞吐方式來補充質膜更新有關物質。胞吐能分泌各種分子，一些小分子物質也可經胞吐方式排出細胞。

在生物體的生命活動過程中，細胞內的各部位之間、細胞之間，以及細胞與外界環境之間時刻都有物質、能量和信息的交流，使生命過程得以協調有序地進行，而這是由生物膜實現的。其中，信息交流是最重要的。

細胞的信息傳遞，也叫細胞通信。狹義地講，它指一個細胞發出的信號分子通過介質傳導到另一個細胞併產生相應的效應。而廣義地講，則還應包括細胞與外界環境的信息交流。

生物信息的交流是通過具體的物質來完成的，這些承載有關“信息”的物質即謂之信號（分子），一般都是些化學物質。生物膜控制著信號的發生與傳遞。細胞的化學信號分子的溶解不同，有親脂性和親水性之分，其中多為親水性的。親脂性信號分子的主要代表有類同醇激素和甲狀腺素，它們可穿過細胞質膜進入細胞，與細胞質或細胞核中的相關受體結合形成複合物以調節諸如基因表達等生命活動，親水性信號分子則主要包括神經遞質、生化因子、化學遞質及大多數激素。它們雖不能穿過細胞質膜，但可以與細胞質膜上的有關受體結合以調節細胞內的有關生命活動。生物膜對化學信號分子有選擇性，為了敘述方便，有時將這些化學信號分子統稱為配體，而專一接收信號分子的物質則稱為受體，受體主要是蛋白質。

生物膜在生物體內光能和代謝能的轉化過程中發揮了重要作用。ATP是生物體內重要的能量“通貨”。生物體內代謝過程中產生的能量轉移先以ATP的形式“儲存”起來，待需要時再由ATP釋放出來。植物體內ATP的主要生成方式是通過光合磷酸化和氧化磷酸化過程。光合磷酸化過程發生在葉綠體的類囊體膜上。通過其中的光合色素系統、電子傳遞系統和光合磷酸化偶聯酶系統的作用，使得光反應中吸收的一部分光能轉變為NADPH中的化學能，而另一部分則轉變為貯存在ATP中的化學能。

線粒體是真核細胞中進行生物氧化和能量轉化的主要場所，具體承擔這種作用的就是線粒體的內膜。線粒體的內膜上分佈著電子傳遞鏈體系，使得代謝物上脫下的氫在沿電子傳遞鏈運輸到O2的過程中能釋放出能量，並且這些能量能全部轉變為ATP的化學能。

細菌形成生物被膜是一個動態的過程，主要可分為四個階段：細菌可逆性粘附的定殖階段、不可逆性粘附的集聚階段、生物被膜的成熟階段和細菌的脫落與再定植階段。

細菌可逆性粘附的定殖階段

當浮遊細菌與惰性物體表面或活性實體的表面接觸后，浮遊細菌會粘附到物體表面，啟動在物體表面形成生物被膜。在這個階段，單個附著細胞僅由少量胞外聚合物包裹，還未進入生物被膜的形成過程，很多菌體還可重新進入浮遊狀態，因此這時細菌的粘附是可逆的。

細菌不可逆性粘附的集聚階段

細菌在經過初始的定殖粘附后，一些特定基因的表達開始調整，與形成生物被膜相關的基因被激活，細菌在生長繁殖的同時分泌大量胞外聚合物粘結細菌。在這個階段，細菌對物體表面的粘附更為牢固，是不可逆的。

生物被膜的成熟階段

細菌與物體表面經過不可逆的粘附階段后，生物被膜的形成逐漸進入成熟期。成熟的生物被膜形成高度有組織的結構，由類似蘑菇狀或堆狀的微菌落組成，在這些微菌落之間圍繞著大量通道，可以運送養料、酶、代謝產物和排出廢物等。因此，成熟的生物被膜內部結構被比喻為原始的循環系統。

細菌的脫落與再定殖階段

成熟的生物被膜通過蔓延、部分脫落或釋放出浮遊細等進行擴展，脫落或釋放出來的細菌重新變為浮遊菌，它們又可以在物體表面形成新的生物被膜。

菌膜的培養可分為兩種，一種為靜止培養，一種為動態培養。靜止培養是指在選定的特定吸附材料表面上對細菌進行常規的靜止培養，以使細菌在靜止的環境中粘附於固相介質表面形成菌膜。動態培養可以為細菌提供一個動態的生長環境，在動態環境下觀察細菌在固相介質表面形成菌膜的情況。現在評價菌膜的形成能力，多需要這兩種方法的綜合運用，以便最大限度的模擬細菌形成菌膜的實際生長環境，得到不同生長狀態下菌膜的形成情況。例如，Rieu等用這兩種方法觀察菌膜的形成，就發現靜止條件下菌膜的形成比流式培養條件下要少。另外，還經常要用到活細胞（例如HT-29上皮細胞）來觀察細菌在生物材料上形成菌膜的情況。

1、96孔酶標板結晶紫法

該法用於觀察靜置培養的細菌菌膜，操作簡單、成本低廉，是目前測量菌膜生成量最常用的方法。Djordjevic等對31株單核細胞增生李斯特菌在含有特定培養基的PVC微孔板中進行培養后，用1%的結晶紫染色，然後用乙酸進行脫色，通過測量洗脫結晶紫后脫色液的OD值來直接確定菌膜的形成量。

2、顯微鏡觀察法

用熒光顯微鏡、激光共聚焦掃描顯微鏡、透射及掃描電鏡觀察在氣液交接處或特定材料上由細菌形成的明顯膜狀菌膜的情況的方法。細菌單純的粘附並不等於形成菌膜，只有細菌包被於自身的胞外多糖等物質中的狀態才算具有菌膜的特徵。因此單純依靠96孔酶標板結晶紫法只能鑒定細菌的粘附情況，還需要通過熒光染色等方法來觀察多糖物質等的生成才能判斷菌膜的形成情況。

3、直接觀測法

漂浮的菌膜或薄膜（pellicles），是在培養基的氣液交界面形成的另一種有典型特徵的菌膜。由於缺少固相介質，細菌一開始生長時便會對自身組織有更多地需求，並且由於暴露於空氣中的界面缺少強氣流的衝擊使得形成的菌膜結構更加複雜。此外，結構形態和細胞產胞外基質的能力這兩者之間有明顯的關係，菌落觀察在形態學上的應用也很廣泛。

最近，美國德州農工大學研究人員掌握了一種細胞之間的“交談”方式，不僅能精確控制細菌產出化學產品，也能更有效地控制生物膜的形成和解體。這一發現在醫療、衛生和工業領域都有著巨大的應用價值，尤其使生物反應器技術向前邁進了一大步。研究論文發表在近日的《自然·通訊》網站上。

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最近來自國外的一項研究發現，細菌可以利用一種未知的方式來抵制抗生素對其的傷害，研究者們發現這種細菌可以修飾自身的管家酶（housekeeping enzyme），進而使得自己的管家酶識別作用的抗生素，並且使得抗生素“繳械投降”。這項研究刊登在了新一期的國際著名雜誌PNAS上。

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