近年來發現許多生命振蕩現象和生物膜有關,如神經系統的周期性抑制和亢奮､心臟的周期性跳動等,但有關這類生物膜振蕩的反應機理了解甚少,1983年,Yoshikawa等人報道了穿過液膜的化學振蕩反應,為探索生物膜振蕩的化學本質提供了一條重要的研究途徑.目前已發現一系列的液膜振蕩體系,其中液膜通常是由含表面活性劑的水相和含有機酸的油相構成.但由于所采用的表面活性劑和有機酸均與生命體無關,因此與生物膜振蕩還存在較大差別.本文首次報道由含生物表面活性劑的水相和含氨基酸或多肽的油相構成的液膜化學振蕩,這一發現可建立液膜化學振蕩與生物膜振蕩的聯系,有利于探索生物膜振蕩的化學本質.
1 實驗
液膜化學振蕩實驗裝置如圖1.
實驗時移取5.5mL含氨基酸的硝基苯溶液,置于U形管底部,使U形管垂直置于恒溫槽中,控制溫度為(298±0.1)K,然后,在U形管的二端等速度沿管壁分別加入含表面活性劑和乙醇的水溶液和純水各10mL,保持界面清晰,在二支管中各插入等同的Ag/AgCl復合電極,保持電極離相界面的距離為1.0cm,用離子活度計測定并記錄電勢(E)隨時間(t)的變化曲線觀察振蕩現象.
2 結果和討論
2.1 油水界面振蕩及影響因素
在一定的濃度范圍內,由表面活性劑(如氯代十六烷吡啶HP和十八烷基三甲基氯化銨TC)或生物表面活性劑(如結晶紫CV)的水溶液(內含乙醇)和氨基酸,如白氨酸(Leu)､苯丙氨酸(Phe)､丙氨酸(Ala)､脯氨酸(Pro)､賴氨酸(Lys)､色氨酸(Trp)或線多肽如谷胱甘肽(GCGP)等的硝基苯溶液構成的液膜體系均能產生持續振蕩,但從現性較差,取表面活性劑､氨基酸､乙醇濃度分別為0.0015,0.0010和1.0mol/L,得到典型振蕩波形,如圖2(a)､(b)､(c).增加反應物濃度或反應溫度,可導致振蕩誘導期縮短和振蕩頻率加快.在上述體系中,HP(TC,CV)可被其他陽離子表面活性劑代替,但不能被其他物種(包括陰離子表面活性劑)代替;氨基酸或多肽可被苦氨酸､二硝基苯酚等具有一定強度的有機酸代替,但加入較強酸(如草酸等)或極弱酸(如苯酚等)則觀察不到振蕩.
2.2 振蕩機理分析
實驗發現,油水界面上的電勢變化與界面上表面活性劑的濃度成平行關系,因此穿過液膜的電勢振蕩可歸因于油水界面上表面活性劑單分子層的周期性形成和破壞.一方面體系中表面活性劑自發地由水相向油相擴散,并在油水界面建立排列規則的單分子層;另一方面有機相中的氨基酸根可與界面上表面活性劑中的氨根離子發生化學反應,導致表面活性劑單分子層的破壞.擴散和化學反應過程的相互競爭,使單分子層周期性建立和破壞,構成體系的持續振蕩現象.
以y和x分別表示界面附近表面活性劑和酸根離子的濃度,當y較小時,擴散過程占優勢,此時y→ymax:
dx/dt=a(y-x),dy/dt=b-c(y-x),(1)
當y=ymax,化學反應過程占優勢,單分子層遭破壞,此時y→ymin:
dx/dt=a(y-x)-eyn/(f+yn),dy/dt=b-c(y-x)-gyn/(f+yn),(2)
選擇合適的參數和臨界值(ymax和ymin)及反應物初始濃度,進行數值模擬,得到如圖2(d)的y～t曲線,與實驗觀察到的E～t曲線在定性上基本一致.在開放體系(如生物體系)中,反應物濃度不變,因此可得到圖2(d)的無阻尼振蕩,詳細研究尚在進行之中.
