生物电化学

生物电化学
bioelectrochemistry
➢1.1 为什么研究生物电化学 ➢1.2 蛋白质和酶的直接电化学 ➢1.3 生物膜 ➢1.4 单细胞水平检测 ➢1.5 仿生电化学释放
参考书： 汪尔康 主编 21世纪的分析化学 科学出版社
1.1 为什么研究生物电化学?
• 生命物质是荷电的微粒或分子，生命活动往往伴 随着电荷的运动，可以认为生命现象也表现为一 种电化学现象。广泛涉及生物体的各种氧化还原 反应的热力学和动力学、生物膜上的电荷和物质 的分离与转移、反应机制、生物催化等。
素、5 羟色胺及其代谢产物
图：玻璃微电极记录骨髓切片上的单一神经元活性
昆虫Leabharlann Baidu角受激后的电化学信号变化
药物电化学控制释放技术
药物电化学控制释放
总结
生物功能的解释 (生物反应与电极反应 的相似性,生物相关物 质的电化学,电子传输 、电子移动）
化学
生命科学 (生物信息的测量 生物传感器 医疗上的应用)
生物膜特有的脂双分子层结构是属 于生命的一种基本结构。用电化学 的理论、方法和技术进行模拟生物 膜功能的研究是认识生命活动的有 效途径，已成为生物电化学研究的 热点.
• 生物膜的“流动镶嵌模型”主要特点
有序性 流动性 不对称性
生物膜的结构是与其功能相一致的。
➢ ２０世纪７０年代中期： 液／液（L/L）界面电化学 最简单的模拟生物膜（一半）
缺陷：只有极少数氧化还原蛋白质可在裸固体电极 上表现出电化学活性。这主要是由于：
✓ 多数蛋白质的电活性基团被深埋在其多肽链的内部,与 电极表面距离较远,很难与电极表面直接交换电子。
✓ 蛋白质在电极表面的取向往往不利于其电活性基团与 电极之间的电子交换。
✓ 某些杂质在电极表面上的吸附或蛋白质本身的吸附变 性可能阻碍它们与电极间的直接电子转移。
如：细胞的代谢作用可以借用电化学中的燃料电
池的氧化和还原过程来模拟
• 生命现象最基本的过程是电荷运动，电化学是生 命科学的最基础的相关学科。交叉学科生物电化 学的创立具有极其重要的基础理论意义和极强的 应用背景。
1.2 蛋白质和酶的直接电化学
一、蛋白质的直接电化学
意义：对于理解和认识蛋白质在生命体内的电子转移 机制和生理作用具有重要意义 ，利用电极探讨氧化还原 蛋白质与底物分子之间的电子传递过程,为制备生物传感 器提供实验基础。
方向：超高灵敏度、 选择性
电学 生物学
解决生命科学、环境 科学、能源科学、医
药学重要问题
生物体系的模型化 （神经模型，光合成
模型离子通道模型， 生物膜模型）
The end
二、促进剂存在下的蛋白质的直接电化学
受蛋白质与电极直接连接方式缺陷的影响， 人们不得不借助于某些具有电化学活性的媒介 体来实现蛋白质与电极之间间接的电化学反 应．
1977年,Hill等将4,4´-联吡啶（一种促进 剂,它本身在所研究的电位范围内是非电活性的） 加入细胞色素c(Cyt,C)的溶液中,在金电极上得 到了细胞色素c准可逆的循环伏安(CV)图．
自此以后,依靠采用促进剂来修饰电极表面, 蛋白质的直接电化学研究取得了很大进展．
酶的分子大、结构复杂 电活性中心不易暴露
酶 促进剂 酶酶
保持生物活性前提下缩短 电活性中心与电极距离
电极
1.3 生物膜
各类细胞器的膜（如内质网膜等）、质膜和核膜在分 子结构上基本相同，它们统称为生物膜。
膜的结构
由脂与蛋白质共同组成
➢分析要求： 高选择、高灵敏、快响应、超小体积。
二、单细胞检测手段 超微电极 ultramicroelectrode
超微直径<100m；活体分析；细胞中物质分析； 材料：铂、金、碳纤维； 形状：微盘、微环、微球、组合等。
1.基本特征
（1）极小的电极半径 （2）双电层充电电流很小 （3）平衡时间断，响应快
2.应用
脑神经组织中多巴胺、儿茶胺的实时监测。
1.5 仿生电化学释放
➢ 生物的神经活动电信号的传导是包含着神 经原之间某种化学物质的化学通讯．利用 电极的化学修饰表面电位（或脉冲）响应 而释放出神经递质就可以构成神经突触活 动的简单模型．
如： 微电极插入动物脑内进行活体伏安法 通常可检测的神经递质有多巴胺、去甲肾上腺
➢ ２０世纪８０年代中期： 双层脂膜（BLM）的电化学研究． BLM：超薄、高电阻、低噪声
➢ ２０世纪９０年代初期： 沉积于固体基质上的新型的支撑磷脂膜（SPM）
1.4 单细胞水平检测
➢为什么要进行单细胞水平检测 单个细胞中的组分分析，是在细胞水平 上了解生化反应的基本要求。
➢单细胞特点： 体积小、组分复杂、含量极微。