第七章 生物传感器

1) 高度专一性( specification)，或称特异性。“一种酶，一种底物”
5) 酶在体内的活力常常受多种方式调控，包括基因水平调控，反 馈调节，激素控制，酶原激活等。
6) 酶促反应产生的信息变化有多种形式，如热、光、电、离子化 学等。
四) 酶的分类与命名
1955年,国际酶学委员会(International Commission on Enzymes, Enzyme Commission, EC)成立,解决酶的命名问题. 1964年,EC定了酶分类的标准,按照酶的催化反应类型,将酶分为六大类: 1) 氧化还原酶类(oxidoreductases) A2H + B A+B 2H 包括氧化酶,过氧化物酶,脱氢酶等 2) 转移酶类(transferases):催化某一化学基团从某一分子到另一分子 A B + C A+B C B为被转移的基团,如磷酸基,氨基,酰胺基.包括转氨酶,转甲基酶等 3) 水解酶类(hydrolases):催化水解反应,在底物特定的键上引入水的羟基和氢 A B + H2O AOH+BH 包括肽酶(即蛋白酶,水解肽键),酯酶(水解酯键),糖苷酶(水解糖苷键)等 4) 裂合酶类(lyases):催化C-C, C-O, C-N, 或C=S键裂解或缩合 AB A+B 如脱羧酶,碳酸苷酶
生物体进行新陈代谢的必要条件。
酶具有催化剂的共性： 可以降低生化反应的活化能，使活化分子数大大增加，故少量的酶即可大
大加快反应的速度。
只改变反应速度而不改变反应的平衡点，即酶加速达到平衡而不改变平衡 的位置，它不能催化热力学上不能进行的反应。
酶参加生化反应前后无变化，故可重复使用，因而具有化学放大的功能。
成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。例如，人能通过眼、耳、鼻、
舌、身等感觉器官将外界的光、声、温度及其它各种化学和物理信号转换 成人体内神经系统等信息处理系统能够接收和处理的信号。
生物传感器的出现，是科学家的兴趣和科学技术发展及社会发展需
求多方面双驱动的结果，经过30多年的发展，已经成为一个涉及内容广泛、 多学科介入和交叉、充满创新活力的领域。
F (free energy),单位是 J/mol.
酶的高效催化活性来源于以下几个方面：
1)张变、扭曲效应。进行酶反应时，底物先与酶形成酶-底物复合物，由
于互补不甚精确，从而导致底物产生某种张变、扭曲，使基态底物转变为过 度态构象，降低活化能，加快反应速度。
2)酸碱催化。酶分子中具有各种酸性或碱性氨基酸侧链，酸碱催化通过瞬
第一亚亚类(羟基酯水解),甘油酯水解酶.
五) 酶量表示法
酶活力单位用国际单位(International Unit, IU)表示.一个酶活力单位指在 特定条件下(如25℃,pH及底物等其他条件采用最佳条件),在1min能转化1mol 底物分子的酶量,单位为IU. 酶比活力(specific activity)指1mg酶所具有的酶活力,一般用IU/mg表示.比 活性高,说明酶的纯度高. 酶含量指每克或每毫升酶制剂含有的活力单位数,即IU/g或IU/ml.
换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转化成电信号
类型
酶传感器
Enzyme sensor
Immunosensor Tissue sensor
免疫传感器
组织传感器 分子识别元件 分类法
细胞传感器
Organelle sensor
DNA/RNA sensor
核酸传感器
微生物传感器
Microbial sensor
信号
顺序克隆,当细胞环境中有被分析物存在时,细胞启动子受激启动报告基因的转录,
启动子
转录
翻译
mRNA
报告Fra Baidu bibliotek白
分析物
图 完整细胞或生物体传感过程模式图解
当生物体与特异的分析物接触时,启动子/报告基因复合物被转录
成信使RNA(mRNA), 然后翻译成报告蛋白质,最终形成响应信号
分子识别元件及其生物反应基础
2.2.2 酶的作用机理
一) 降低反应活化能
酶的构象对底物分子显示分子识别能力，可作为一种催化剂，加速反应的 进程，这样的反应称为酶促反应。酶可以使反应至少加速100万倍。酶对应的 加速是通过酶与底物结合形成复合物以降低反应的活化自由能实现的。这种 复合物的形成为反应提供了一条新的途径，它的过度态能量要比没有酶条件
铁卟啉(亚铁血红素，heme)
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，NADH
四）酶的活性中心(active center)
酶的特殊催化能力只局限在它的大分子的一定区域,这个区 域就是酶的活性中心,它往往位于分子表面的凹穴中。
不需要辅酶
活性中心是酶分子中在三维结构上 比较靠近的几个氨基酸残基组成
酶
需要辅酶 辅酶分子或辅酶分子上的某一部分结构 往往就是活性中心的组成部分
生物学反应信息和换能器的选择
生物学反应信息 换能器选择
离子变化 电阻变化、电导变化 质子变化 气体分压变化 热焓变化 光学变化 颜色变化（也属于光学范畴） 质量变化 力变化 震动频率变化？-折射率变化
离子选择性电极 阻抗计，电导仪 场效应晶体管 气敏电极 热敏电阻，热电偶 光纤，光敏管，荧光计 光纤，光敏管 压电晶体管 微悬臂梁 表面等离子共振
二)结构专一性
酶催化的专一性是由酶蛋白分子(尤其是分子中的活性部分)
结构特性决定的
族专一性
对底物的化学键及一端有要求 对底物的化学键有要求
专一性较低
对 底 物 专 一 性 程 度 的 不 同
键专一性
仅对一种物质催化
对底物的化学键及两端有要求
立体专一性
对底物的化学结构和立体有要求
三)酶的辅助因子(co-factor)
生物传感器的原理和特点
待分析物
生 物 敏 感 膜
换
化学量或 物理量变化
能 器
可定量加工 的电信号
生物传感器传感原理 生物敏感膜(biosensitive membrane)又称分子识别元件 (molecular recognition element),是生物传感器的关键元件，
直接决定传感器的功能和质量．
可以电泳，并有一定等电点。
三) 酶的催化性质
酶是生物催化剂，与一般催化剂相比较有如下特点：
2) 催化效率高。以分子比为基础，其催化效率是其他催化剂的 107~1013倍。 3) 酶是蛋白质，遇高温、酸碱容易失活，酶催化一般在温和条件 下进行。 4) 有些酶(如脱氢酶)需要辅酶或辅基，若辅助成分除去，则酶不表 现催化活性。
五)“邻近”效应、“定向”效应
分子印迹生物 传感器
Molecular imprinted biosensor
生物传感器分类
类型
光生物传感器
Optical biosensor Calorimetric biosensor
热生物传感器
声波生物传感器
Acoustic wave biosensor
器件分类法
电导/阻抗生物传感器
Conductive/impedance biosensor Electrochemical biosensor Semiconduct biosensor
活性中心的各基团与附近的其他残基有序的排列,使得这个部位的空间结构恰好适合与 底物分子直接紧密接触,并具有适宜的非极性微环境,以利于基团间发生静电作用.
一般认为活性中心有两个功能部分: 结合域(binding domain):参与同底物结合,决定酶促反应的专一性 催化域(catalytic domain):直接进行催化,决定酶的催化效率
5) 异构酶类(isomerases)使底物分子内发生重排 A A’ 6) 合成酶类(ligases)或称连接酶类,它催化两个分子的连接,并与腺苷三磷酸 (ATP)的裂解偶联,同时产生腺苷单磷酸(AMP)和焦磷酸(PPi) A + B + ATP AB + AMP + Ppi 如氨基酸激活酶类
在每一大类中都有若干亚类,每个亚类可再分成若干亚亚类,每个亚亚类包 括若干种具体的酶,每一种酶在国际系统分类中的位置用特定的四个数字组成 的编号表示.酶学编号(EC number) 由4个数字构成,如脂肪酶(甘油酯水解酶)的 系列编号为“EC 3.1.1.3”,表示第三大酶类(水解酶),第一亚类(水解发生在酯键),
生物传感器
绪论
分析生物技术的一个重要领域便是生物传感器(biosensor),它是一个 典型的多学科交叉产物,结合了生命科学、分析化学、物理学和信息科学 及其相关技术，能够对所需要检测的物质进行快速分析和追踪。 生物的基本特征之一，是能够对外界的各种刺激作出反应。其所以能 够如此，首先是由于生物能感受外界的各类刺激信号，并将这些信号转换
酶需要辅助因子才能行使催化功能.辅助因子包括金属离子和有机化合物,
它们构成酶的辅酶(co-enzyme)或辅基(prosthetic group),与酶蛋白共同组成全酶 (holoenzyme)。脱去辅基的酶蛋白不含有催化活性，称为脱辅基酶蛋白 (apoenzyme)，有时又称为酶原(proenzyme, zymogen). 辅酶与酶蛋白松弛结合，可以通过透析法除去：辅酶A 辅基与酶蛋白牢固结合：金属离子
下相应所需要的能量低的多。
A*
反 应 活 化 能
G2
A
G1
A 初态( initial) A*活化态,过度态 (transition state) G1活化能(energy of activation)
G
B
活化能:在一定温度下,1 mol底物 时间 全部进入活化态所需要的自由能
图2-1 酶对反应活化能的影响 无酶掺入是活化能为G1,酶催化时降为G2, 但反应的自由能变化G保持不变,B为反 应生成产物分子的能量状态
电化学生物传感器
半导体生物传感器
悬臂梁生物传感器
Cantilever biosensor
生物传感器分类
生物体本身就是各种精巧生物传感器的汇集体,其结构的精密程度和完善的
功能都是迄今任何人工传感器所不能比拟的.美国Oak ridge 国家实验室提出感
知化学和生物试剂的生物报告(bioreporter)技术. 其基本原理是将能够产生光学信号或其他信号的报告基因与启动子promoter 然后利用细胞的整套翻译机制译成报告蛋白质,并产生可以检测的信号.
核酸反应 催化抗体 催化核酸 生物反应中伴随着发生的物理量变化
2.2 酶及酶反应
2.2.1 酶反应基本概念 一) 酶的定义
酶(enzyme)是细胞产生的、以蛋白质为主要成分、能加快反应速率、并 且具有催化专一性的生物催化剂。 酶是活细胞产生的一类具有特殊三维空间构象的功能化蛋白质。生物体内 代谢过程中发生的化学反应绝大多数是在酶的催化下进行的，酶的存在是在
生物传感器的分子识别元件 分子识别元件 （生物敏感膜） 酶 全细胞 组织 细胞器 免疫物质 具有生物亲和能力的物质 核酸 模拟酶 生物活性材料 各种酶电极 细菌，真菌，动物，植物的细胞 动物、植物的组织切片 线粒体，叶绿体 抗体，抗原，酶标抗原等 配体，受体 寡聚核苷酸 高分子聚合物
这里所说的膜是采用固定化技术制作的人工膜而不是天然的 生物膜(细胞膜)
2.1 概述
生物传感器的分子识别元件又称敏感元件，主要 指来源于生物体的生物活性物质，包括酶、抗原、抗体 和各种功能蛋白质、核酸、微生物细胞、细胞器、动植 物组织等。当它们用作生物传感器的敏感元件时，都无
一例外地具有对靶分子（待检测对象）特异的识别功能。
本章主要内容
酶反应 微生物反应
免疫学反应
时向反应物提供质子或从反应物中汲取质子，以稳定过渡态，加速反应。 3)亲核、亲电子催化。在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出 电子或汲取电子并作用底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共 价复合物，降低反应自由能，加速反应。 4)多元催化和协同效应。酶分子是一个拥有多种不同侧链基团组成活性中 心的大分子，这些基团在催化过程中根据各自的特点发挥不同的作用。而酶 的催化作用则是一个综合结果，是通过这些侧链基团的协同作用共同完成的。
二) 酶的蛋白质性质
酶都是蛋白质，或者以蛋白质为主要成分。主要证据：
1) 蛋白质是氨基酸组成的，而酶的水解产物都是氨基酸，酶也是
由氨基酸组成的。 2) 酶具有蛋白质所具有的颜色反应。 3) 一切能使蛋白质变性的因素，如热、酸、碱、紫外线等，同样 可以使酶变性失活。
4) 酶同样具有蛋白质所具有的大分子性质，如不能透过半透膜，