生物电化学全解

生物体的电现象
细胞膜结构模式图
生物体的电现象
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。
➢分析要求： 高选择、高灵敏、快响应、超小体积。
生物体的电现象
单细胞检测手段: 超微电极 ultramicroelectrode
液接电位理论
把液接电位的概念应用到一个生物细胞，则得到霍奇金-赫 克斯利(Hodgkin-Huxley)公式：
ln RT
P
K
(C
K
)e
x
P
Na
(CNa
)ex
P
Cl
(C
Cl
)in
C
F
P
K
(CK
)in PNa
(CNa
)in
P
Cl
(C
Cl
)ex
式中： C 为细胞膜电位 PK+、PNa+ 、PCl-分别代表K+、Na+、Cl-通过细胞膜的可
生物电化学
生物电化学
生物电化学的研究领域
1、电化学在生物体中的探索，即用电化学手段研究生物体。 2、电化学在生物体中的应用，这部分不仅只包括生物体内的
反应、生物体的机理和生物体物质的利用，还包括生物体 的模拟。
生物电化学
目前正在开展的研究
➢ 生物体系和生物界面的电位 ➢ 生物分子电化学 ➢ 生物电催化 ➢ 光合作用 ➢ 活组织电化学 ➢ 生物技术中的电化学技术
浓度差导致K+ 从左到右扩散
电场作用阻止 K+从左到右扩 散
两种作用平衡时，在膜的两边
也建立起一个平衡的电位差，
这个电位差就是细胞膜电位。
ln RT
(CK )ex
D
F
(C
K
)in
ex:细胞外 in：细胞内
唐南理论
唐南理论存在的问题：
A）膜两边达到平衡时，意味着过程的终止，包括生命过程。 当细胞中的一切生物过程还在进行时，它决不会处于平 衡状态。
第2章 细胞膜电位
• 道南（Donnon）理论 （唐南理论） • 液接电位理论
第2章 细胞膜电位
研究细胞膜电位存在的困难
➢ 主要是由于实验对象（细胞）太小。 ➢ 细胞是一个生命体，故任何微电极或毛细管导入到细胞
内部，即使没有完全杀死细胞，也在相当程度上破坏了 细胞内原有自然结构。
唐南理论
细胞膜是半 透膜
液体接界电位是指当两个 不同的电解质溶液（浓度或离 子种类不同）接触时，在两个 溶液接界处会产生一个电位差， 这个电位称为液体接界电位。
产生这个电位的原因是不 同离子的扩散速率不同。
H+迁移的速率比Cl-快；
电场作用加速Cl-迁移速率， 降低H+迁移的速率。最后 在某一电位差下，两种离 子的迁移速率相等，此电 位差即为液接电位。
渗透性，其取值为0或1 C为离子浓度（确切说应用活度） ex：细胞外，in：细胞内
液接电位理论
合理性：不仅解释了静止电位，而且解释了作用电位产生的原因。
ln 静止电位：
RT
P
K
(C
K
)ex
C
F
P
K
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(CK
)in
ln 作用电位：
C
RT F
P
K
(C
K
)ex
PNa
( C Na
)ex
P
K
(C
K
)in PNa
内容简介
• 电化学与生物的关系 • 细胞膜电位 • 细胞电化学的研究进展 • 蛋白质的电化学 • 生物相关物质的电化学 • 生物燃料电池 • 电化学生物传感器 • 生物功能与电化学
序
电鳗
序
电鳗发电
序
电鳐
第1章 电化学与生物的关系
• 生物体的电现象 • 生物反应与电化学反应的关系 • 生物电化学
反应时常用的条件类似。
所以进行氧化-还原的酶粒子的反应完全可以认为 是一种有电子迁移过程的电化学反应。
生物电化学
以生物体系的研究及其控制和应用为目 的，并融合了生物学、电化学和化学等多门 学科交叉而形成的一门独立的学科。是在分 子水平上研究生物体系荷电粒子(还可能包 括非荷电粒子)运动过程所产生的电化学现 象的科学。
1 在发电机中发生的过程 2 电化学:即通过氧化-还原反应，可以把化学能
转化为电能
因此这些电现象的本质一定是电化学的，一定可以 用电化学的理论、方法和实验对其进行研究。
生物反应与电化学反应的关系
可以把细胞膜（cell membrane）内酶的反应看作 是固体/液相界面上发生的电极反应。
1）两者均属于非均相反应。 2）无论是细胞膜还是电极表面均带电荷。 3）生物体内反应的pH值、离子强度和温度等条件与电化学
B）无法解释Na+ 的作用。 Na+ 和K+ 具有相同的电荷，应该对
细胞膜电位产生相似的影响效果。
1940年，希匹尔（Heppel）证实，细胞膜对钠离子确实也是 可渗透的，因而道南电位的方程应改为：
ln RT
(CK )ex (CNa )ex
D
F
(CK )in (CNa )in
液接电位理论
( C Na
)in
该理论的不足之处:
有外界刺激时，为何 PNa 增大？ 无法解释。
第3章 细胞电化学的研究进展
• 细胞化学组成的电化学研究 • 细胞生物生理行为的电化学研究 • 细胞分析传感器 • 细胞的电场生化效应及其应用研究 • 展望
细胞电化学的研究进展
生物电化学产生后，相继出现了蛋白质电化学、核酸电化 学、多聚糖电化学、酶电化学、细胞色素电化学等生物大分子 电化学及具有生命意义的小分子电化学
生物体电现象
脑波（EEG） 心电（ECG） 皮肤电反射
（PGP） 筋电（EMG）
频率（Hz）
0.5~60 0.1~200 0.03~10
5~1000
电压（V）
10-6~10-4 10-3
10-4~10-3
10-5~10-2
测定部位
头皮上 四肢和胸部
手掌
体表
生物体的电现象
解释电现象
电压、电流的产生可以有两种途径:
超微直径<100m 材料：铂、金、碳纤维； 形状：微盘、微环、微球、组合等。
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
生物体的电现象
细胞膜电位测量示意图
60-110mV
实验表明：依靠神经细胞膜电 势的变化可传递神经细胞刺激； 肌肉细胞膜电势的变化能引起 肌肉的收缩。人的思维以及通 过视觉、听觉和触觉器官接受 外界刺激的各种感觉，这些过 程均与膜电势的变化有关。
生物体的电现象
生物体的电现象：由细胞膜电势产生的电流称为生物电。 • 刺激青蛙腿部肌肉可产生收缩电流 • 向日葵的向阳运动；含羞草受到冲击叶片闭合，刺激严重甚
至叶柄下垂等 • 心电图 • 脑电图 • 监测骨架肌肉细胞电活性的肌动电流图 • 血液凝固问题 • 龋病即“虫牙”
生物体的电现象
生物体表面测定到的生物体的电现象