蛋白质直接电化学的研究分析

蛋白质直接电化学的研究分析

摘要：蛋白质在电极表面具有良好的取向是实现蛋白质，电极之间直接快速电子传递的前提，因此采用适当的方法在电极表面固定蛋白质，是目前蛋白质电化学研究的热点。本文为此具体探讨了蛋白质-纳米、蛋白质膜、蛋白质-双层类脂膜、蛋白质-dna膜、蛋白质-表面活性剂与氧化还原蛋白质修饰电极的研究现状。

关键词：蛋白质直接电化学修饰电极脂膜氧化还原蛋白质

蛋白质直接电化学是生物化学的主要组成部分，其主要是通过在电极界面对蛋白质定向组装、层层吸附、共价键合、分子包埋、聚合掺杂等技术手段，获得蛋白质直接或间接的电化学响应，从而完成相关的生物学乃至其他方面的功能[1]。同时可通过酶催化及电化学催化所获得的信号，以及在电极界面或测试体系引入的信号标记物，并采用一些信号放大策略，在生物传感与通讯中获得很好的效果。本文为此具体探讨了蛋白质直接电化学的总体研究进展。现报告如下。

一、蛋白质-纳米修饰电极

当前碳纳米管直径在5-50nm，由于具有特殊的机械性能和电性质已成为一种广为重视的新材料。纳米粒子hrp固定于金纳米粒子表面，制得hrp.au胶粒修饰电极，不需媒介体便能催化还原h202，说明金微粒与hrp作用，缩短了酶活性中心与电极表面的距离，实现了直接电子传递过程。用纳米憎水au颗粒、亲水au颗粒、憎水si02颗粒以及au和si02颗粒混合与聚乙烯醇缩丁醛（pvb）构成

复合固定酶膜基质，用溶胶-凝胶法固定god制备纳米增强型葡萄糖传感器。实验表明，纳米颗粒可以大幅度提高固定化酶的催化活性，认为是通过au颗粒的作用，葡萄糖氧化酶的辅基fad与铂电极间直接进行电子传递。而纳米ti02膜电极不仅具有生物亲和性和相容性，而且能加快氧化还原蛋白质的电子传递速度。而利用hb/ti02电极的光电特性，可研究蛋白质光氧化还原现象，检测水溶液中微量的一氧化碳。在磁性纳米粒子表面修饰媒介体，可作为酶与电极之间电子传递的开关，制备由磁场控制的生物电化学传感器。

二、蛋白质膜修饰电极

蛋白质膜伏安法（pfv）具有许多优点：蛋白质膜电极的制备简单，需用蛋白质的量较小；克服了溶液体系中蛋白质的扩散系数较小的限制；能使用快速扫描伏安法研究电子传递过程；通过电化学数据分析可获得丰富的生物化学信息。

在制备中，经过抛光的棱面裂解石墨电极表面产生较多的亲水含氧基团。在低温、低离子强度和共吸附剂）的存在下，通过静电吸附作用，在电极表面形成一层蛋白质膜。共吸附剂在荷电的蛋白质和电极之间起着促进电子传递的作用。蛋白质中的铁-硫簇是电子传递中心，但铁-硫簇缺乏特征光谱，难以实时监测氧化还原过程中铁-硫簇组成和结构的变化。

三、蛋白质-双层类脂膜修饰电极

双层类脂膜在结构上与天然生物膜相似，能将生物分子嵌入其中

同时保持其生物活性。利用各种固相载体支撑的自组装双层类脂膜或混合层类脂膜的高度有序且稳定性良好的特点，作为仿生膜，可以模拟氧化还原蛋白质生物代谢过程的特性。将cyt-c氧化酶固定在双层类脂膜中，与金电极之间直接传递电子，且能氧化溶液中的cyt-c；将hrp固定于盐桥支撑的双层类脂膜中，实现了直接电化学反应及对h202的催化还原。

四、蛋白质-dna膜修饰电极

dna和氧化还原蛋白质同存在于线粒体内，研究氧化还原蛋白质与dna的作用，对理解生物呼吸链能量转换具有极其重要的意义。dna在金电极和碳电极表面能形成稳定的薄膜，可用于基因杂交指示剂的选择和dna损伤检测。有学者采用逐层组装的方法，将dna-mb 和dna-cyt p450固定在电极表面，得到fe（iii）/fe（ii）电对的可逆电化学反应，应用于环境污染物的检测与转化。用dna固定hrp于石墨电极表面，加快了hrp与电极的直接电子传递速度，用于h202的检测。表面活性剂膜、双层类脂膜和dna膜具有独特的类生物结构和生物相容性，为电化学模拟氧化还原蛋白质的生物功能创造了条件。寻找适当的载体和基体电极以形成稳定的蛋白质膜层应该是今后努力的方向。而当前的自组装单层膜固定蛋白质技术的主要优点有易制作，性能稳定，有统一的固定化界面；能阻止生物物质与电极表面的直接接触，防止其失活；可以避免电极表面的沾污对分析测定的影响；末端基团可以根据需要裁剪、组合，为修饰电极功能的多样化、检测灵敏度和选择性的提高、活性基团的再

生等提供可能。自组装单层膜固定蛋白质技术的种类繁多，其中含硫化合物如硫醇、巯基化合物在金表面的sam非常成熟，是最有代表性和研究最多的体系。

五、蛋白质-表面活性剂修饰电极

近年来，模拟生物膜修饰电极的出现为蛋白质的直接电化学研究开辟了一个新的方向。从仿生的角度看，如果使蛋白质处于制备蛋白质-表面活性剂修饰电极有两种方法：在电极表面蘸涂含表面活性剂的氯仿溶液，氯仿挥发后，形成表面活性剂膜电极，该电极可从溶液中吸附蛋白质；将蛋白质与表面活性剂的微囊分散混合，取混合液蘸涂到电极表面，自然晾干。基体电极以棱面裂解石墨、金、铂电极为佳，而膜在掺锡氧化铟和银电极上的稳定性较差。在表面活性剂膜中，蛋白质保持着原始构象不变，与电极之间的电子传递速度大大加快。蛋白质-表面活性剂复合膜易于制备，且十分稳定，是研究蛋白质与电极之间电子传递和催化机理的一种较通用的方法，但仅限于一些小分子蛋白质，进一步的研究仍在进行中。当前的hiv-1型蛋白酶的电化学检测方法是利用自己合成的二茂铁-抑肽素加合物为探针构建了基于印刷电极的传感器，成功实现了

hiv-1型蛋白酶的快速、方便的电化学检测。

六、氧化还原蛋白质修饰电极

对于大多数蛋白质而言，由于电化学活性中心深埋于非导电性的肽链结构中，电子隧道距离相当大，因而电子转移速率常数非常小，在通常条件下，难以观察到蛋白质与电极之间的直接电子转移。，

氧化还原蛋白质结构复杂且各向异性，它们的活性中心并不正好位于蛋白的中心，而且蛋白质分子表面电荷分布不均匀。在生物体系中，一些氧化还原蛋白质之间具有较大的电子传递速度，这归功于围绕电子传递活性中心的氢基酸残基的作用，这些氨基酸残基能够调节蛋白质的相对位置，使蛋白质的氧化还原中心之间的距离尽可能地缩短，从而提高电子传递速率。

在具体的应用中，有学者提出了纳米粒子强化的生物分子荧光偏振探针设计技术并成功应用于重金属离子污染监测和快速高灵敏监测蛋白酶活性和动力学特征。同时还提出了采用氧化石墨烯和荧光标记的单链dna探针自组装成一种新颖通用的分子信标，用以在均相溶液中实现对dna序列、蛋白质、金属离子和小分子的特异性识别和检测。

总之，蛋白质直接电化学研究的重点集中在寻找实现蛋白质与电极之间电子传递的有效方法，在理论和实际应用上都具有重要意义。

参考文献

[1] 钟庆东，李永光，卓顺智，等.纳米氧化物材料研究的现状及进展[j].上海电力学院学报，2003年01期.

[2] 姜灵彦，刘传银，蒋丽萍，等.纳米材料修饰电极及其在电分析化学中的应用[j].化学研究与应用，2004年05期.

[3] 鲜跃仲，徐继明，陆嘉星，等.pvp/pd/iro_2/nafion修饰微电极用于成纤维细胞中一氧化氮释放的研究[j].化学学报，2002年