生物信号检测及传感器
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第一节 分子识别元件及其生物 反应基础
一、分子识别元件
• 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）、生物衍生材料以及或生物模拟材料等.
• 生物传感器的分子识别元件的生物反应原理:
• 酶及酶反应
蛇毒阻塞活性位点并限制酶的 行动
通过一种药物毒化乙酰 胆碱酯酶来试图扭转 Alzheimer 病的症状
沙林向丝氨酸转移上一个 甲基磷酸酯基团
(四)、酶生物传感器中几个常用术语
1、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ活性
酶活性即酶促反应速度，指在规定条件下单位时间内底物的减 少量或产物的生成量。
v =-d〔S〕/dt 或 v =d〔P〕/dt。
每单位规定的产物增加量 实际保温时间 实际标本用量（ml）
分光光度法测定的公式：
（A测定 – A对照）·V总·106 每单位规定的保温时间
酶单位/升 = —————————×————————
·L·V标
实际保温时间
3、米-曼氏方程：
Vmax〔S〕
v = —————
〔S〕+ Km
上式中v代表反应速度，Vmax代表最大反应速度，〔S〕代表底物 浓度， Km称为米氏常数。
化酶）
OH
O
OH 邻苯二酚氧化酶
O
2
+ O2
2
+ 2H2O
邻苯二酚
邻苯醌
葡萄糖氧化酶
（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢
A·2H + B
A + B·2H
例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）
COOH
乳酸脱氢酶
H O C H + NAD+
COOH C O + NADH + H+
• 酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。
3．反应条件温和
• 酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围 为20-40C。
• 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。
4.酶活力可调节控制
• 如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活 及激素控制等。
5.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离 子有关。
(二)、酶催化作用特性
1． 高效性
• 酶的催化作用可使反应速度提高106 -1012倍。
• 例如：过氧化氢分解
2H2O2
2H2O + O2
• 用Fe+ 催化，效率为6*10-4 mol/mol.S，而用 过氧化氢酶催化，效率为6*106 mol/mol.S。
• 用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C 条件下可催化2吨淀粉水解。
• 通常将酶的结合部位和催化部位总 称为酶的活性部位或活性中心。
• 结合部位决定酶的专一性. • 催化部位决定酶所催化反应的性质。
3)．调控部位 Regulatory site
• 酶分子中存在着一些可以与 其他分子发生某种程度的结合 的部位，从而引起酶分子空间 构象的变化，对酶起激活或抑 制作用。
底物浓度为〔S〕,产物浓度为〔P〕,时间为t，反应速度为v
注：在实际测定酶促反应速度时，以测定单位时间内产物的 生成量为好。
2、酶活性单位的计算
步骤： 明确测定方法的酶单位定义，按照酶单位定义确定物质 量、体积和时间的单位，
计算公式:
运用公式进行计算。
产物的增加量 每单位规定的保温时间 1000（ml） 酶单位/升 = —————————×——————————×————————
4、米氏常数的定义 （Vmax-v）〔S〕
由米-曼氏方程可以导出：Km
=
———————
v
当v = 1/2Vmax时，Km =〔S〕。因此Km 值为反应速度相当于
Enzymatic reaction。 • 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物
substrate。
1. 酶分子的结构特点
• 1)．结合部位 Binding site
• 酶分子中与底物结合的部位或区域 一般称为结合部位。
• 2)．催化部位 catalytic site
• 酶分子中促使底物发生化学变化的 部位称为催化部位。
人工酶
• 微生物反应
• 免疫学反应
分子模版高分子
molecular imprinting polymers
• 核酸和核酸反应
核酸适配体（aptamers ）
• 催化抗体(抗体酶)
• 催化性核酸
二、酶及酶反应
（一）、什么是酶？ • 酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分
子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts 。 • 绝大多数的酶都是蛋白质。 • 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应
CH3
乳酸
CH3
丙酮酸
乙醇脱氢酶 （ADH)
• 乙醇脱氢酶催化反应时为两分子“机制”。一是锌原子， 它结合乙醇分子上的-OH基并定位。另一个是NAD复合 因子（由烟酸构成），决定催化反应的特异性
2、 水解酶 hydrolase
• 水解酶催化底物的加水分解反应。 • 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 • 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
2．专一性
• 酶的专一性 Specificity，又称为特异性，是 指酶在催化生化反应时对底物的选择性
• 酶的专一性包括 • (1)结构专一性 • 绝对专一性 • 相对专一性 • (2)立体异构专一性 • 光学异构专一性 • 几何异构专一性
酶作用专一性的机制
• 酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有 催化活性的手性中心，这些手性中心对底物 分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反 应可以按单一方向进行。
R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
乙酰胆碱脂酶
• 乙酰胆碱酯酶存在于神经元和肌细胞之间的突 触上
• 作用:将神经递质分子乙酰胆碱降解为乙酸和 胆碱
• 活性中心处在一个深沟中，在沟的基部是一组 由丝氨酸-组氨酸-谷氨酸组成的三氨基酸序列, 其大小正好可使乙酰胆碱掉入其中。
• 乙酰胆碱酯酶是人体中反应最快的酶之一，降 解一个分子约80 微秒。
(三) 生物传感器中经常使用的酶
1、氧化还原酶类（oxido-reductases）
• 催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、脱氢酶类、过 氧化氢酶、过氧化物酶等。 。
• （1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2O2 。
2A·2H+O2
2A+2H2O
• 例：邻苯二酚A氧·2H化+O酶2 （EC 1.A1+0H.2O32.1，邻苯二酚：氧氧
一、分子识别元件
• 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）、生物衍生材料以及或生物模拟材料等.
• 生物传感器的分子识别元件的生物反应原理:
• 酶及酶反应
蛇毒阻塞活性位点并限制酶的 行动
通过一种药物毒化乙酰 胆碱酯酶来试图扭转 Alzheimer 病的症状
沙林向丝氨酸转移上一个 甲基磷酸酯基团
(四)、酶生物传感器中几个常用术语
1、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ活性
酶活性即酶促反应速度，指在规定条件下单位时间内底物的减 少量或产物的生成量。
v =-d〔S〕/dt 或 v =d〔P〕/dt。
每单位规定的产物增加量 实际保温时间 实际标本用量（ml）
分光光度法测定的公式：
（A测定 – A对照）·V总·106 每单位规定的保温时间
酶单位/升 = —————————×————————
·L·V标
实际保温时间
3、米-曼氏方程：
Vmax〔S〕
v = —————
〔S〕+ Km
上式中v代表反应速度，Vmax代表最大反应速度，〔S〕代表底物 浓度， Km称为米氏常数。
化酶）
OH
O
OH 邻苯二酚氧化酶
O
2
+ O2
2
+ 2H2O
邻苯二酚
邻苯醌
葡萄糖氧化酶
（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢
A·2H + B
A + B·2H
例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）
COOH
乳酸脱氢酶
H O C H + NAD+
COOH C O + NADH + H+
• 酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。
3．反应条件温和
• 酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围 为20-40C。
• 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。
4.酶活力可调节控制
• 如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活 及激素控制等。
5.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离 子有关。
(二)、酶催化作用特性
1． 高效性
• 酶的催化作用可使反应速度提高106 -1012倍。
• 例如：过氧化氢分解
2H2O2
2H2O + O2
• 用Fe+ 催化，效率为6*10-4 mol/mol.S，而用 过氧化氢酶催化，效率为6*106 mol/mol.S。
• 用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C 条件下可催化2吨淀粉水解。
• 通常将酶的结合部位和催化部位总 称为酶的活性部位或活性中心。
• 结合部位决定酶的专一性. • 催化部位决定酶所催化反应的性质。
3)．调控部位 Regulatory site
• 酶分子中存在着一些可以与 其他分子发生某种程度的结合 的部位，从而引起酶分子空间 构象的变化，对酶起激活或抑 制作用。
底物浓度为〔S〕,产物浓度为〔P〕,时间为t，反应速度为v
注：在实际测定酶促反应速度时，以测定单位时间内产物的 生成量为好。
2、酶活性单位的计算
步骤： 明确测定方法的酶单位定义，按照酶单位定义确定物质 量、体积和时间的单位，
计算公式:
运用公式进行计算。
产物的增加量 每单位规定的保温时间 1000（ml） 酶单位/升 = —————————×——————————×————————
4、米氏常数的定义 （Vmax-v）〔S〕
由米-曼氏方程可以导出：Km
=
———————
v
当v = 1/2Vmax时，Km =〔S〕。因此Km 值为反应速度相当于
Enzymatic reaction。 • 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物
substrate。
1. 酶分子的结构特点
• 1)．结合部位 Binding site
• 酶分子中与底物结合的部位或区域 一般称为结合部位。
• 2)．催化部位 catalytic site
• 酶分子中促使底物发生化学变化的 部位称为催化部位。
人工酶
• 微生物反应
• 免疫学反应
分子模版高分子
molecular imprinting polymers
• 核酸和核酸反应
核酸适配体（aptamers ）
• 催化抗体(抗体酶)
• 催化性核酸
二、酶及酶反应
（一）、什么是酶？ • 酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分
子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts 。 • 绝大多数的酶都是蛋白质。 • 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应
CH3
乳酸
CH3
丙酮酸
乙醇脱氢酶 （ADH)
• 乙醇脱氢酶催化反应时为两分子“机制”。一是锌原子， 它结合乙醇分子上的-OH基并定位。另一个是NAD复合 因子（由烟酸构成），决定催化反应的特异性
2、 水解酶 hydrolase
• 水解酶催化底物的加水分解反应。 • 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 • 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
2．专一性
• 酶的专一性 Specificity，又称为特异性，是 指酶在催化生化反应时对底物的选择性
• 酶的专一性包括 • (1)结构专一性 • 绝对专一性 • 相对专一性 • (2)立体异构专一性 • 光学异构专一性 • 几何异构专一性
酶作用专一性的机制
• 酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有 催化活性的手性中心，这些手性中心对底物 分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反 应可以按单一方向进行。
R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
乙酰胆碱脂酶
• 乙酰胆碱酯酶存在于神经元和肌细胞之间的突 触上
• 作用:将神经递质分子乙酰胆碱降解为乙酸和 胆碱
• 活性中心处在一个深沟中，在沟的基部是一组 由丝氨酸-组氨酸-谷氨酸组成的三氨基酸序列, 其大小正好可使乙酰胆碱掉入其中。
• 乙酰胆碱酯酶是人体中反应最快的酶之一，降 解一个分子约80 微秒。
(三) 生物传感器中经常使用的酶
1、氧化还原酶类（oxido-reductases）
• 催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、脱氢酶类、过 氧化氢酶、过氧化物酶等。 。
• （1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2O2 。
2A·2H+O2
2A+2H2O
• 例：邻苯二酚A氧·2H化+O酶2 （EC 1.A1+0H.2O32.1，邻苯二酚：氧氧