生物电化学全解.ppt

《生物电化学全解.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物电化学全解.ppt（118页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、电化学材料与工程,生物电化学 赵力,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,生物体的电现象,细胞膜结构模式图,生物体的电现象,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。,单细胞水平检测,生物体的电现象,超微直径100m 材料：铂、

2、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,单细胞检测手段: 超微电极 ultramicroelectrode,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

3、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,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:,生物体的电现象,1 在发电机中发生的过程,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。,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 反应时常用的条

4、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。,生物反应与电化学反应的关系,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。,生物电化学,生物电化学,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,生物电化学的研究领域,生物电化学,生物体系和生物界面的电位 生物分子电化学

5、 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,目前正在开展的研究,道南（Donnon）理论 （唐南理论） 液接电位理论,第2章 细胞膜电位,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。,研究细胞膜电位存在的困难,第2章 细胞膜电位,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。,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

6、平 衡状态。 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：,唐南理论,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。,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

7、霍奇金-赫克斯利(Hodgkin-Huxley)公式：,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 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。,该理论的不足之处:,有外界刺激时，为何 增大？ 无法解释。,液接电位理论,静止电位：,作用电位：,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,第3章 细胞电化学的研究进展,细胞电化学是生物电化学的一个重要领域，它是以电化学

8、的基本原理和实验方法从整体上对细胞进行分析和表征，研究或模拟研究细胞荷电粒子或电活性粒子能量传递的运动规律及其与细胞功能的关系和对细胞功能的影响。,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,细胞电化学的研究进展,测算细胞内离子浓度的方法：荧光探针、核磁共振、化学分析测定细胞内自由离子活度的较好方法：离子敏感微电极（ISME：ion sensitive micro-electrode）,目前常用的ISME电极有：NH+4、Cl-、Na+、K+、H+、Mg+、 Ca+、HO-3、PO43-等微电极。,

9、以上介绍说明采用电化学方法（微电极技术）可检测细胞内某些物质的含量，从而为了解细胞的功能提供依据。,细胞化学组成的电化学研究,细胞电泳 细胞介电行为 细胞的被动电子伏安行为,细胞生物生理行为的电化学研究,细胞分析传感器 是指检测和评价细胞的生物生理行为的传感器， 也称CAS,CAS的种类：分析细胞代谢产物的CAS、介体燃料电池型传感 器、细胞伏安传感器、细胞形态分析传感器等 。,细胞生长代谢过程中消耗O2，产生NH4+和CO2，使培养液的电导发生明显变化。根据这些变化开发出了对细胞生长代谢进行动态监测的CAS。,基于分析细胞代谢产物的CAS：,细胞分析传感器,细胞生长：电刺激能改变细胞的生长。

10、 细胞膜通透性：外加短时强电脉冲能引起细胞膜形成微孔 （电穿孔），另一方面半透性发生变化，增 加了细胞膜的通透性。 电化学疗法：1983年，Nordenstrom首先报道电化学治疗肿 瘤临床效果，开创了肿瘤的直接电化学疗法。,细胞的电场生化效应及其应用研究,电化学疗法,肿瘤组织细胞比正常组织细胞对周围环境的变化更为敏感。直流电强制性地改变了肿瘤组织的微循环条件，产生一系列电生物化学变化，使癌细胞失去正常生存和增殖的必需条件，从而杀灭癌细胞，达到治疗恶性肿瘤的目的，而对正常组织无明显损坏，此法称电医疗法,电化学疗法,电化学治疗原理 正极释放出质子，H+在电场的作用下迁移、扩散，使pH值下降到1。

11、处于酸性环境，使蛋白沉淀，产后酸性氯化血红蛋白，使组织变黑。负极pH值升至14,使组织碱性化。造成正极脱水，负极水肿，脉管紧缩，循环障碍，使电化区组织内水、电介质、酸、碱以及酶系统发生巨大变化，造成肿瘤组织细胞失去正常的生存条件.,电化学疗法,颜色：10分钟后见溃疡的肿瘤组织由樱红变为无光泽，30分钟开始萎缩，90分钟浅紫，120分钟深紫。肿瘤直径在3cm内者发黑。无破溃的肿瘤60一90分钟见肿瘤表面皮肤萎缩。 局部排气排液：接受电化治疗的所有组织，局部均出现明显的排气液现象。治疗后510分钟开始。负极首先排出淡黄色气泡，随之正极排出少量白色气泡，二者随着时间的推移逐渐增多，60一90分钟达到

12、高峰，溃疡性肿瘤组织还可闻及大量似爆竹样声响，肿瘤组织则逐渐溶解。不管破溃或未破溃的肿瘤组织，均排出大量黑水，随之瘤体缩小。,电化学疗法,治疗方法: 在肿瘤组织与正常组织交界处及其中央，按进针点局麻，然后插入特制的治疗铂电针，根据肿瘤的大小，按1根针能治疗23cm间距肿瘤组织来计算布针格局，确定该病例需用电极针的根数。周围接负极，中央接正极。一般周围246810根，中央1246根不等。为尽量减少损伤皮肤，可采用斜形进针法.,电化学疗法,治疗效果: 近期疗效 远期疗效 完全缓解： 33.2% 一年生存率：89.2% 部分缓解： 42.8% 二年生存率：77.0 稳定： 14.4% 三年生存率：5

13、6.0% 进展： 9.6% 四年生存率：47.0% 缓解: 76.1% 五年生存率：36.0%,分析技术的微型化 与其它分析技术联用,探讨细胞的电极过程及机理 与超导材料、半导体材料科学相结合，研制各种类型细 胞传感器 应用量子力学、非线性动力学、混沌论和系统论等现代 科学理论和方法构建和完善细胞电化学的理论体系,在细 胞层次上探讨生命现象及本质,细胞电化学的发展方向,第4章 蛋白质电化学,对酶反应的电化学理解方法 利用媒体的酶的电极反应 金属蛋白质的电化学 电泳与蛋白质的分离,如果在酶的反应过程中发生消耗或生成物质的电极反应，通过测量和控制这些反应物就可以知道酶的反应进行与否，也就是通过对消

14、耗或生成的物质的测量和控制，来判定酶的反应的状况。,对酶反应的电化学理解方法,蛋白质的直接电化学,蛋白质或从蛋白质中提取的活性中心部分只有与电极接触，才能发生电极反应,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。,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

15、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。,蛋白质的直接电化学,大分子的蛋白质因其活性中心部分不能接近电极，不容易同电极进行电子的交换。,利用媒体的酶的电极反应,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 ,采用一种媒体，可以渗入蛋白质分子，并到达酶的活性中心部分，捕获酶和电子，并把其输送到电极上。把起到输送上述电子作用的分子叫电子迁移媒体或称作电子载体。,利用媒体的酶的电极反应,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的溶液中,在金电

16、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,媒体分子的氧化还原电位； 分子的形状； 亲水性和疏水性； 电荷状态等； 能够接近酶的活性中心、进行电子相互传递。,媒体的选择：,利用媒体的酶的电极反应,酶反应特性的表征 ：,米夏利斯常数和反应速度：,无媒体时：,式中E、S、ES、P各表示酶、基质、酶-基质复合体、生成物,令,所以,利用媒体的酶的电极反应,若SKS，则获得最大的反应速度,当S与KS相等时，,此时基质的浓度称作Michaelis常数，记作KM.。酶的活性的测定即为求 和KM。,利用媒体的酶的电极反应,所以,有媒体时：,相对于基质的酶反应的米夏利斯常数,相对于媒体的酶反应的米夏利斯常数,利用媒体的酶的电极反应,金属蛋白质是指生物体内含有金属离子的蛋白质。,采用功能性电极(functional electrode) 能够很容易地测定电极上快速的电子移