【转帖】生命化学领域的电化学研究进展

2生物分子的电化学研究　
　　　对生物分子的电化学研究主要涉及对ＤＮＡ、氧化还原蛋白、ＲＮＡ、多糖等生物大分子,以及氨基酸、生物碱、辅酶、糖类等生物小分子的研究,其中ＤＮＡ和氧化还原蛋白的电化学研究尤其受到关注。
2.1 ＤＮＡ的电化学研究
　　脱氧核糖核酸作为所有生物的基本遗传物质,电化学方法在对其结构、形态分析和碱基序列确定,以及ＤＮＡ的损伤和基因诊断等研究领域都具有自身优势,同时也可为ＤＮＡ与其它各类金属离子、金属螯合物、小分子物质等相互作用的机理研究提供依据,并在临床诊断上起着重要作用。
　　早期的工作主要是对ＤＮＡ基本电化学行为的研究,所用的电化学技术包括各种极谱、伏安方法、电位法、阻抗法和电化学发光法(ＥＣＬ)等。其中,Ｆｏｊｉｔａ等报道应用吸附溶出转移伏安分析对超螺旋ＤＮＡ的分析,具有很高的灵敏度;由于电位分析灵敏度较伏安法高出许多,有着广泛的应用。Ｂａｒｄｅａ等应用电化学阻抗技术研究了寡聚核苷酸与ＤＮＡ的相互作用。冶保献等采用ＣＶ和ＤＰＶ技术研究了有机小分子硫堇与ＤＮＡ的相互作用。赵广超等研究了咪唑铜配合物诱导ＤＮＡ断裂的新方法。
　　ＤＮＡ的碱基能发生电化学氧化还原反应,对其在各种电极表面的吸附行为和电化学氧化还原行为的研究是另一个热点。吴金添等利用循环伏安、微分脉冲和交流伏安法研究了ＤＮＡ在汞膜电极上的电化学行为;周剑章等应用微分脉冲伏安法研究了在高序热解石墨电极和玻碳电极上ＤＮＡ的氧化和吸附行为。此外,目前对ＤＮＡ在电极上的固定化和ＤＮＡ的电化学标记等的研究无疑对发展新一代ＤＮＡ传感器具有重要意义。ＣｕｎｗａｎｇＧｅ等对金电极上ＤＮＡ的固定化做了研究,控制固定化电位对控制ＤＮＡ的自组装具有重要意义。
2.2 氧化还原蛋白的电化学研究
　　氧化还原蛋白在生命的代谢过程中起着重要作用,采用电极/溶液界面模拟生物膜可用于研究蛋白质在体内的作用机制。近期,罗瑾等采用循环伏安、交流阻抗和电位阶跃等方法研究了细胞色素Ｃ在金电极上的准可逆反应,并结合光谱学方法研究了其吸附行为和反应动力学。郑军伟等应用电化学方法对细胞色素Ｃ及其变体Ｆ82Ｈ的氧化还原性质做了研究。在电极表面导入各种功能分子,有的可以改善蛋白质与电极间的界面相容性;有的可以催化蛋白质的反应,起到媒介体的作用,如:各种吩嗪、吩噻嗪等类有机染料。陈挺等采用染料修饰电极来研究氧化还原蛋白的热力学和动力学性质。Ｒｕｚｇａｓ等用不同的固定法固定微过氧化物酶—11,研究了酶固定对电子传递的影响。ＬｉＪ等用碳二亚胺耦合剂将细胞色素Ｃ氧化酶固定在3-巯基丙酸自组装膜修饰的金电极表面,对所得可逆电化学反应进行了研究。采用电化学技术和方法对酶分子进行人工改造,设计和构造有利于电子传递的新的蛋白质体系,是氧化还原蛋白电化学研究的重要方面。Ｓａｄｅｇｈｉ等用黄素蛋白作为电子传递蛋白模块,Ｃｙｔｃ555和ＣｙｔＰ450ｃａｍ作为催化蛋白模块,使两种蛋白质融合,可以有效加速与电极间的电子传递速度。刘慧宏等对近期氧化还原蛋白的电化学研究工作做了总结,并对其前景进行了展望。
　　近期,对氧化还原蛋白质的电子传递机理的深入研究仍然是一个重要的方向。此外,值得重视的方向有:通过基因工程、蛋白质工程和蛋白质化学修饰等技术和手段,合成新的酶,寻找新的酶促体系;发掘酶的催化活性,提高酶促反应效率;人工合成酶的研究和非蛋白质结构电催化剂的研究;新的化学修饰电极促进剂的研究和应用等。
2.3 其它生物分子的电化学研究
　　核酸作为一种具有重要生物功能的复杂生物大分子,应用电化学方法并结合近几年发展的新技术对其研究,包括ＮＡ的痕量分析和结构研究、ＮＡ对其它小分子和特定蛋白质的识别和相互作用、ＮＡ修饰电极和传感器的研究等方面。根据ＥｍｉｌＰａｌｅＥｅｋ[46]的报道,ＳＶ尤其是ＡｄＴＳＶ技术的出现,大大提高了电化学分析ＮＡ的灵敏度,为ＮＡ的电化学研究开辟了新的领域。其中ＮＡ修饰电极的研究是一个热点,主要是核酸修饰电极的制备及其在诸多领域中的应用。Ｈｏｇａｎ等对ＮＡ杂交探针进行了研究,可以在合适的条件下设定ＮＡ杂交和不杂交的区域。
　　对ＲＮＡ与电极电子传递的研究和ＲＮＡ的固定化方面都有很多报道。在细胞色素模拟体系的研究中,卟啉及其金属配合物的研究比较多。基于酶传感器不能响应的氨基酸和一些蛋白质的电化学生物传感器,具有很多适合广泛应用的优点。对氨基酸等小分子的电化学研究,也是生物传感器的基础。文献报道一种氨基酸味觉接受器的研究,有着一般氨基酸传感器没有的优点,同时也为一些相关的生物小分子的研究提供了有用的参考。
　　对一些生物小分子的电化学研究,可以为ＤＮＡ的研究提供参考。研究生物小分子腺嘌呤与金属配合物的相互作用,以期确定ＤＮＡ与金属配合物的相互作用方式。研究嘌呤分子在不同电极包括石墨电极、玻碳电极、铂电极及汞电极上的电化学特性,并研究这些小分子与金属离子的相互作用,都具有重要的意义。赵广超等则研究了次黄嘌呤在银电极上的电化学行为。

3生物膜的电化学研究　
　　　生物体系中的许多过程发生在生物膜上,生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差,生物体系中有关能量的传递以及其它一些过程多与生物膜上的电子转移和氧化、还原过程有关;生物膜的组成、结构、功能的复杂性,在原位进行现场的观测和研究是十分困难的,制备其模拟体系是进行各种研究的基础和前提,这使得生物膜和模拟生物膜的电化学研究受到人们的广泛关注。起初是用循环伏安法和阶跃法研究电子的传递;后来结合交流阻抗等技术用于研究电子跨膜传递、膜电阻和膜电容以及修饰膜生物分子的电化学行为等的研究。
3.1 生物膜
　　生物膜是生物机体研究中一个极为广泛的领域, 膜现象几乎完全控制着离子、中性分子等在活细胞内、外的运输,离子运输形成的跨膜电位差反过来又可以调节物质运输。细胞膜电位差的存在导致细胞与外界(特殊分子)形成微电流环路,使细胞内外的信息得以交流,从而调节细胞功能。所以膜电位相当于细胞工作的一个天然电源,为信号的传导提供电子,是细胞内信息能量活动的源泉。
　　近期对生物膜的研究主要集中在对膜反应和膜电位的研究等方面,并在对生物膜的渗透性机理及其应用的研究中取得了较大的进展。文献报道了跨膜蛋白质对穿过液膜的小分子渗透性的影响。对于生物膜的电化学扩散两种基本模型的研究,也已有文献报道。对跨膜电位机理的研究以及各种传质对跨膜电位的影响的研究都是目前进行的工作。Ａｒｂｅｎ等以两种传统传感器为例,研究了新的固化生物合成膜技术,以其它固化膜不可比拟的优势,对传感器的发展有重要影响。
3.2 生物模拟膜的研究状况
　　ＬＢ膜和ＢＬＭ膜是人们研究生物膜结构和功能机制常用的模型体系。Ｍｕｌｌｅｒ等成功地在两个水溶液之间形成人工自组装平板双层类脂膜(ＢＬＭ)后,广泛作为研究模型。ＢＬＭ膜与天然生物膜最为接近,但是两个分隔的水相之间所形成的双层脂膜极不稳定,为了提高它的稳定性,人们进行了许多新的尝试,创造了固体支撑的自组装双层类脂膜 (Ｓ—ＢＬＭ)、及固体支撑的混合双层膜(ＨＢＭ)。
　　自组装双层类脂膜(Ｓ—ＢＬＭ)既能保持双层脂膜的自组装、超薄(6～10ｎｍ)、易于形成等优点,又具有较好的稳定性,应用电化学手段,可以获取有关电子跨膜传递的重要信息。但是,制备Ｓ—ＢＬＭ难以保证基底的更新与平整。稍后发展起来的ＳＡＭｓ膜(自组装单分子层),是基于长链有机分子在基底材料表面的强烈化学结合和有机链间相互作用自发吸附在固—液或气—固界面,形成热力学稳定、能量最低的有序膜。ＳＡＭｓ膜克服了一些传统缺陷,稳定性好并且容易制备。由于自身的特点成为研究界面各种复杂现象的理想模型体系。其中硫醇类化合物在金电极表面形成的ＳＡＭｓ膜是最典型和研究最多的体系。研究ＳＡＭｓ膜与生物分子的相互作用,对仿生研究具有重要意义。
　　ＳＡＭ膜在酶的固定化和生物传感器的发展中都有重要的应用。固体支撑的混合双层膜(ＨＢＭ)是随着ＳＡＭｓ膜的研究的不断深入而发展起来的,ＨＢＭ结合了ＳＡＭｓ的优点,在结构上与天然生物膜相似,可望进一步发展成为新型的传感器和生物催化器件。目前对于嵌有电活性物质的混合双层膜的研究也有报道。将不同的电子媒介体嵌入膜中,研究其电子传递的机理有广泛的应用前景。此外,对于固—液(金属—溶液)界面的模拟生物膜的研究,可以在很多方面为生物分子的生物过程提供有用的信息。研究蛋白质在裸电极、功能修饰电极上自由向电极扩散等过程的机理,对于系统研究以金属为支持的生物膜模型,具有非常重要的意义。
4结束语　
　　　随着生命科学特别是分子生物学和临床医学的发展,其研究不仅已从宏观描述进入分子水平,而且开始了对生命起源、癌症成因、遗传突变、药理机制衰老过程等的研究,有关生物分子的检测与分子间作用机制的研究也就愈显重要。电化学作为重要的实验手段,结合其自身的优点,尤其基于近期在光谱电化学等方面的研究进展,可以预计,电化学方法不仅在上面提到的几个方面的应用将得到加强,而且电化学方法对于研究生物体系或模拟某些生物过程中发生的重要生化反应,揭示生物体内的物质代谢和能量转换,发展高灵敏度和高选择性的生化分析方法和生物分子器件等都将有很大的应用前景。

我也喜欢这个方向的研究，太牛了。

我喜欢 生物电化学这个方向,觉得它很有前途!

一直想搞本“电生理学基础”，一直没搞到，搞到这本书，有哪位老仙帮忙给一本阿？！

可以把它做成课件

顶, 好资料! 希望能有机会形成一个专集出现.

thanks to share it with us.