化学生物学重点

化学生物学重点

1概论

什么是化学生物学：化学生物学的研究涉及到生物大分子、生物分子作用机制、新一代治疗方法、生物催化和生物转化、组合化学、超分子化学、生物有机和生物无机、生物检测新方法等当代化学和生物学交叉的前沿领域。

化学生物学学科特点：新兴的交叉学科；内涵不断丰富和完善；涉及的面非常广阔

化学生物学的定义:利用化学的方法和手段解决生物学问题。

化学与生物学的第一次融合：19世纪初，人工尿素的合成揭示了生物体的反应同样是遵循物理和化学的规律，化学的理论和方法才开始被全面引进生物学的研究之中，从而诞生了用化学研究生命的边缘科学-可以称为是生命的化学的生物化学。

生物化学一诞生，便与同一时期诞生的用物理学研究生命的生物物理学一道，相互促进，共同发展，以其自身的迅速发展大大推进了生命科学的发展，使人类对生命活动的研究深入到分子水平，从静止的观察与描述发展到动态的定量分析，从生命现象的探索上升到生命本质的阐述。

化学与生物学的第二次融合：在40～50年代或更早从事蛋白质、多肽和核酸的化学家后来组建了生物化学学科，随后随后生物化学、细胞生物学和遗传学交织在一起，成为一个不可分割的整体。特别是DNA结构的发现，标志了一个新的学科领域的诞生-分子生物学。

分子生物学的出现，反映出当代对生命现象以及疾病发生和发展过程的研究达到新的、更高的境地。

世界上各国的生物化学多多少少脱离了化学系或化学社会的主流。

进入20世纪70年代之后，那些没有脱离化学社会的化学家在应用有机化学、分析化学的理论和方法在分子水平上研究生命现象的化学本质形成了生物化学的分支-生物有机化学、生物分析化学。

随后开始有意识地深入探讨生命体的无机化学组成（除碳、氮、氧、氢之外的各种无机元素）与活动状况，又促成了生物化学与无机化学的结合，从而出现了新的边缘学科--生物无机化学。

化学与生物学的第三次融合：进入90年代，一个新的前沿交叉学科领域-化学生物学应运而生，它结合传统的天然产物化学、生物有机化学、生物无机化学、生物化学、药物化学、晶体化学、波谱学和计算机科学等学科的部分研究方法，从而大大拓宽了研究领域。在这方面化学家将充分发挥化学物质的结构和反应性，以及利用反应性创造(合成)新物质的能力。

与此同时，化学家也将学习更多的生物学知识，去熟悉和应用基因表达和蛋白质工程等重要生物技术为研究复杂的超分子体系提供机会，从而促进化学学科本身的发展。

化学生物学的基本任务：运用化学的原理、语言和工具认识生命问题，包括揭示生命运动的化学本质；发展生命调控的化学方法；提供生命研究的化学技术

化学生物学研究的具体方面：利用化学合成的现代技术、化合物分离手段和化学分子结构解析技术获得各种各样的化学物质（包括无机、有机和高分子物质）；化学物质如何与生物大分子、细胞相互作用及分子识别。；化学物质对细胞的调控。；药物化学和新一代疗法。

化学生物学的研究范畴：一是通过对生物机制，特别是对人类疾病发病机制的理解和操控，为医学研究提供严格的证据并使之发展成为有前景的诊断和治疗方法；

二是通过分离的和微型化的模拟手段，理解和探索生物医学科学中的一些特殊现象。

前者比较注重应用前景，而后者对基础研究的贡献极为重要。

目前化学生物学蓬勃发展的原因：理论化学、化学合成的现代技术、化合物分离手段和化学分子结构解析技术日趋完善，特别是选择性合成、手性合成技术和组合化学的实现，人们已能合成自然界发现和鉴定的任何复杂的天然化合物，并且在此基础上能够设计和合成具有特定性能的新颖化合物，化学已具备了研究复杂分子和分子体系的能力。

科学家开始尝试用外源性活性小分子-天然化合物，或以天然化合物为模板设计合成而研制的天然化合物类的新颖分子为探针，去探讨生物体中的分子间相互作用和细胞发育与分化的调控作用及其所包括的分子机制。

化学生物学给生物学科带来的新变化：传统的生物学研究生命过程的途径往往是用基因突变的方法，利用天然存在的变种或无序引入突变或定点突变干扰正常的生命过程，再用对照比较的方法弄清楚这些过程的内在联系和相互关系。

化学与生物学的融合就产生了用化学小分子来干扰生命过程，从而来分析这些变化的新研究途径。化学与生物学的有机结合，同时用化学的和生物学的技术、工具、理论来系统研究生命体系，开创了化学生物学研究的新领域。

化学生物学理论与应用能否取得突破的关键在于：

(i) 用于生物体系中各种生物分子的存在形态、它们间相互作用的分析测试手段与技术分析测试手段与技术是制约化学生物学发展的瓶颈，现在的分析、分离技术仍不能适应复杂的生命体系。

(ii) 各种生物分子(含内、外源性活性小分子和生物大分子)间的作用机制生物分子间的相互作用是生命过程中最基本的问题，对揭示生命过程有重要意义。探索各种生命活性分子(如小分子、核酸、蛋白质分子)间的分子识别与相互作用是深入进行化学生物学研究的当务之急。从生物靶分子出发寻找高亲和性配体分子，是研究活性小分子与靶分子相互作用、分子识别、调控机制以及发现新药物的关键环节。

(iii) 外源性生物活性小分子的筛选理论与制备技术从天然产物或人工合成的化合物中选择到期望的活性小分子有很大困难，尤其是外源性小分子的筛选理论与制备技术有待加强。

化学生物学的应用：被认为可能开发出疗效好而副作用小的新药；从研究生物催化和生物转化中可以开发出新型高效的生物催化剂和生物催化体系；医药和制药工业等领域的技术进步正期待着从其发展中得到新的机会。

2 化学基因组学

遗传学：揭示生物体内的基因变异所引起的功能或形态学的变化。

主要任务是通过基因的变异来研究基因的功能。

正向遗传学(Forward Genetics)：从细胞特定表型出发，最终达到分离相关基因和基因群的目的。

反向遗传学(Reverse Genetics)：从分析某个特定基因出发，以发现该基因在产生突变后所引起的形态学的变化为目的。

化学基因组学：是近年发展起来的由组合化学、细胞分子生物学和遗传学相结合并融合了高通量筛选技术的一门新兴交叉学科。通过小分子对蛋白质的调控来研究基因的功能。

化学基因组学定义和内涵：Chemical genetics 化学遗传学利用作用活性高的、由选择性的化物来研究生物途径的过程；

Chemical genomics 化学基因组学研究处理广大多重靶标的过程，比单独研究一系列不相关的靶标更有效；

Chemogenomics 化学基因组学结合化学基因组学、化学遗传学及信息学工具、针对多重靶标鉴别类药分子。

正向遗传学（从表型到基因/蛋

白）

反向遗传学（从基因/蛋白到表型）

经典遗传学方法促使细胞或集体组织随机突变，

选择有特定表型的基因或个体

研究，确定引起突变的基因选择一个感兴趣的基因，培养该基因变异的细胞或个体，比较变异前后的表型差异确定基因功能

化学基因组学方法将小分字库引入细胞或个体，选

择可导致感兴趣表型变化的分

子，确认结合小分子的蛋白将小分子加入被纯化的目标蛋白，将和蛋白结合的小分子引入细胞或个体，观察表型变化

化学基因组学优势：即时：加入小分子后可马上观察到效果。；可逆：基因敲除和过表达是不可逆过程。；梯度调控：可改变分子的浓度来观测持续的影响。；可操作性：可在细胞和个体的任何时刻引入小分子。

化学基因组学和遗传学面临的挑战：蛋白质和表型并非一一对应关系。；蛋白质功能可被补偿和替代。；多种蛋白质行使同样的功能。；蛋白质表达时期变化。；间接变化引起的表型变化。

化学基因组学的关键技术：

1 化学库的建立

组合合成(Combinatorial Chemistry)

目标导向合成(Target Oriented Synthesis TOS)基于已有目标化合物合成一系列物质。

多样性导向合成(Diversity Oriented SynthesisDOS)

化学库(Chembank)

2 高通量筛选技术：通过合理的筛选模式短时间快速鉴定大量化合物。高效方便的检测方法。

体外生化筛选模型（斑马鱼脊椎动物果蝇线虫拟南芥）

细胞水平筛选模型（哺乳动物细胞酵母葡萄球菌）

胚胎水平筛选模型

3 靶点的鉴定

经典鉴定方法（噬菌体）

微矩阵辅助完成靶点蛋白的鉴定（芯片技术）

酵母杂交系统：DNA结合域BD和转录活化域AD协同作用对小分子和蛋白进行筛选3.组合化学

组合化学：combinatorial chemistry组合化学是一项新型化学技术，利用一系列合成、测试技术，在短时间内合成数目庞大的有机化合物。

组合化学是应生物学家建立起来的高通量筛选技术的需要而产生的。

组合化学合成技术对于从事科研和生产的化学家们从观念上到实践中都造成了冲击。是近年来科学上取得的重要成就之一。

组合化学的概念：组合化学不是单一的一种技术，它包含了一系列技术（有机化学、生物化学、药物化学、数学、物理和计算机），是一门交叉性学科。

以组合化学为基础的策略极为简单，即化学组块的组合，可存在着多种组合排列。

因此化学家不在去寻找把化合物A和B转化为C的条件，而是发现一系列As和Bs转化成大量Cs的最佳条件

组合化学策略：要合成大量的化合物，目前有两种不同的策略可以进行：混合物合成方式和平行合成方式。

混合物合成方式：即在反应体系中多种反应物混合在一起进行反应，得到多种产物如：正丁酸与醇缩合形成酯的反应。

平行合成方式：是指在合成过程中以平行的方式同时合成多种反应产物。每个反应是独立进行的，当每个反应同时独立进行时，即为平行合成方式。

组合化学基本要求：构建模块中的反应物间能顺序成键；构建模块必须是多样性且是可得到的,这样才可能获得一系列供研究的化合物库；模块中反应物进行的反应速度要接近,且反应的转化率和选择性要高；产物的结构和性质有高的多样性,以供研究,从中找出最佳结构；反应条件能调整,操作过程能实现自动化。

固相合成法（高通量合成方法的一种）的优点：可以使用过量的试剂是反应趋于完全；反应结束后，可以通过过滤、洗涤固相介质除去反应物；节省了分离纯化的时间；反应收率高，产物纯度高。

合成方法：1.混合均匀法Mix-SplitDr. árpád Furka于1982年创建。

一珠一物法(one bead,one compound)该方法依赖于在树脂珠上合成化合物，一定数

量的载体被分成相等的几部分，然后各部分独自与不同的起始单体原料反应。反应后，树脂的各部分又重新合并，混匀，再被分成几部分，进一步与一系列试剂反应。

2.茶叶袋法：1985年Richard Houghten发明茶叶袋法teabag。

用具有74mm网眼的聚丙烯网袋（15mmX20mm），里面装满树脂珠，密封好。最初树脂珠上都连有一个保护的氨基酸，然后它被浸在反应物核偶联剂的混合溶剂中，把袋子集中进行脱保护、洗涤、中和及再偶联等步骤。

组合合成的应用：药物、催化剂、高分子试剂、酶抑制剂的合成与筛选；酶催化的组合合4.生物催化和生物转化

非水介质中酶促反应特性：酶在非水介质中由于水分子的减少，相对来说酶分子的构象表现出比水溶液中更具有“刚性”特点。

在适当的条件下，可以改变酶促反应的热力学平衡向有利于合成方向（而不是水解方向）进行。

由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关,因此在非水介质中酶的稳定性可能得到显著提高。

由于溶剂的存在, 水量减少，大大降低了许多需要水参与的副反应。

在非水介质中进行的酶促反应，可以省略产物的萃取分离过程, 提高收率。

脂溶性底物和产物在有机溶剂中的高度溶解性,有利于提高底物浓度总的水平。

在有机溶剂的存在下，一般不存在微生物污染问题。

由于酶不溶于有机溶剂中，所以是一个非均相反应体系。

生物催化的优点：酶是高效催化剂；酶是环境友好的催化剂；酶反应条件温和；酶催化反应有高选择性；酶催化底物多样性；酶催化反应类型繁多

影响酶催化性质的各种因素：水的作用；pH；溶剂对酶催化活力的影响；酶的固定化；酶的修饰；添加物对酶催化反应的影响；生物印迹

酶催化反应的不足：天然酶只能得到一种构型的光学产物；酶常常存在着底物或产物抑制现象，反应转化率低；酶催化反应要求条件稳定，调控范围狭窄；辅因子限制了不少酶的应用；酶在水溶液中活性最高。

酶催化和细胞催化区别：细胞内酶种类多，酶反应通常是单一酶；全细胞反应区域选择和对映体选择性高低不一，纯酶选择性高；全细胞催化不需要辅因子，有些酶催化需要辅因子；全细胞催化催化剂准备容易，酶则较难分离；全细胞反应操作困难，纯酶操作容易；全细胞反应转化率比酶催化低。

生物催化和生物转化的未来：成本和效率（新酶源的开发；新反应的发现；现有催化剂的改造；新细胞的筛选；组合生物催化；生物反应器的设计；溶剂工程）

5.筛选技术

筛选技术：中、低通量筛选；高通量筛选；高内涵筛选；虚拟筛选

高通量筛选High Throughput Screening（5x10四次幂/天）：是组合化学发展的必然，依赖于生物学、生物化学、化学等与组合化学、信息技术、机器人技术、物理学、应用流体学等学科和技术的高效协同作用

系统组成：大量样品；分子、细胞水平的特异体外体内筛选模型；高灵敏度检测系统；自动化操作系统；数据采集、传输和分析系统。

特点：充分利用了化合物资源；微量筛选系统；高度自动化系统；多学科理论和技术的结合检测手段：1 用显色底物直接检测

产物具有不同于初始反应物的颜色；反应物进行衍生化，使其含有生色基团；只是模拟底物，获得结果未必显示真实底物情况。

2 使用偶联反应的pH指示剂

许多反应有酸碱变化；缓冲溶液和pH指示剂的选择很重要；可进行定量和定性分析；可以快速鉴定酶能否与特定底物反应；可测定任意酯的水解；灵敏度稍低1/7；可测定水解酶的底物图谱；可用于酶的选择性筛选。(quick E)

其他检测手段：基于质谱的检测方法（衍生化、同位素标记、多路系统1x105/天）；基于NMR 的检测方法（流通NMR池1.5x103/天）；红外光谱法9x103/天；气相色谱法3x103/天；液相色谱法；毛细管电泳阵列法；圆二色谱法；共振拉曼散射；差热法

Novel trends in high-throughput screening：①The need for miniaturization②The integrated approach toward quantity,quality, and cost efficiency③Traditional and novel targets for lead discovery④Novel processes for lead discovery⑤Merge of HTS-based and FBS-based lead discoverystrategies⑥Setup of open-access HTS laboratories

Current methods and strategies in drug screening：

High-throughput screening

Molecular imaging strategies

Screening the receptorome

Structure-based virtual screening

Nuclear magnetic resonance based screening

对检测方法的普遍要求：筛选实际的转化或相互作用；有力且可靠；定量；灵敏；整体筛选时间

高内涵筛选High Content Screening：在保持细胞结构和功能完整的情况下，多通道、多靶点同时检测被筛选样品对细胞形态、生长、分化、迁移、调亡、代谢途径及信号转导等各个环节的影响，在单一实验中获取大量与基因、蛋白质及其他细胞成分相关的信息，确定其生物活性和潜在毒性。

HCS获取信息以细胞为单位，HTS是以微孔为单位。

系统组成：荧光显微系统；自动化荧光图像获取系统；检测仪器；图像处理分析软件；结果分析和数据处理系统

报告基因、荧光标记、酶学反应、细胞形态变化

应用：药物对细胞毒性作用检测（细胞活力、细胞核形态、膜通透性、细胞密度、运动能力、黏附性、调亡）；药物对细胞增殖的影响；信号转导通路；受体及离子通道检测；细胞耐药性；RNA干扰

虚拟筛选Virtual Screening：实际筛选的盲目性大、效率低；实际筛选的通量不够；实际筛选的消耗高；可以解决一些找不到合适检测模式的筛选。

计算机辅助设计药物

6.酶分子改造

现代生物产业对酶制剂的要求：能具备长期稳定性和活性；能适用于水及非水相环境；能接受不同的底物甚至是自然界不存在的合成底物；能够在特殊环境中合成和拆分制作新药物或药物的原材料

酶的化学修饰：酶的化学修饰是指利用化学手段将某些化学物质或基团结合到酶分子上, 或将酶分子的某部分删除或置换, 改变酶的理化性质, 最终达到改变酶的催化性质的目的。

功能基团的修饰

用表面活性剂对酶进行化学修饰

酶分子内和分子间的交联

酶与高分子化合物结合

用化学衍生法修饰酶

酶分子的改造策略：

合理化设计方案，如化学修饰、定点突变（是建立在已知道目的蛋白质的三维结构的基础之上的，通过理性的分析和计算，选择合理的突变位点，对蛋白质进行改造。）非合理设计方案，如定向进化（不需要知道蛋白的结构，这给科研的工作带来很大的便利。另外它的操作比较简单，使用范围比较广，只要设计可行的筛选策略，和建立足够大的突变库。）

蛋白质的非合理设计：定向进化技术Directed Evolution1993年,美国科学家Arnold F H首先提出酶分子的定向进化的概念，并用于天然酶的改造或构建新的非天然酶。

人为地创造特殊的进化条件，模拟自然进化机制（随机突变、基因重组和自然选择），在体外改造酶基因，并定向筛选（或选择）出所需性质的突变株。

定向进化＝随机突变＋定向选择

易错PCR（error-prone PCR）是指在扩增目的基因的同时引入碱基错配，导致目的基因随机突变。

连续易错PCR (sequential error-prone PCR)策略。即将一次PCR扩增得到的有用突变基因作为下一次PCR扩增的模板，连续反复地进行随机诱变。

杂合酶hybrid enzyme把来自不同酶分子中的结构单元或是整个酶分子进行组合或交换，以产生具有所需性质的优化酶杂合体。

主要应用：改变酶的催化特性；创造具有新活力的酶；研究酶的结构与功能间的关系。

定向进化的筛选策略：酶检测（通过酶促反应的特征；加入底物显色；荧光共振能量转移；同位素标记底物；通过检测底物消耗或产物生成进行终点检测）

信号探测（分光光度计和荧光酶标仪；气相色谱和高效液相色谱；质谱和核磁）

定向进化与自然进化的异同：定向进化的实质是达尔文进化论在分子水平上的延伸和应用。是在体外模拟突变、重组和选择的自然进化，使进化朝着人们需要的方向发展。

两者的不同：

进化动力不同：保守突变非保守取代；

进化速度不同：非常漫长只需几年、甚至几天；

进化目标不同：适应环境超越生物学意义的要求。

8.代谢工程

代谢组学：基因组学－－蛋白质组学－－代谢组学，是基因组的下游产物，也是最终产物，是一些参与生物体新陈代谢、维持生物体正常功能和生长发育的小分子化合物的集合。主要是分子量小于1000的内源小分子。物种不同影响数量差异。微生物（1500），动物（2500），植物（5000～25000）

特点：关注内源化合物;对生物体系中的小分子进行定性和定量;不同化合物的变化显示了疾病、毒性、基因修饰或环境的影响;可用于疾病诊断和药物开发。

优点：易检测，基因和蛋白质表达的微小变化会在代谢物上得到放大；不需要建立全基因测序以及大量表达序列标签的数据库；代谢物的种类和数量远远小于基因和蛋白质的数目；技术通用。

复杂的立体代谢调控网。

酶合成的调节：

单一效应物调节：负调节：调节基因R的产物阻止转录进行。如：大肠杆菌乳糖操纵子；

正调节：R基因的产物在诱导物存在下，成为转录激活剂。如：阿拉伯糖操纵子。两种效应物的共同调节：乳糖操纵子的效应物（如：乳糖）和活化蛋白（如：CRP）的调节。弱化调节：大肠杆菌色氨酸合成操纵子的R、O、P远离S，除阻遏调节外，有此调节方式。

发酵条件的控制：各种发酵条件对微生物的影响（同菌种，同培养基，培养条件不同，可获不同代谢产物（途径不同）。啤酒酵母，用葡萄糖，中性产乙醇，酸性产CO2，碱性产甘油。）使用诱导物（可用底物或底物类似物有效增加诱导酶的产量。）

添加生物合成的前体（加前体，避开受抑制酶，大量合成终产物。）

培养基成分和浓度的控制（速效碳、氮源可能引起分解代谢阻遏。应与迟效碳、氮源适量搭配。)

初级代谢与次级代谢

产物：抗生素、激素、生物碱、维生素、色素、毒素等。

初级代谢：与生物生存有关的，涉及能量产生和能量消耗的代谢类型。

生存必需；始终产；不同种，相同；环境敏感性小；酶专一。

次级代谢：某些生物为避免某种代谢物积累造成不利作用而产生的一类有利生存的代谢。

并非必需，但有一定价值；某一时产；不同种，不同；受环境影响大；酶专一性不强。

代谢工程：利用基因工程技术，扩展和构建、连接，形成新的代谢流。

代谢网络理论：代谢流，将细胞的生化反应以网络整体来考虑，而不是孤立地来考虑。将代谢网络分流处的代谢产物称为节点，对终产物合成起决定作用的少数节点称主节点。根据节点下游分支的可变程度，节点分为柔性、半柔性和刚性三类。

方式：改变代谢途径；扩展代谢途径；转移或构建新的代谢途径

改变代谢途径：改变分支途径流向，阻断其他产物合成，提高目标产物产量。（加速限速反应；改变分支途径流向；构建代谢旁路；改变能量代谢途径）

应用：代谢工程可在细胞与分子水平上认识和改造细胞过程,其不仅在解释细胞生理特性上具有重要的科学意义,而且其潜在的应用跨越了生物技术的全部领域,主要包括:提高目的产物的产量及其对主要原料的转化率；扩大细胞可利用基质（原料）的范围；扩大细胞生物合成的范围；改善工业生产中细胞的形态和生理性能；调整细胞合成、分泌不同代谢产物的产量分布；研究和完善微生物代谢及代谢调节的知识；环境保护方面的应用；酶制剂、微生物多肽制品的进一步开发；用微生物生产动植物异源蛋白；人体和组织代谢工程—人类疾病诊断和基因治疗；生产异源代谢产物；生产非天然的新物质如新型药物。

9.表面等离子共振Surface Plasmon Resonance SPR

影响表面等离子波的因素：介电函数限制（金属和介质）；介质类型(能形成大量自由电子云的导体，金首选，银次之，要求是惰性。);金属膜厚度(膜厚度的选择与金属类型、激发光波长、入射角度有关，金膜通常45nm～60nm);激发光波长;激发光偏振方向

角度共振：在固定波长下改变入射角度借助棱镜耦合激发的等离子共振为角度共振。角度共振是SPR传感的主要方法。峰宽，对膜要求高。

波长共振：在固定角度（大于临界角）下改变入射波长，也能借助棱镜耦合激发等离子共振，称波长共振。易找到共振信号，对膜的要求低。

SPR特点：测定模式多样（可有角度、波长模式，可进行单通道或多通道检测或成像分析,还可以利用衰逝波建立暗背景光共振散射和发射方法。荧光、拉曼、瑞利散射）通用性强（SPR 检测介电常数及其变化，介电常数是物质的普遍特征）选择性高（通过表面修饰，引入各种识别机制，SPR可在复杂组分中探测微量目标）对样品无损（可测未标记分子，适合天然生物分子的研究）可实时分析（响应时间可达毫秒级，可测定在此时间尺度内的识别事件和反应过程）抗脏性（引入识别机制后可检测未纯化样品）可模拟观测（通过修饰改造分析环境，可模拟各种环境，适合体外检测生物生物反应和识别过程）高灵敏度（可检测10－9mol/L 量级的成分，利用酶联放大技术可检测10－15mol/L量级的成分。灵敏度还与介电常数变化幅度有关，目标分子越靠近传感表面，灵敏度越高）具备定量和尺寸分析能力（介电常数与物质的浓度和大小成比例）可微小型化（水平空间分辨力可达10um。）

10.生物传感器

传感器：能感受(或响应)一种信息并变换成可测量信号(一般指电学量)的器件。

生物传感器：生物传感器与其它传感器是检测对象中含生命物质。根据敏感物质不同,生物传感器分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。

分类：根据输出信号产生的方式（生物亲和型、代谢型、催化型）根据生物分子识别元件上的敏感物质（酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器）根据信号转化器（电化学生物传感器、半导体生物传感器）其他（被测对象、大小、功能）分类

特点：高选择性。生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子一识别元件，一般不需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其它试剂。

体积小、可以实现连续在位监测。

响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。

传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。

发展方向：集成化与功能化；提高灵敏度；智能化；从表面向立体发展；采用纳米技术，如荧光量子点，纳米粒子，纳米线路，纳米试管；芯片实验室。

组织电极：以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的生物传感器。

特点：酶处于天然、理想状态，稳定、功效高

寿命一般较长

有些没有了解的反应途径或无条件拟合的体系，可直接用组织代替

组织可直接成膜，便于固定，成本低

组织酶源广

商品化难以实现

微生物传感器特点：适合发酵体系；微生物的菌株价格低，酶有时候较贵；其细胞内酶的活性因细胞增殖而再生,寿命长；适合完成需要辅助因子的复杂连续反应；干扰较酶传感器严重，但恢复活性方便；有些酶目前无法分离。

免疫传感器：免疫分析、抗原、抗体。免疫传分析特点：利用抗原、抗体所具有的高灵敏度、高选择性的结合做为分子识别手段进行分析。

分类：非标记免疫传感器、标记免疫传感器

11.分子相互作用

小分子与核酸相互作用的研究方法：

紫外吸收光谱法：核酸分子中的碱基具有光学活性,在260nm处有吸收。药物小分子与DNA碱基对相互作用后,如果引起吸收强度减小,波长红移,则可认为二者之间为嵌入作用。荧光光谱法：是研究药物分子与核酸相互作用的重要手段,溴化乙锭是常用的探针,并广泛用于抗癌药物的筛选及小分子与DNA 作用的研究。

黏度法：黏度测定是检测药物分子与DNA是否以嵌入方式结合的有效方法。

园二色谱法：是利用不对称分子对左右园偏振光吸收的不同而进行结构分析的方法。一般情况下药物分子嵌入到DNA上,由于它们的不对称性而导致被诱导的园二色光谱出现。

电化学法：通过电极表面杂交反应,选择性识别DNA 片断。

微量热法：在测定过程中不会干扰生物体系的正常代谢活动,对反应体系的光谱性质、电学性质、溶剂性质等。

核磁共振分析法：能直接提供小分子与核酸的键合的详细信息，揭示结合机制和结合位点。液相色谱法,质谱法,拉曼光谱法,红外光谱法,共振光散射光谱,X射线晶体衍射法，电泳等。

小分子与蛋白相互作用的研究方法：

平衡透析和速率透析：依靠半透膜将与蛋白质结合的小分子与游离的小分子分离。方法简单实用，不需要修饰。

定量色谱：液相色谱，亲和、离子交换、分子筛、柱层析色谱。

沉降速率和沉降平衡法：相同离心力、溶剂黏度和密度下，外缘迁移率取决于生物分子和小分子复合物的分子大小和形状。

紫外可见光谱法:最常用，最简便的方法。

表面等离子共振:通过金属膜表面液相光折射率或质量的变化检测分子间作用力。

毛细管电泳:以毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力的新型液相分离分析技术，广泛应用于小分子与生物大分子相互作用的研究。

分子光电技术:高压下获得溶液中大分子特定数据，包括动力学、光谱学和静电参数揭示大分子的结构，灵敏度高。

圆二色谱法:检测分子相互作用于引起的蛋白质二级结构的变化。

荧光法:主要用于研究药物小分子、离子、甚至小肤与蛋白质的相互作用。它利用的是药物与蛋白质相互作用后, 所引起药物自身荧光光谱或蛋白质自身荧光内源荧光光谱以及同步荧光光谱的变化, 如荧光强度和偏振度的改变、新荧光峰的出现等。

停流技术:测定极短时间内小分子与蛋白质相互作用的平衡常数。

质谱:分子量变化。

核磁共振:结构变化和动力学常数及结合常数。

红外光谱:二级结构的变化。

拉曼光谱:二级结构和动力学常数及结合常数。

电子顺磁共振:结构变化和动力学数据。

原子力显微镜:结构变化。

X射线:结构变化，结合过程的构象变化。

等温热量量热法:结合过程热量变化。

差热扫描量热法

分子模拟和理论计算

蛋白质相互作用的研究方法：酵母或细菌双杂交；GST融合表达；串联亲和纯化技术；蛋质芯片；免疫共沉淀技术；化学交联技；噬菌体展示技术；蛋白质印迹；蛋白质片段互补；分子模拟和计算；扫描隧道显微镜；核磁共振；拉曼光谱；表面等离子共振

12.分子影像学

分子影像（molecular imaging）是指通过把分子和细胞生物学探针与现代精密仪器（如SPECT、PET、PET-CT、NMR等）结合，对活体生物或人体内的分子或细胞事件（如细胞内信号传导、血管生成、细胞凋亡和肿瘤生成等）进行实时和非侵入式（无损伤）的成像技术。对于生物学的研究以及疾病的诊断和治疗具有重要意义。

结构成像：针对活体内部的结构（如骨骼形状、脑白质分布等）来成像，给出活体内部结构的图像；一般是静态成像；

功能成像：针对活体内部的功能（如血流速度、葡萄糖代谢等）来成像，给出活体内部功能的图像；一般是动态成像；

在进行功能成像时，通常也要进行结构成像。主要是因为目前功能成像的图像不如结构成像的图像清晰。通常是用结构图像作为功能图像中功能定位的参考。

分子探针：分子影像技术的特点是检测和观察活体内部的某种特定的分子。

在大多数情况下，分子影像技术是选择某一种分子从体外注入到体内，它们在活体内部参与生理活动，并且和体内细胞中的另一种特定的分子相结合。

这种体外注入的分子的作用就是到活体内部参与生理活动，并且探查活体内部某种特定的分子。因此这种注入的分子称为分子探针。

要求：纯度高，不含杂质；对人体无害，没有副作用；具有良好的生理功能，能参与人体正常的生理活动；能够克服人体内部的“生理屏障”，顺利到达靶分子所在的器官；示踪剂、分子探针和靶分子应该紧密结合，不能脱落。

PET（正电子发射成像设备）优点：动态显像，动态采集资料的速度相对较快，（秒级）；高灵敏度；定量分析；非入侵性，血管注射。

Micro PET：动物专用PET；体积小，灵敏度高，便宜。

分子影像在新药研究中的应用：新药筛选；药物代谢动力学，药理学，药效学；基因治疗药物；肿瘤细胞耐药性和转化成分；中药学