生物电化学简介
第13卷 第2期1998年4月
生物电化学简介
卢基林 庞代文
(湖南常德高等专科学校 415003) (武汉大学化学系 湖北430072)
摘要 简单介绍了生物电化学研究领域的概况。包括:生物膜与生物界面模拟研究(SAM膜
模拟生物膜的电化学、液/液界面模拟生物膜的电化学),用于生命科学的电化学技术(电脉冲基因
直接导入、电场加速作物生长、癌症的电化学疗法、电化学控制药物释放、在体研究的电化学方法、
生物分子的电化学行为)和电化学生物传感器(酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传
感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器)。
人类在认识自然、改造自然的社会实践中创立了各门自然科学。随着认识的不断深入,以
及深层次解决实际问题的需要,对许多基本问题必须作深入细致的研究。因此,自然科学的各
门学科逐渐分化出许多分支学科。特别是进入20世纪以来,分化的速度愈来愈快。各门一级
学科已分化出众多的二级、三级、甚至四级、五级学科等等。但是,由于实际要解决的许多问题
非常复杂,所涉及的知识又是高度综合性的,如神经细胞跨膜释放神经传递物质的研究,就涉
及生物学、化学、物理学、信息科学等多学科的知识,这样,便出现了高度分化的相对狭窄的学
科难以解决高度复杂的实际问题的矛盾。从学科自身的发展来看,相对狭窄的研究领域,如不
借鉴、利用相关学科的最新研究成果,则很难有大的突破,并可能最终致使学科发展无路可走。
因此,无论是从学科自身的发展,还是从实际需要来看,都迫切需要多学科之间相互交叉、相互
渗透。深层次交叉的结果是在多学科的界面上通过学科间的/碰撞0而生长出新型的/交叉学
科0,或称/边缘学科0。生物电化学便是本世纪70年代由电生物学、生物物理学、生物化学以
及电化学等多门学科交叉形成的一门独立的学科[1]。
电化学与生物电现象
电化学是研究电子导体(或半导体材料)/离子导体(一般为电解质溶液)和离子导体/离子
导体的界面结构、界面现象及其变化过程与机理的科学[2]。
生命现象最基本的过程是电荷运动。生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差。
人和动物的代谢作用以及各种生理现象,处处都有电流和电势的变化产生。人或其它动物的
肌肉运动、大脑的信息传递以及细胞膜的结构与功能机制等无不涉及电化学过程的作用[2]。
显然,电化学是生命科学的最基础的相关学科。细胞的代谢作用可以借用电化学中的燃料电
池的氧化和还原过程来模拟;生物电池是利用电化学方法模拟细胞功能;人造器官植入人体导
致血栓与血液和植入器
官之间的界面电势差这一基本电化学问题密切相关;心电图、脑电图等
则是利用电化学方法模拟生物体内器官的生理规律及其变化过程的实际应用。由以上几个基
30本例子可见,交叉学科生物电化学的创立具有极其重要的基础理论意义和极强的应用背景。
生物电化学
由于近20年来生物电化学的发展非常迅速,所涉及的范围很广,要想系统全面地对生物
电化学的研究领域进行归纳分类是一件很难的事情。下面仅就其研究领域进行简单介绍。
1. 生物膜与生物界面模拟研究
(1) SAM膜模拟生物膜的电化学研究
由于生物电的起因可归结为细胞膜内外两侧的电势差,因此生物膜或模拟生物膜的电化
学研究受到人们的广泛关注。LB(Langmuir-Blodgett)膜和BLM(Bilayer Lipid Membrane,双层
磷脂膜)是人们了解生物膜结构与功能机制的常用模型体系。但由于LB膜是亚稳态结构,稳
定性不好,且LB膜中分子的取向是基于亲水疏水作用而限制了对LB膜外表面性质的选择
控制,因此使其电化学研究受到限制。BLM的稳定性也不太好,难以承受高的电场强度。因
此在80年代初,迅速发展起来的自组装单分子层(Sel-f Assembled Monolayer, SAM)技术成为
膜电化学研究的热点领域之一。
SAM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分子链间相互作用自
发吸附在固/液或气/固界面,形成的热力学稳定、能量最低的有序膜[3]。组成单分子层的分
子定向、有序紧密排列,且单层的结构和性质可以通过改变分子的头基、尾基以及链的类型和
长度来控制调节。因此, SAM成为研究界面各种复杂现象,如膜的渗透性、摩擦、磨损、湿润、
粘结、腐蚀、生物发酵、表面电荷分布以及电子转移理论的理想模型体系。有关SAM的电化
学主要是用电化学方法研究SAM的绝对覆盖量、缺陷分布、厚度、离子通透性、表面电势分
布、电子转移等。利用SAM可研究溶液中氧化还原物种与电极间的跨膜(跨SAM)电子转移,
以及电活性SAM本身与电极间的电子转移。在膜电化学中,硫醇类化合物在金电极表面形
成的SAM是最典型的和研究最多的体系。下面主要介绍与生物电化学有关的SAM研究。
长链硫醇在金电极上形成的SAM这种人工自组装体系对仿生研究有重要意义,因为它
在分子尺寸、组织模型和膜的自然形成三方面很类似于天然的生物双层膜[4],同时它具有分
子识别功能和选择性响应,且稳定性高。可用SAM表面分子的选择性来研究蛋白质的吸附
作用;以烷基硫醇化合物在金上的SAM膜为基体研究氧化还原蛋白质中电子的长程和界面
转移机制。如细胞色素c(Cyt c)在X-羧基烷基硫醇化合物修饰金电极(SAM/Au)上的电子
转
移动力学和电子传递机理的研究,得到Cyt c的表面式电势为+215 mV(vs.NHE),接近于其
在生理膜上的电势值。SAM在酶的固定化及其生物电化学研究中也有很好的应用, Kinnear
等利用SAM研究了大肠杆菌延胡索酸还原酶的电化学, Porter和Murray分别报道了卟啉衍
生物SAM对氧还原过程的电催化作用,董献堆[3]研究了葡萄糖氧化酶在SAM上的固定化及
其催化行为,并研究了DNA与SAM间的相互作用。
在硫醇SAM上沉积磷脂可较容易地构造双层磷脂膜。以SAM来模拟双层磷脂膜的准
生物环境和酶的固定化使酶进行直接电子转移已在生物传感器的研究中得到应用。如以胱氨
酸或半胱氨酸为SAM,通过缩合反应键合上媒介体(如TCNQ、二茂铁、醌类等)和酶可构成测
葡萄糖、谷胱甘肽、胆红素、苹果酸等的多种生物传感器。随着研究的深入,膜模拟电化学将在
生命过程的研究中发挥更大的作用。
(2) 液/液界面模拟生物膜的电化学研究
31 所谓液/液(L/L)界面是指在两种互不相溶的电解质溶液之间形成的界面,又称为油/水
(O/W)界面。有关L/L界面电化学的研究范围很广,包括L/L界面双电层、L/L界面上的电
荷转移及其动力学、生物膜模拟、以及电化学分析应用等。
L/L界面可以看作与周围电解质接触的半个生物膜模型。生物膜是一种极性端分别朝细
胞内和细胞外水溶液的磷脂自组装结构,磷脂的亲脂链形成像油一样的膜内层。因此,从某种
意义上来说,吸附着磷脂单分子层的L/L界面非常接近于生物膜/水溶液界面。磷脂是非常
理想的实验材料,它能很好地吸附在L/L界面上[5]。如在覆盖着蛋黄卵磷脂单分子层的102-
二氯乙烷/水界面上观察到(CH3CH2)4N+转移受抑制的现象;硝基苯/水界面上的二月桂酰卵
磷脂(DLPC)单分子吸附层对(CH3)4N+和(CH3CH2)4N+离子转移的作用不是抑制而是加速。
二山酰卵磷脂(DBPC)单分子吸附层对阳离子转移也起抑制作用。二月桂酰基-磷脂酰乙醇
胺单分子吸附层对阴离子如ClO-4、BF-4转移有抑制。对于二棕榈酰卵磷脂(DPPC)和二棕榈
酰磷脂酰丝氨酸(DPPS)单分子吸附层,不仅能观察到这种抑制作用,同时还观察到单分子层
由液体膨胀态到浓缩态的相过渡现象等等。电荷或电势和磷脂单分子层表面张力之间的偶联
作用被认为是细胞和细胞中类脂质运动的基本驱动力。有关L/L界面离子转移的研究工作
非常多,涉及K+、Rb+、Cs+、SCN-、I-、NO-3、ReO-4、IO-4、Cl-、苦味酸根、辛酸根、十二烷基磺
酸根、柠檬酸根、以及各种抗菌素和药物等。特别是有关药物在L/L界面的行为的研究可提
供药物作用机理的有价值的信息。可见, L/L界面生物电化学是一很有生命力的研究领域,
将继续
受到人们的广泛重视。
2. 用于生命科学的电化学技术
由于生命现象与电化学过程密切相关,因此电化学方法在生命科学中得到广泛应用,其内
容非常丰富,主要有电脉冲基因直接导入、电场加速作物生长、癌症的电化学疗法、电化学控制
药物释放、在体研究的电化学方法、生物分子的电化学行为等。本节简单地介绍一下这些用于
生命科学的电化学技术。
电脉冲基因直接导入是基于带负电的质粒DNA或基因片断在高压脉冲电场的作用下被
加速/射0向受体细胞,同时在电场作用下细胞膜的渗透率增加(介电击穿效应),使基因能顺利
导入受体细胞。由于细胞膜的电击穿的可逆性,除去电场,细胞膜及其所有的功能都能恢复。
此法已在分子生物学中得到应用。细胞转化效率高,可达每微克DNA 1010个转化体,是用化
学方法制备的感受态细胞的转化率的10~20倍。
电场加速作物生长是很新的研究课题。Matsuzaki等报道过玉米和大豆苗在含015 mmol/
L K2SO4培养液中培养,同时加上20 Hz, 3V或4V(峰-峰)的电脉冲, 6天后与对照组相比,
秧苗根须发达,生长明显加速。据称其原因可能是电场激励了生长代谢的离子泵作用。
癌症的电化学疗法是瑞典放射医学家Nordenstrom开创的治疗癌症的新方法。其原理
是:在直流电场作用下,引起癌灶内一系列生化变化,使其组织代谢发生紊乱,蛋白质变性、沉
淀坏死,导致癌细胞破灭。一般是将铂电极正极置于癌灶中心部位,周围扎上1~5根铂电极
作负极,加上6~10 V的电压,控制电流为30~100 mA,治疗时间2~6小时,电量为每厘米直
径癌灶100~150库仑。此疗法已在推广用于肝癌、皮肤癌等的治疗。对体表肿瘤的治疗尤为
简便、有效。
控制药物释放技术是指在一定时间内控制药物的释放速度、释放地点,以获得最佳药效,
同时缓慢释放有利于降低药物毒性。电化学控制药物释放是一种新的释放药物的方法,这种
32方法是把药物分子或离子结合到聚合物载体上,使聚合物载体固定在电极表面,构成化学修饰
电极,再通过控制电极的氧化还原过程使药物分子或离子释放到溶液中。药物在载体聚合物
上的负载方式分为共价键合型和离子键合型负载两类。共价键合负载是通过化学合成将药物
分子以共价键方式键合到聚合物骨架上,然后利用涂层法将聚合物固定在固体电极表面形成
聚合物膜修饰电极,在氧化或还原过程中药物分子与聚合物之间的共价键断裂,使得药物分子
从膜中释放出来。离子键合负载是利用电活性导电聚合物如聚吡咯、聚苯胺等在氧化或还原
过程中伴随有作为平衡离子的对离子的嵌入将药物离子负载到聚合物膜中,再通过还原或氧
化
使药物离子从膜中释放出来。
在体研究是生理学研究的重要方法,其目的在于从整体水平上认识细胞、组织、器官的功
能机制及其生理活动规律。由于一些神经活性物质(神经递质)具有电化学活性,因此电化学
方法首先被用于脑神经系统的在体研究。当采用微电极插入动物脑内进行活体伏安法测定获
得成功后,立即引起了人们的极大兴趣[1]。该技术经过不断的改善,被公认为在正常生理状
态下跟踪监测动物大脑神经活动最有效的方法。通常可检测的神经递质有多巴胺、去甲肾上
腺素、5-羟色胺及其代谢产物。微电极伏安法成为连续监测进入细胞间液中原生性神经递质
的有力工具。在体研究一般采用快速循环伏安法(每秒上千伏)和快速计时安培法。快速循环
伏安法还被用于研究单个神经细胞神经递质释放的研究,发展成为所谓的/细胞电化学0。
生物分子的电化学行为的研究是生物电化学的一个基础研究领域,其研究目的在于获取
生物分子氧化还原电子转移反应的机理,以及生物分子电催化反应机理,为正确了解生物活性
分子的生物功能提供基础数据。所研究的生物分子包括小分子如氨基酸、生物碱、辅酶、糖类
等和生物大分子如氧化还原蛋白、RNA、DNA、多糖等。
3. 电化学生物传感器
传感器与通信系统和计算机共同构成现代信息处理系统。传感器相当于人的感官,是计
算机与自然界及社会的接口,是为计算机提供信息的工具。
传感器通常由敏感(识别)元件、转换元件、电子线路及相应结构附件组成。生物传感器是
指用固定化的生物体成分(酶、抗原、抗体、激素等)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等)作为
图1 电化学生物传感器基本构成示意图
敏感元件的传感器。电化学生物传感器则是指由生
物材料作为敏感元件,电极(固体电极、离子选择性
电极、气敏电极等)作为转换元件,以电势或电流为
特征检测信号的传感器。图1是电化学生物传感器
基本构成示意图。由于使用生物材料作为传感器的
敏感元件,所以电化学生物传感器具有高度选择性,
是快速、直接获取复杂体系组成信息的理想分析工
具。一些研究成果已在生物技术、食品工业、临床检测、医药工业、生物医学、环境分析等领域
获得实际应用。
根据作为敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电
极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。
(1) 酶电极传感器
以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例简述其工作原理。在GOD的催化下,葡萄糖(C6H12O6)
被氧氧化生成葡萄糖酸(C6H12O7)和过氧化氢:
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C6H12O6+ O2+ 2H2OGODC6H12O7+ 2H2O2
根据上述反应,显然可通过氧电极(测氧的消耗)、过氧化氢电极(测H2O2的产生)和pH电极
(测酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量。因此只要将GOD固定在上述电极表面即可构成测
葡萄糖的GOD传感器。这便是所谓的第一代酶电极传感器。这种传感器由于是间接测定
法,故干扰因素较多。第二代酶电极传感器是采用氧化还原电子媒介体在酶的氧化还原活性
中心与电极之间传递电子。第二代酶电极传感器可不受测定体系的限制,测量浓度线性范围
较宽,干扰少。现在不少研究者又在努力发展第三代酶电极传感器,即酶的氧化还原活性中心
直接和电极表面交换电子的酶电极传感器。
目前已有的商品酶电极传感器包括: GOD电极传感器、L-乳酸单氧化酶电极传感器、尿
酸酶电极传感器等。在研究中的酶电极传感器则非常多。
(2) 微生物电极传感器
由于离析酶的价格昂贵且稳定性较差,限制了其在电化学生物传感器中的应用,从而使研
究者想到直接利用活的微生物来作为分子识别元件的敏感材料。这种将微生物(常用的主要
是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定在电极表面构成的电化学生物传感器称为微生物电极传
感器。其工作原理大致可分为三种类型:其一,利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系
来识别分子,这种类型与酶电极类似;其二,利用微生物对有机物的同化作用,通过检测其呼吸
活性(摄氧量)的提高,即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度;其三,通过
测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被厌氧微生物所同化的有机物[6]。
微生物电极传感器在发酵工业、食品检验、医疗卫生等领域都有应用。例如:在食品发酵
过程中测定葡萄糖的佛鲁奥森假单胞菌电极;测定甲烷的鞭毛甲基单胞菌电极;测定抗生素头
孢菌素的Citrobacter freudii菌电极等等。微生物电极传感器由于价廉、使用寿命长而具有很
好的应用前景,然而它的选择性和长期稳定性等还有待进一步提高。
(3) 电化学免疫传感器
抗体对相应抗原具有唯一性识别和结合功能。电化学免疫传感器就是利用这种识别和结
合功能将抗体或抗原和电极组合而成的检测装置。
根据电化学免疫传感器的结构可将其分为直接型和间接型两类。直接型的特点是在抗体
与其相应抗原识别结合的同时将其免疫反应的信息直接转变成电信号。这类传感器在结构上
可进一步分为结合型和分离型两种。前者是将抗体或抗原直接固定在电极表面上,传感器与
相应的抗体或抗原发生结合的同时产生电势改变;后者是用抗体或抗原制作抗体膜或抗原膜,
当其与相应的
配基反应时,膜电势发生变化,测定膜电势的电极与膜是分开的。间接型的特点
是将抗原和抗体结合的信息转变成另一种中间信息,然后再把这个中间信息转变成电信号。
这类传感器在结构上也可进一步分为两种类型:结合型和分离型。前者是将抗体或抗原固定
在电极上;而后者抗体或抗原和电极是完全分开的。间接型电化学免疫传感器通常是采用酶
或其他电活性化合物进行标记,将被测抗体或抗原的浓度信息加以化学放大,从而达到极高的
灵敏度。
电化学免疫传感器的例子有:诊断早期妊娠的hCG免疫传感器;诊断原发性肝癌的甲胎
蛋白(AFP或AFP)免疫传感器;测定人血清蛋白(HSA)免疫传感器;还有IgG免疫传感器、胰
岛素免疫传感器等等。
34 (4) 组织电极与细胞器电极传感器
直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器,其原理是利
用动植物组织中的酶,优点是酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易于获取,制备简单,使用
寿命长等。但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足。
动物组织电极主要有:肾组织电极、肝组织电极、肠组织电极、肌肉组织电极、胸腺组织电
极等。测定对象主要有:谷氨酰胺、葡萄糖胺-6-磷酸盐、D-氨基酸、H2O2、地高辛、胰岛素、腺
苷、AMP等。
植物组织电极敏感元件的选材范围很广,包括不同植物的根、茎、叶、花、果等。植物组织
电极制备比动物组织电极更简单,成本更低并易于保存。
细胞器电极传感器是利用动植物细胞器作为敏感元件的传感器。细胞器是指存在于细胞
内的被膜包围起来的微小/器官0,如线粒体、微粒体、溶酶体、过氧化氢体、叶绿体、氢化酶颗
粒、磁粒体等等。其原理是利用细胞器内所含的酶(往往是多酶体系)。
(5) 电化学DNA传感器
电化学DNA传感器是近几年迅速发展起来的一种全新思想的生物传感器[7]。其用途是
检测基因及一些能与DNA发生特殊相互作用的物质。电化学DNA传感器是利用单链DNA
(ss DNA)或基因探针作为敏感元件固定在固体电极表面,加上识别杂交信息的电活性指示剂
(称为杂交指示剂)共同构成的检测特定基因的装置。其工作原理是利用固定在电极表面的某
一特定序列的ss DNA与溶液中的同源序列的特异识别作用(分子杂交)形成双链DNA(ds
DNA)(电极表面性质改变),同时借助一能识别ss DNA和ds DNA的杂交指示剂的电流响应
信号的改变来达到检测基因的目的。
已有检测灵敏度高达10-13g/mL的电化学DNA传感器的报道, Hashimoto等[8]采用一
个20聚体的核苷酸探针修饰在金电极上检测了PVM623的Pat?片断上的致癌基因v-myc。
电化学DNA传感器离实用化
还有相当距离,主要是传感器的稳定性、重现性、灵敏度等都还
有待于提高。有关DNA修饰电极的研究除对于基因检测有重要意义外,还可将DNA修饰电
极用于其它生物传感器的研究,用于DNA与外源分子间的相互作用研究[9],如抗癌药物筛
选、抗癌药物作用机理研究;以及用于检测DNA结合分子。无疑,它将成为生物电化学的一
个非常有生命力的前沿领域。
生物电化学所涉及的面非常广,内容很丰富。以上介绍的只是该交叉学科一些领域的概
况。可以相信,随着相关学科的发展,生物电化学将进一步蓬勃发展。
参 考 文 献
1 金文睿,汪乃兴,彭图治,赵昕编著1生物电分析化学1山东大学出版社, 1994
2 田昭武,苏文煅1电化学, 1995;1:375
3 董献堆1自组装单分子层及其在生物电化学中的应用1武汉大学博士学位论文, 1995
4 李景虹,程广金,董绍俊1分析化学, 1996;24:1093
5 Senda M, Kakiuchi T, Osakai T.Electrochim Acta,1991;36:253
6 许春向等编著1生物传感器及其应用1科学出版社, 1993
7 Pang D W, Qi Y P, Wang Z Let al. Electroanalysis,1995;7:774
8 Hashimoto K, Ito K, Ishimori Y.Anal Chem, 1994;66:3830
9 Pang D W, Zhang M, Wang Z Let al. JElectroanal Chem, 1996;403:183
35