物理化学电子教案第八章
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H5N1型禽流感病毒（蓝色小球）
高 倍 电 子 扫 描 显 微 镜 摄 制
16
生物电化学传感器
生物材料敏感元件+电极转换元件 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。
17
生物电化学传感器
10
科学贡献 他们发现了细胞膜水通道，以及对离子 通道结构和机理研究作出了开创性贡献。这 是个重大发现，开启了细菌、植物和哺乳动 物水通道的生物化学、生理学和遗传学研究 之门。
11
注:
12
细胞膜水通道对生活的影响 水溶液占人体重量的70％。生物体内的 水溶液主要由水分子和各种离子组成。它们 在细胞膜通道中的进进出出可以实现细胞的 很多功能。水分子是如何进出人体的细胞的？ 了解这一机理将极大地帮助人们更好地认识 许多疾病，比如心脏病、神经系统疾病等。 他们的发现阐明了盐分和水如何进出组成活 体的细胞。比如，肾脏怎么从原尿中重新吸 收水分，以及电信号怎么在细胞中产生并传 递等等，这对人类探索肾脏、心脏、肌肉和 神经系统等方面的诸多疾病具有极其重要的 13 意义。
O K ,内
RT ln aK ,内 Z K F内 RT ln aK ,外 Z K F外
6
O K ,外
O K ,内
RT ln aK ,内 Z K F内 RT ln aK ,外 Z K F外
O K ,外
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。
显然，电化学是生命科学的最基础的相关学科。
1
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。
水通道，以及离子通道结构和机理
彼得· 阿格雷：美国科学家。1949年生于美国 明尼苏达州小城诺斯菲尔德，1974年在巴尔的摩 约翰斯· 霍普金斯大学医学院获医学博士学位，现 为该学院生物化学教授和医学教授。 罗德里克· 麦金农：美国科学家。1956年出生， 在美国波士顿附近的小镇伯灵顿长大，1982年在 塔夫茨医学院获医学博士学位，现为洛克菲勒大 学分子神经生物学和生物物理学教授。
通常溶液的 、 相溶剂相同（如水）， 则 O O K ,内 K ,外
aK ,外 RT 内 外 ln Z K F aK ,内
7
aK ,外 RT 内 外 ln Z K F aK ,内
在生物化学中，习惯表示为
RT aK 外 膜电势 内 外 ln F aK 内
生物材料敏感元件+电极转换元件
例如:酶电极传感器
18
以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例.
其工作原理为: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.
C6 H12O6 O2 2 H 2O C6 H12O7 2 H 2O2
GOD
19
C6 H12O6 O2 2 H 2O C6 H12O7 2 H 2O2
根据上述反应,可以通过测量氧的消耗(氧电极), 或者过氧化氢的产生(过氧化氢电极)等,间接测量 葡萄糖的含量. 这就是所谓的第一代酶电极传感器 目前种类很多,包括用于检测司机是否饮酒的 乙醇氧化酶电极传感器.
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GOD
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。 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。
医学上，膜电势习惯用负值表示。维持了细胞 膜内外的电势差，就维持了生命。
8
心电图的原理 心肌收缩与松弛时,心肌细胞膜电势相应发生变 化.心脏的总偶极矩也随之变化. 心电图就是测量人体表 面几组对称点之间因心 脏的总偶极矩改变所引 起的电位差随时间的变 化,来检查心脏的工作情 况.
9
2003年的NOBEL化学奖介绍:细胞膜
中起催化作用，并充任离子透过膜的通道。
4
四、膜电势
• 由于（细胞）膜两边离子浓度不等而
引起的电势差称膜电势；
• 如图: 由于膜电势的存在，K+ 向膜外
扩散导致其在 相的浓度高于 相；
5
• 在生物学上，膜电势： = 内 外 • 由电化学平衡： ~ ~
K ,内 K ,外
由以上几个基本例子可见，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。
2
பைடு நூலகம்
生物膜电势
一、生物膜的组成
• 磷脂；蛋白质。
二、细胞膜的模型（流体镶嵌模型）
• 由一个两分子厚的卵磷脂层组成；蛋白质
分子部分嵌进膜，部分自膜中伸出；也有
横跨膜的整个厚度（如图）。
3
三、膜蛋白作用
• 膜蛋白在生物体的活性传输和许多化学反应
实际上，早在十九世纪中期，人们就猜想人体 细胞一定存在用以传输水分的特别的通道。今 天，学者们详知水分子通过细胞膜的方式并了 解为何只有水分子能穿过而不是其他更小的分 子或离子。 现代生物化学在求解生命过程的基本原理方面 已经深入到了原子的水平。
14
另一种类型的膜通道是离子通道。离子通道在 神经和肌肉应激系统中具有重要意义。当位于 神经细胞表面的离子通道在来自邻近的神经细 胞的化学信号的作用下而开启时，会产生一种 被称为神经细胞电压的作用，于是，一种电脉 冲信号就会通过在数毫秒之内开启和关闭的离 子通道而沿着神经细胞的表面传递。麦金农在 1998年确定了钾离子通道的空间结构(高分辨率 电子显微镜)而使整个学术界震惊。这项贡献， 使我们现在知道离子可以通过由不同的细胞信 号控制其开启和关闭的通道而流动。
H5N1型禽流感病毒（蓝色小球）
高 倍 电 子 扫 描 显 微 镜 摄 制
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生物电化学传感器
生物材料敏感元件+电极转换元件 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。
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生物电化学传感器
10
科学贡献 他们发现了细胞膜水通道，以及对离子 通道结构和机理研究作出了开创性贡献。这 是个重大发现，开启了细菌、植物和哺乳动 物水通道的生物化学、生理学和遗传学研究 之门。
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注:
12
细胞膜水通道对生活的影响 水溶液占人体重量的70％。生物体内的 水溶液主要由水分子和各种离子组成。它们 在细胞膜通道中的进进出出可以实现细胞的 很多功能。水分子是如何进出人体的细胞的？ 了解这一机理将极大地帮助人们更好地认识 许多疾病，比如心脏病、神经系统疾病等。 他们的发现阐明了盐分和水如何进出组成活 体的细胞。比如，肾脏怎么从原尿中重新吸 收水分，以及电信号怎么在细胞中产生并传 递等等，这对人类探索肾脏、心脏、肌肉和 神经系统等方面的诸多疾病具有极其重要的 13 意义。
O K ,内
RT ln aK ,内 Z K F内 RT ln aK ,外 Z K F外
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O K ,外
O K ,内
RT ln aK ,内 Z K F内 RT ln aK ,外 Z K F外
O K ,外
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。
显然，电化学是生命科学的最基础的相关学科。
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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。
水通道，以及离子通道结构和机理
彼得· 阿格雷：美国科学家。1949年生于美国 明尼苏达州小城诺斯菲尔德，1974年在巴尔的摩 约翰斯· 霍普金斯大学医学院获医学博士学位，现 为该学院生物化学教授和医学教授。 罗德里克· 麦金农：美国科学家。1956年出生， 在美国波士顿附近的小镇伯灵顿长大，1982年在 塔夫茨医学院获医学博士学位，现为洛克菲勒大 学分子神经生物学和生物物理学教授。
通常溶液的 、 相溶剂相同（如水）， 则 O O K ,内 K ,外
aK ,外 RT 内 外 ln Z K F aK ,内
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aK ,外 RT 内 外 ln Z K F aK ,内
在生物化学中，习惯表示为
RT aK 外 膜电势 内 外 ln F aK 内
生物材料敏感元件+电极转换元件
例如:酶电极传感器
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以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例.
其工作原理为: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.
C6 H12O6 O2 2 H 2O C6 H12O7 2 H 2O2
GOD
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C6 H12O6 O2 2 H 2O C6 H12O7 2 H 2O2
根据上述反应,可以通过测量氧的消耗(氧电极), 或者过氧化氢的产生(过氧化氢电极)等,间接测量 葡萄糖的含量. 这就是所谓的第一代酶电极传感器 目前种类很多,包括用于检测司机是否饮酒的 乙醇氧化酶电极传感器.
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GOD
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。 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。
医学上，膜电势习惯用负值表示。维持了细胞 膜内外的电势差，就维持了生命。
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心电图的原理 心肌收缩与松弛时,心肌细胞膜电势相应发生变 化.心脏的总偶极矩也随之变化. 心电图就是测量人体表 面几组对称点之间因心 脏的总偶极矩改变所引 起的电位差随时间的变 化,来检查心脏的工作情 况.
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2003年的NOBEL化学奖介绍:细胞膜
中起催化作用，并充任离子透过膜的通道。
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四、膜电势
• 由于（细胞）膜两边离子浓度不等而
引起的电势差称膜电势；
• 如图: 由于膜电势的存在，K+ 向膜外
扩散导致其在 相的浓度高于 相；
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• 在生物学上，膜电势： = 内 外 • 由电化学平衡： ~ ~
K ,内 K ,外
由以上几个基本例子可见，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。
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பைடு நூலகம்
生物膜电势
一、生物膜的组成
• 磷脂；蛋白质。
二、细胞膜的模型（流体镶嵌模型）
• 由一个两分子厚的卵磷脂层组成；蛋白质
分子部分嵌进膜，部分自膜中伸出；也有
横跨膜的整个厚度（如图）。
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三、膜蛋白作用
• 膜蛋白在生物体的活性传输和许多化学反应
实际上，早在十九世纪中期，人们就猜想人体 细胞一定存在用以传输水分的特别的通道。今 天，学者们详知水分子通过细胞膜的方式并了 解为何只有水分子能穿过而不是其他更小的分 子或离子。 现代生物化学在求解生命过程的基本原理方面 已经深入到了原子的水平。
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另一种类型的膜通道是离子通道。离子通道在 神经和肌肉应激系统中具有重要意义。当位于 神经细胞表面的离子通道在来自邻近的神经细 胞的化学信号的作用下而开启时，会产生一种 被称为神经细胞电压的作用，于是，一种电脉 冲信号就会通过在数毫秒之内开启和关闭的离 子通道而沿着神经细胞的表面传递。麦金农在 1998年确定了钾离子通道的空间结构(高分辨率 电子显微镜)而使整个学术界震惊。这项贡献， 使我们现在知道离子可以通过由不同的细胞信 号控制其开启和关闭的通道而流动。