生物电化学

生物电化学

最好是把真理比做燧石，它受到的敲打越厉害，发射出的光辉就越灿烂。

——马克思

电化学中的生物学

1．在生物体内进行的绝大部分化学反应都是氧化还原反应，例如为生命需要进行的新陈代谢。

2．光合作用包括吸收分子的电子激发过程、膜上产生的电子和质子转移过程和代谢化学反应。

3．膜现象几乎完全控制着离子和分子等物质从活细胞外部向内部或反方向的传输，离子有方向性的运动造成了跨膜电位差，调节着一系列的物质运输。

生命

4．生物体所需的信息过程几乎都是通过电信号方式发生的，出现一系列电生理现象，包括视觉、动作、痛觉、热刺激、饥饿和干渴感等等。

5．用一定周期和幅度的适当电脉冲在膜中生成微孔，使物质更容易跨膜转移，有可能实现细胞融合和基因摄取。

6．生物电化学方法对各种疾病的治疗涉及到生物传感器、燃料电池、人工器脏、电刺激和电麻醉、食品控制、环境保护等多方面的应用。

电脉冲

1．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”向受体细胞，同时在电场作用下细胞膜的渗透率增加，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。

玉米苗

2．电场加速作物生长是现在很流行的一个研究课题：有报道称让玉米和大豆苗在培养液中培养，同时加上电脉冲进行刺激，6天后与对照组相比，这组加了电脉冲的秧苗根须发达，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。

癌病毒

3．癌症的电化学疗法是瑞典放射医学家诺登斯强姆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根铂电极作为负极，加上6～10V的电压，控制电流为30～100mA，治疗时间2～6小时，电量为每厘米直径癌灶100～150K。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。

传感器

传感器一般情况下由敏感元件、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或生物体本身作为感元件的传感器。电化学生物传感器则是指由生物材料作为敏感元件，电极作为转换元件，以电势或电流为特征检测信号的传感器。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．生物电化学传感器

生物电化学传感器由以下两方面组成：（1）感受器，由具有分子识别本领的生物物质，如酶、微生物、动植物组织切片、抗体或抗原等组成。（2）信号转换部分，称为基础电极或内敏感器，是一个电化学检测元件，即将生物信号转换成定量的电信号或光信号。

微生物

生物物质的固定：自组装膜法、共价键合法、包埋法、吸附法、合成法和LB膜法等。测量方法的选择在很大程度上取决于生化过程的本质。

2．基因传感器

DNA

基因检测一般采用直接测序或杂交检测两种方法。杂交法简单、易行，基因传感器即是基于杂交法。基因传感器的工作原理很简单：将单链DNA探针固定在载体表面，与互补的靶序列杂交，利用各种换能器放大杂交信号进行检测。杂交时，探针与靶序列之间通过氢键形成双螺旋结构，由于这种双螺旋结构的形成具有很强的选择性，因此DNA探针能在含有多种非互补序列的混合物中识别出靶序列。

3．全固态气敏微电极传感器件的制作

圆盘工作电极用直径30μm的细金丝与玻璃毛细管烧制而成。借助化学银镜反应，在管封口端外壁镀上一薄层银，依次用金相砂纸和不同粒度的氧化铝乳液抛光其端面，露出Au微圆盘工作电极及其外围同心的Ag圆环对电极。经超声清洗干燥后，将电极端面垂直浸入预先配制的溶胶液中，之后以5cm/min的速度提拉出液面，粘附电极表面的薄层溶胶膜在空气中凝聚，固化为聚合物电解质膜。如此，由Au微圆盘工作电极和Ag圆环对参比电极以及附着电极表面的固体聚合物电解质膜三者一体，制成了结构紧凑的全固态气敏微电极传感器件。

人体内的电化学

人们常说，生命过程就是一个电化学过程，人体总是不知不觉在进行很多的反应。科学家们已发现，生物体内许多重要的生理过程都与电化学有密切的关系，如营养物质的吸收和加工、神经系统中信息的传递和视觉的产生、物质氧化过程的能量贮存等等。

心电图机

人体的电化学反应对科学研究来说有极其重要的生物学意义和临床意义。当人们处在紧急危险状态时，神经系统在瞬间即可向身体各器官发出各种指令，使其功能出现相应的变化，以保持机体与环境的统一与平衡。由于人体器官在电化学反应过程中都有生物电流出现，而且有其各自的参数，因此根据这些指标可以辅助判定人体的健康状态，如我们熟知的心电图、脑电图检查就是为了这一目的。

为什么人体会出现电化学反应呢？因为人体既是一个“蓄电池”也是一个“化工厂”，可以生电也能合成化学物质。比如神经细胞，用一个精密的电充计，一极放置在细胞膜表面，另一极放置在膜内面，就可测得90mV左右的电位差，经科学家研究证实这是由离子电流形成的。因为在细胞膜表面人带正电荷的钾离子，在膜内面有带负电荷的有机离子，因此存在电位差，从而形成离子电流，并且可以传导。如果对神经纤维末梢释放的物质进行微量分析，又可发现一种乙酰胆碱的化学物质，它就是神经细胞利用原料在酶的作用下合成的。当神经细胞接受信息以后即可引起生物电传导和化学物质的分泌，这种电化学过程又可作为信息传递给其他神经细胞，这样神经系统的信息传递功能就得以实现了。

总之，电化学反应过程与生命过程有着极为密切的关系，对电化学反应过程的深入研究能为理解与揭示生命的奥秘、促进人类健康长寿提供有力的科学手段。

神经信号的传递

神经信号是如何从一个神经细胞传到另一个神经细胞的？这是神经科学家们研究的一个焦点问题。当前占统治地位的学术观点是：前一级神经细胞在“兴奋”时将产生一个电冲动，在电冲动期间细胞外的钙离子可以流入该细胞内，流入的钙离子导致该细胞分泌一些活性分子传递到相邻的下一级神经细胞的外表面。细胞膜表面的“受体”膜蛋白分子与神经递质结合，即可导致第二级神经细胞产生电冲动。以此类推，神经信号便一级一级地传递下去，从而构成复杂的信号体系，乃至最终出现学习、记忆等大脑的高级功能，这就是钙离子指挥的神经递质释放和神经信号转导机制。

神经细胞

我国科研人员发现，与钙离子无关的、单纯由神经电压冲动导致的神经传导可能对神经信号的转导和信息整合产生重要影响。这一发现还向神经科学研究提出一系列新问题。据透露，至少在某些神经类细胞中存在钙离子导致的神经递质分泌途径。此外，这种“非钙电压—分泌偶联”信号转导的分子机制也成为神经科学研究需要进一步解决的重要课题。