小中大生物电化学进展
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”而生长出新型的“交叉学科”,或称“边缘学科”。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。
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。 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。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(BilayerLipidMembrane,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(Self AssembledMonolayer,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(Cytc)在ω 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Cytc的表面式电势为+215mV(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 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1 2 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。
