| 单词 | 生物电化学 |
| 释义 | 【生物电化学】 拼译：bioelectrochemistry 电化学与生物学的交叉学科，它以生命过程中的电化学现象以及外电场对不同生物体系的影响为主要研究对象，旨在从分子水平或超微结构水平揭示相关生物事件的本质与规律。生物电化学的某些研究课题在电生理学、生物化学或生物物理学中可能遇到，但所采用的原理和方法各有所异。生物电化学对生物医学科学领域中不同问题的研究主要基于电化学的基本原理和实验方法，从而创建了自成体系的独立学科分支。 据考证，“生物电化学”一词最早出现在Hampel主编的《电化学百科全书》中，但是人们对于这一领域的探索可追溯到18世纪末。1791年意大利L．Galvani根据青蛙实验的结果，发表了阐述生物体组织与电相互作用的研究报告，这一科学活动被认为是生物电化学的历史开端。在同一年代，A．Volta也对生物体的电现象进行探讨，提出神经是电导体的观点。几年之后J．W．Ritter从事了电生理和氧化还原方面的研究。1843年D．Raymond测定了静态和受刺激后肌肉和神经的电流，几乎同时Helmholtz测定了神经脉冲的传播速度，而Bernstein发展了生物电本质的物理概念。20世纪初，L．Michaelis将氧化还原电势的概念引入生物体系，而D．Keilin提出呼吸链的氧化还原模型。1941年A．S．Gyögry把生物大分子的导电性能同固体物理理论联系起来。1961年P．Mitchell提出了生物体系能量转化的化学渗透理论，并利用氧化还原模型加以阐明。随后I．Prigogine建立了适用于生物过程的不可逆热力学理论。上述这些贡献都对生物电化学的学科发展产生了不可低估的影响。尽管如此，生物电化学作为新的学科分支直至1971年才得到国际上的普遍承认。最有影响的事件是当年在罗马举行了第1届国际生物电化学会议，同时成立了由电化学家、生物学家、生物物理学家和电生理学家共同组成的学术机构——国际生物电化学学会。生物电化学能够在今天成为独立分支立于科学之林，不仅是最近20年来人们对生命科学高度重视的结果，更重要的是由于大多数生命过程具有电化学的本质，从而为有关课题的电化学研究提供了更多的成功机会。20世纪60年代后电化学理论和实验技术的迅速发展为生物电化学的兴盛提供了良好的条件。生物电化学研究正在沿着分子水平、细胞水平和生物体水平3个不同的层次同时展开，内容十分广泛。当前较有代表性的研究课题可概括为如下几个主要方面。1．生物体系的组分及其模型化合物的氧化还原过程和质子交换过程的热力学和动力学。围绕生物能过程和代谢过程的基本问题，对各种生物氧化还原体系或模型物进行广泛研究。为了探索细胞色素P450系统、呼吸链、光合成和固氮作用的机理，研究了醌、黄素、大环配体金属络合物、细胞色素、辅酶和酶、以及非酶氧化还原蛋白等有关的各类化学物种的电化学性质，并利用当代电荷传递理论和能量传递理论加以解释。光合成和生物发光研究开辟了生物光电化学的新领域。研究了一些重要代谢过程中的电子和质子的传输过程以及所伴随的化学反应，酶活性中心的电化学性质，超氧化物自由基的形成机理，代谢过程的电化学调节。药理作用也与生物氧化还原紧密相关，已对维生素和神经镇静剂等一系列药物的电化学性质、药物与生物高分子形成的复合物的界面电化学性质进行研究。核酸及其组成物质的电化学研究正在增多。值得注意的是，80年代以来光谱电化学技术的日益广泛应用，大大加速了生物氧化还原研究的步伐，成为揭示过程机理、检测过程中间物的强有力工具。2．生物膜及其模型物中的电荷分离与物质传输。这一领域的研究对象有生物体系中的电位起源、电子传递链与光合成的电极学状况、离子载体与离子选择性通道、以传递蛋白质为中介的离子传输过程、以及兴奋性细胞膜及模型物中的过程。生物电化学研究用的膜模型物多种多样，有双层膜、脂质体、溶液／空气界面、电解质／介电液体界面、互不混溶的电解质溶液界面。不同模型系统有着各自的应用范围并要求使用不同的实验技术。类脂双层膜已被用于重构模型细胞体系，以研究由脂溶性阴离子和膜活性络合配体引起的离子传输、膜的表面性质(如双电层结构、不同离子或表面活性剂的吸附)、膜的机械性质和在电场中的稳定性。对膜的不同模型物的研究已为膜过程的机理解释打下了基础。3．生物电动现象和外加电磁场作用下生物体系或其组分的行为。有关研究包括生物电动现象和力－电现象、生物膜的介电性质、细胞电融合机理等。典型的例子如血凝和心血管问题的电化学机理，不均匀电场中生物大分子的分布与运动，体系介电性质和外加电磁场对细胞分裂、，融合和生长的影响。外加电磁场对器官功能的影响已有报道，如外电场对动物肝功能与胆汁分泌的影响作用等。4．应用生物电化学。可分为两大类型：(1)生物电化学技术的应用，如生物电化学传感器(酶电极、组织电极、微生物电极、免疫电极以及基于离子载体的离子选择性电极等)的研究，生物分子电子学装置的研制，电化学合成中的生物催化，生物燃料电池，生物光解水体系与储能体系，细胞或生物分子的电化学分离技术，利用细胞电融合或电基因转移的生物技术(如用于制备胰岛素、干扰素、肽和蛋白质等)，微生物沾染的电化学防止等。为了实现这些技术应用，尚需开展大量的应用基础研究。如在生物传感器、生物电催化和生物燃料电池研究中，涉及到电极表面的生物功能化、生物电极上的反应动力学与电流响应特性、酶的直接电子传递及其增强作用、还原态辅酶的电化学再生、生物电化学反应器性能等一些基本问题。(2)电化学技术在生物医学科学中的应用，包括生物体系表征的电化学技术(尤其是活体电化学技术)的研究，用于诊断或卫生检疫的生物电分析方法的建立，治疗用的电化学器件的研制(如植入式假器官材料的电化学性能研究，心脏起搏器用的长寿命化学电源和刺激电极，人工胰脏中的葡萄糖传感器，人工肾中的电化学消毒系统)。除上述外，脑电图、心电图、电针灸、损伤骨骼的电刺激愈合再生、癌肿瘤的电化学消除等，也属应用生物电化学的研究范围。生物电化学已经取得瞩目的进展，但它仍然处于幼年时代。可以预期，随着各个科学技术领域的新理论和新方法不断汇集于生物电化学的研究中，该学科将得到更快的发展，并为人类社会带来不可低估的效益。【参考文献】：1 Hampel C A. The Encyclopedia of Electrochemistry. New York:Reinhod,19642 Blank M. Bioelectrochemistry: Ions, Surfaces, Membranes.Washington:Am Chem Soc,19803 Koryta J. Electrochim Acta,1984,29:1291～12924 Chizmadjev Yu A. Electrochemistry in Research and Development (eds Kalvoda R and Parsons R). New York:Plenum Press, 1985,211～2215 Srinivasan S,et al. Bioelectrochemistry (Comprehensive Treatise of Electrochemistry vol. 10). New York: Plenum Press, 19856 Milazzo G. Electrochim Acta,1986,31:1491 ～ 14947 Gutmann F,Keyzer H. Modern Bioelectrochemistry. New York:Plenum Press, 19868 Milazzo G,Blank M. Bioelectrochemistry I. Biological Redox Reactions. New York; Plenum Press, 1983) Membrane Phenomena. New York:Plenum Press, 19889 Dryhurst G, Niki K. Redox Chemistry and Interfacial Behavior of Biological Molecules. New York: Plenum Press, 198810 Junter G A. Electrochemical Detection Techniques in Applied Bioscience. Chichester:Ellis Horwood,1988(厦门大学博士生导师吴辉煌教授撰) |
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