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电化学在生物和医学中的应用

第一节生物电化学的研究内容

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

的电位差人和动物的代谢作用以及各种生理现象，处处都有电流和电位的变化产

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。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；生物电化学是

在20世纪70年代初由电生物学、生物物理学、生物化学、电生理及电化学等多门

学科交叉形成的独立学科，其主要研究内容如下：

1．生物分子电化学

利用近代电化学技术模拟生物分子在生命活动过程的作用和变化。生物体内进

行的化学反应绝大部分是氧化还原反应，它们本身的电子传递机理及它们所构成

的物质和能量代谢链的电子传递机理，正在利用电化学理论和研究技术有效地进

行研究。

2．生物电催化

生物电催化是研究酶对生物体系中电化学反应催化作用，其研究内容主要有

酶的结构和性能；酶促反应机理；酶固定化方法；在电极一电解质界面酶的电化学

行为和氧化还原反应机理；酶促反应同电化学反应的关联方法，尤其是酶在固定化

电子递体或促进剂的电极上的电催化作用；酶电催化的应用，尤其是酶作为专一性

电化学传感器一酶在能源转换和存储中的应用。

3．光合作用

光合作用实际上是所有生命过程所需能量的最初来源。光合作用敏化剂叶绿

素分子的激发态，激发态的反应、能量转换过程及模型，初级电荷分离及其后的二

级反应，等，都可以利用电化学方法研究，光合作用的各个步骤也可能利用电化学

系统来模拟。

4．活组织电化学

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子浓度，以探测细胞中的离子行为。微生物电化学有重要的应用，例如微生物燃料

电池，利用电化学技术杀死微生物以净化水等。

．生物技术中的电化学技术

研制生物电极，包括微电极、酶电极和微生物电极等，研究它们在生物技术、

医学和其他领域中的应用。电化学为电生理学，例如跨膜电位的测定、兴奋细胞

的刺激、膜电位的控制、离子电渗疗法、脑电图、肌动电流图、心电图的研究提供

了基础。通过电流流过细胞描摹来修饰细胞，利用电脉冲进行细胞膜打孔、细胞电

融合和电打孔基因摄取，这些电生物学技术离不开电化学原理。

第二节生物体的电现象

一、脑波、心电和筋电

生物电化学已经涉及到不同领域的生物学问题，主要是：①在生物体内进行

的绝大部分化学反应都是氧还原反应，例如为生命需要(营养、组织生长、再生、

废物排泻)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。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。现在首先了解生物体的电现象及有关的实验技术。

二、细胞膜电位和刺激传递

1．微电极

两个显著的特点：①电极响应速度相当快(RC<”s)，在扫描伏安测量中，

扫描速度高达2×104V‘。～，比常规电极快3个数量级。②极化电流甚微，一般

为毫微安(，甚至可低到微微安(pA)的数量级；欧姆电位降很小，故可采用双电极

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研究电极和参比电极一兼作辅助电极)，不仅简化了实验方法及实验设备，

而且提高了测量系统的信噪比。微电极技术已在生物电化学、金属电结晶、快速

电极过程动力学、电分析化学、能源电化学、光谱电化学等领域中得到应用。

2.细胞膜的静电位和电刺激时的电位变化

可兴奋的细胞膜是被一层原生质膜所包围着的，这层膜的主要功能是控

制物质进入或排出细胞，膜厚约7．5衄。原生质膜中的一种重要组分是类脂

体，当蛋