淺談蛋白質(zhì)直接電化學(xué)的研究
近年來，模擬生物膜修飾電極的出現(xiàn)為蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)研究開辟了一個(gè)新的方向，怎樣對(duì)蛋白質(zhì)直接電化學(xué)的研究分析?
蛋白質(zhì)直接電化學(xué)是生物化學(xué)的主要組成部分，其主要是通過在電極界面對(duì)蛋白質(zhì)定向組裝、層層吸附、共價(jià)鍵合、分子包埋、聚合摻雜等技術(shù)手段，獲得蛋白質(zhì)直接或間接的電化學(xué)響應(yīng)，從而完成相關(guān)的生物學(xué)乃至其他方面的功能[1]。同時(shí)可通過酶催化及電化學(xué)催化所獲得的信號(hào)，以及在電極界面或測(cè)試體系引入的信號(hào)標(biāo)記物，并采用一些信號(hào)放大策略，在生物傳感與通訊中獲得很好的效果。本文為此具體探討了蛋白質(zhì)直接電化學(xué)的總體研究進(jìn)展。現(xiàn)報(bào)告如下。
一、蛋白質(zhì)-納米修飾電極
當(dāng)前碳納米管直徑在5-50nm，由于具有特殊的機(jī)械性能和電性質(zhì)已成為一種廣為重視的新材料。納米粒子hrp固定于金納米粒子表面，制得hrp.au膠粒修飾電極，不需媒介體便能催化還原h(huán)202，說明金微粒與hrp作用，縮短了酶活性中心與電極表面的距離，實(shí)現(xiàn)了直接電子傳遞過程。用納米憎水a(chǎn)u顆粒、親水a(chǎn)u顆粒、憎水si02顆粒以及au和si02顆粒混合與聚乙烯醇縮丁醛(pvb)構(gòu)成復(fù)合固定酶膜基質(zhì)，用溶膠-凝膠法固定god制備納米增強(qiáng)型葡萄糖傳感器。實(shí)驗(yàn)表明，納米顆�？梢源蠓忍岣吖潭ɑ傅拇呋钚裕J(rèn)為是通過au顆粒的作用，葡萄糖氧化酶的輔基fad與鉑電極間直接進(jìn)行電子傳遞。而納米ti02膜電極不僅具有生物親和性和相容性，而且能加快氧化還原蛋白質(zhì)的電子傳遞速度。而利用hb/ti02電極的光電特性，可研究蛋白質(zhì)光氧化還原現(xiàn)象，檢測(cè)水溶液中微量的一氧化碳。在磁性納米粒子表面修飾媒介體，可作為酶與電極之間電子傳遞的開關(guān)，制備由磁場(chǎng)控制的生物電化學(xué)傳感器。
二、蛋白質(zhì)膜修飾電極
蛋白質(zhì)膜伏安法(pfv)具有許多優(yōu)點(diǎn)：蛋白質(zhì)膜電極的制備簡(jiǎn)單，需用蛋白質(zhì)的量較小;克服了溶液體系中蛋白質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)較小的限制;能使用快速掃描伏安法研究電子傳遞過程;通過電化學(xué)數(shù)據(jù)分析可獲得豐富的生物化學(xué)信息。
在制備中，經(jīng)過拋光的棱面裂解石墨電極表面產(chǎn)生較多的親水含氧基團(tuán)。在低溫、低離子強(qiáng)度和共吸附劑)的存在下，通過靜電吸附作用，在電極表面形成一層蛋白質(zhì)膜。共吸附劑在荷電的蛋白質(zhì)和電極之間起著促進(jìn)電子傳遞的作用。蛋白質(zhì)中的鐵-硫簇是電子傳遞中心，但鐵-硫簇缺乏特征光譜，難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧化還原過程中鐵-硫簇組成和結(jié)構(gòu)的變化。
三、蛋白質(zhì)-雙層類脂膜修飾電極
雙層類脂膜在結(jié)構(gòu)上與天然生物膜相似，能將生物分子嵌入其中同時(shí)保持其生物活性。利用各種固相載體支撐的自組裝雙層類脂膜或混合層類脂膜的高度有序且穩(wěn)定性良好的特點(diǎn)，作為仿生膜，可以模擬氧化還原蛋白質(zhì)生物代謝過程的特性。將cyt-c氧化酶固定在雙層類脂膜中，與金電極之間直接傳遞電子，且能氧化溶液中的cyt-c;將hrp固定于鹽橋支撐的雙層類脂膜中，實(shí)現(xiàn)了直接電化學(xué)反應(yīng)及對(duì)h202的催化還原。
四、蛋白質(zhì)-dna膜修飾電極
dna和氧化還原蛋白質(zhì)同存在于線粒體內(nèi)，研究氧化還原蛋白質(zhì)與dna的作用，對(duì)理解生物呼吸鏈能量轉(zhuǎn)換具有極其重要的意義。dna在金電極和碳電極表面能形成穩(wěn)定的薄膜，可用于基因雜交指示劑的選擇和dna損傷檢測(cè)。有學(xué)者采用逐層組裝的方法，將dna-mb和dna-cyt p450固定在電極表面，得到fe(iii)/fe(ii)電對(duì)的可逆電化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)用于環(huán)境污染物的檢測(cè)與轉(zhuǎn)化。用dna固定hrp于石墨電極表面，加快了hrp與電極的直接電子傳遞速度，用于h202的檢測(cè)。表面活性劑膜、雙層類脂膜和dna膜具有獨(dú)特的類生物結(jié)構(gòu)和生物相容性，為電化學(xué)模擬氧化還原蛋白質(zhì)的生物功能創(chuàng)造了條件。尋找適當(dāng)?shù)妮d體和基體電極以形成穩(wěn)定的蛋白質(zhì)膜層應(yīng)該是今后努力的方向。而當(dāng)前的自組裝單層膜固定蛋白質(zhì)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有易制作，性能穩(wěn)定，有統(tǒng)一的固定化界面;能阻止生物物質(zhì)與電極表面的直接接觸，防止其失活;可以避免電極表面的沾污對(duì)分析測(cè)定的影響;末端基團(tuán)可以根據(jù)需要裁剪、組合，為修飾電極功能的多樣化、檢測(cè)靈敏度和選擇性的提高、活性基團(tuán)的再生等提供可能。自組裝單層膜固定蛋白質(zhì)技術(shù)的種類繁多，其中含硫化合物如硫醇、巰基化合物在金表面的sam非常成熟，是最有代表性和研究最多的體系。
五、蛋白質(zhì)-表面活性劑修飾電極
近年來，模擬生物膜修飾電極的出現(xiàn)為蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)研究開辟了一個(gè)新的方向。從仿生的角度看，如果使蛋白質(zhì)處于制備蛋白質(zhì)-表面活性劑修飾電極有兩種方法：在電極表面蘸涂含表面活性劑的氯仿溶液，氯仿?lián)]發(fā)后，形成表面活性劑膜電極，該電極可從溶液中吸附蛋白質(zhì);將蛋白質(zhì)與表面活性劑的微囊分散混合，取混合液蘸涂到電極表面，自然晾干�；w電極以棱面裂解石墨、金、鉑電極為佳，而膜在摻錫氧化銦和銀電極上的穩(wěn)定性較差。在表面活性劑膜中，蛋白質(zhì)保持著原始構(gòu)象不變，與電極之間的電子傳遞速度大大加快。蛋白質(zhì)-表面活性劑復(fù)合膜易于制備，且十分穩(wěn)定，是研究蛋白質(zhì)與電極之間電子傳遞和催化機(jī)理的一種較通用的方法，但僅限于一些小分子蛋白質(zhì)，進(jìn)一步的研究仍在進(jìn)行中。當(dāng)前的hiv-1型蛋白酶的電化學(xué)檢測(cè)方法是利用自己合成的二茂鐵-抑肽素加合物為探針構(gòu)建了基于印刷電極的傳感器，成功實(shí)現(xiàn)了hiv-1型蛋白酶的快速、方便的電化學(xué)檢測(cè)。
六、氧化還原蛋白質(zhì)修飾電極
對(duì)于大多數(shù)蛋白質(zhì)而言，由于電化學(xué)活性中心深埋于非導(dǎo)電性的肽鏈結(jié)構(gòu)中，電子隧道距離相當(dāng)大，因而電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)非常小，在通常條件下，難以觀察到蛋白質(zhì)與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移。，氧化還原蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且各向異性，它們的活性中心并不正好位于蛋白的中心，而且蛋白質(zhì)分子表面電荷分布不均勻。在生物體系中，一些氧化還原蛋白質(zhì)之間具有較大的電子傳遞速度，這歸功于圍繞電子傳遞活性中心的氫基酸殘基的作用，這些氨基酸殘基能夠調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的相對(duì)位置，使蛋白質(zhì)的氧化還原中心之間的距離盡可能地縮短，從而提高電子傳遞速率。
在具體的應(yīng)用中，有學(xué)者提出了納米粒子強(qiáng)化的生物分子熒光偏振探針設(shè)計(jì)技術(shù)并成功應(yīng)用于重金屬離子污染監(jiān)測(cè)和快速高靈敏監(jiān)測(cè)蛋白酶活性和動(dòng)力學(xué)特征。同時(shí)還提出了采用氧化石墨烯和熒光標(biāo)記的單鏈dna探針自組裝成一種新穎通用的分子信標(biāo)，用以在均相溶液中實(shí)現(xiàn)對(duì)dna序列、蛋白質(zhì)、金屬離子和小分子的特異性識(shí)別和檢測(cè)。
總之，蛋白質(zhì)直接電化學(xué)研究的重點(diǎn)集中在尋找實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)與電極之間電子傳遞的有效方法，在理論和實(shí)際應(yīng)用上都具有重要意義。
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