生物信号检测及传感器第一节

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1、生物信号检测及传感器第二章传感器生物材料第一节分子识别元件及其生物反应基础一、分子识别元件生物传感器的分子识别元件又称敏感元件,主要指来源于生物体的生物活性物质（包括酶、抗原、抗体和各种功能蛋白质、核酸、微生物细胞、细胞器、动植物组织）、生物衍生材料以及或生物模拟材料等.生物传感器的分子识别元件的生物反应原理:酶及酶反应人工酶微生物反应免疫学反应分子模版高分子molecularimprintingpolymers核酸和核酸反应核酸适配体（aptamers）催化抗体(抗体酶)催化性核酸二、酶及酶反应（一）、什么是酶？酶是活细胞产生的一类具有催化

2、功能的生物分子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts。绝大多数的酶都是蛋白质。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymaticreaction。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。1)．结合部位Bindingsite酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。2)．催化部位catalyticsite酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。结合部位决定酶的专一性.催化部位决定酶所催化反应的性质。1.酶分子的结构特点酶分子中存在着一些可以与其他

3、分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。3)．调控部位Regulatorysite(二)、酶催化作用特性酶的催化作用可使反应速度提高106-1012倍。例如：过氧化氢分解2H2O22H2O+O2用Fe+催化，效率为6*10-4mol/mol.S，而用过氧化氢酶催化，效率为6*106mol/mol.S。用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。1．高效性酶的专一性Specificity，又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性酶的专一性包括(1)结构专一性绝对专一性

4、相对专一性(2)立体异构专一性光学异构专一性几何异构专一性2．专一性酶作用专一性的机制酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。酶促反应一般在pH5-8水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。3．反应条件温和4.酶活力可调节控制如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。5.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶

5、类、脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等。。（1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2O2。例：邻苯二酚氧化酶（EC1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧化酶）1、氧化还原酶类（oxido-reductases）2A·2H+O22A+2H2OA·2H+O2A+H2O2邻苯二酚邻苯醌(三)生物传感器中经常使用的酶葡萄糖氧化酶（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢A·2H+BA+B·2H例：乳酸脱氢酶（EC1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）乳酸丙酮酸乙醇脱氢酶（ADH)乙醇脱氢酶催化反应时为两分子“机制”。一是锌原子，它结合乙醇分子上的-

6、OH基并定位。另一个是NAD复合因子（由烟酸构成），决定催化反应的特异性水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：2、水解酶hydrolase乙酰胆碱脂酶乙酰胆碱酯酶存在于神经元和肌细胞之间的突触上作用:将神经递质分子乙酰胆碱降解为乙酸和胆碱活性中心处在一个深沟中，在沟的基部是一组由丝氨酸-组氨酸-谷氨酸组成的三氨基酸序列,其大小正好可使乙酰胆碱掉入其中。乙酰胆碱酯酶是人体中反应最快的酶之一，降解一个分子约80微秒。蛇毒阻塞活性位点并限制酶的行动沙林向丝氨酸转移上一个甲

7、基磷酸酯基团通过一种药物毒化乙酰胆碱酯酶来试图扭转Alzheimer病的症状(四)、酶生物传感器中几个常用术语酶活性即酶促反应速度，指在规定条件下单位时间内底物的减少量或产物的生成量。底物浓度为〔S〕,产物浓度为〔P〕,时间为t，反应速度为vv=-d〔S〕/dt或v=d〔P〕/dt。注：在实际测定酶促反应速度时，以测定单位时间内产物的生成量为好。1、酶活性2、酶活性单位的计算步骤：运用公式进行计算。明确测定方法的酶单位定义，按照酶单位定义确定物质量、体积和时间的单位，计算公式:产物的增加量每单位规定的保温时间1000（ml）酶单位/升=————

8、—————×——————————×————————每单位规定的产物增加量实际保温时间实际标本用量（ml）分光光度法测定的公式：（A测定–A对照）·V总