生物傳感器中國(guó)科學(xué)院研究生院姚 鑫E-mail: yaox@mail.tsinghua.edu.cn?學(xué)習(xí)這門課的目的 通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，了解各類生物傳感器的基本原理、特點(diǎn)、技術(shù)方法和應(yīng)用了解生物傳感器的及發(fā)展趨勢(shì)，為以后從事相關(guān)領(lǐng)域研究打好基礎(chǔ). ?參考書(shū)※ 張先恩主編，《生物傳感器》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2006 ※ 布萊恩 R. 埃金斯 著，羅瑞賢等譯，《化學(xué)傳感器與生物傳感器》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2005 幾個(gè)生物傳感器的例子DNA-表面等離子激元共振儀表面等離子激元共振儀(SPR)多肽多肽-電化學(xué)電化學(xué)DNA-電化學(xué)電化學(xué)PNA/DNA-SPR葡糖淀粉酶葡糖淀粉酶支鏈淀粉支鏈淀粉酶酶-石英晶體微天平石英晶體微天平Figure 2. (A) Time courses of frequency changes of the amylopectinimmobilized QCM, responding to the addition of glucoamylase at (a) 16, (b) 27, (c) 38, and (d) 54 nM. The curve (e) shows the hydrolysis of the pullulan-immobilized QCM at 540 nM glucoamylase (25 °C, 20 mM acetate buffer, pH 4.8, 0.1 M NaCl).傳感器傳感器:是一種裝置,是檢測(cè)或測(cè)量一種物理性質(zhì)并進(jìn)行記錄,顯示或以其他方式作出響應(yīng).化學(xué)傳感器:一種裝置,通過(guò)某種化學(xué)反應(yīng)以選擇性方式對(duì)特定的待分析物質(zhì)產(chǎn)生響應(yīng)從而對(duì)分析質(zhì)進(jìn)行定性或定量測(cè)定傳感器物理傳感器:用以測(cè)量距離,重量,溫度,壓力和電性能生物傳感器:一種裝置,其采用某種生物敏感元件與轉(zhuǎn)換器相連接.檢測(cè)物質(zhì)也可以是純化學(xué)物質(zhì),識(shí)別元件是生物質(zhì)第一章 緒 論 分析生物技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域便是生物傳感器分析生物技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域便是生物傳感器( (biosensorbiosensor),),它是一個(gè)它是一個(gè)典型的多學(xué)科交叉產(chǎn)物典型的多學(xué)科交叉產(chǎn)物, ,結(jié)合了生命科學(xué)、分析化學(xué)、物理學(xué)和信息科學(xué)及結(jié)合了生命科學(xué)、分析化學(xué)、物理學(xué)和信息科學(xué)及其相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)λ枰獧z測(cè)的物質(zhì)進(jìn)行快速分析和追蹤。

其相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)λ枰獧z測(cè)的物質(zhì)進(jìn)行快速分析和追蹤 生物的基本特征之一，是能夠?qū)ν饨绲母鞣N刺激作出反應(yīng)其所以能生物的基本特征之一，是能夠?qū)ν饨绲母鞣N刺激作出反應(yīng)其所以能夠如此，首先是由于生物能感受外界的各類刺激信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換夠如此，首先是由于生物能感受外界的各類刺激信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成體內(nèi)信息處理系統(tǒng)所能接收并處理的信號(hào)例如，人能通過(guò)眼、耳、鼻、成體內(nèi)信息處理系統(tǒng)所能接收并處理的信號(hào)例如，人能通過(guò)眼、耳、鼻、舌、身等感覺(jué)器官將外界的光、聲、溫度及其它各種化學(xué)和物理信號(hào)轉(zhuǎn)換舌、身等感覺(jué)器官將外界的光、聲、溫度及其它各種化學(xué)和物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)等信息處理系統(tǒng)能夠接收和處理的信號(hào)成人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)等信息處理系統(tǒng)能夠接收和處理的信號(hào) 生物傳感器的出現(xiàn)，是科學(xué)家的興趣和科學(xué)技術(shù)發(fā)展及社會(huì)發(fā)展需求生物傳感器的出現(xiàn)，是科學(xué)家的興趣和科學(xué)技術(shù)發(fā)展及社會(huì)發(fā)展需求多方面雙驅(qū)動(dòng)的結(jié)果，經(jīng)過(guò)多方面雙驅(qū)動(dòng)的結(jié)果，經(jīng)過(guò)3030多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)涉及內(nèi)容廣泛、多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)涉及內(nèi)容廣泛、多學(xué)科介入和交叉、充滿創(chuàng)新活力的領(lǐng)域多學(xué)科介入和交叉、充滿創(chuàng)新活力的領(lǐng)域。

1.1 生物傳感器的發(fā)展歷程?2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代酶法分析：專一性強(qiáng)、靈敏度高、操作簡(jiǎn)便，但是測(cè)定周期長(zhǎng)年代酶法分析：專一性強(qiáng)、靈敏度高、操作簡(jiǎn)便，但是測(cè)定周期長(zhǎng)?離子選擇電極離子選擇電極( ( ion selective electrode, ISE) )：：操作簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行欲處操作簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行欲處理理————無(wú)試劑分析無(wú)試劑分析( (non-reagental analysis) )，，但是只能檢測(cè)無(wú)機(jī)離子．但是只能檢測(cè)無(wú)機(jī)離子．?1956 1956 Leland C. Clark Jnr 隔離式氧電極隔離式氧電極?1962 1962 Leland C. Clark Jnr 酶?jìng)鞲衅髅競(jìng)鞲衅? ( enzyme transducer) )?1967 1967 S. J. Updike 葡萄糖酶電極葡萄糖酶電極?1975 1975 Yellow Springs Instrument(YSI) 葡萄糖測(cè)定儀葡萄糖測(cè)定儀?1975 1975 C. Divis 用完整活細(xì)胞取代純酶制作傳感器用完整活細(xì)胞取代純酶制作傳感器?1977 1977 GA. Rechnitz 用糞便鏈球菌完整活細(xì)胞與氨敏電極組合成測(cè)精氨酸的用糞便鏈球菌完整活細(xì)胞與氨敏電極組合成測(cè)精氨酸的微生物電極微生物電極?1977 1977 Iso Karube和和J. Janata 測(cè)測(cè)BODBOD的微生物傳感器和測(cè)抗原的免疫傳感器的微生物傳感器和測(cè)抗原的免疫傳感器l隨后出現(xiàn)了細(xì)胞器傳感器、細(xì)胞傳感器和組織切片傳感器l20世紀(jì)70年代中期到80年代，生物技術(shù)、生物電子和微電子學(xué)不斷地滲透、融合，致使生物傳感器不再局限于生物反應(yīng)的電化學(xué)過(guò)程，而是根據(jù)生物學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的各種信息(如光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)和質(zhì)量變化等)了設(shè)計(jì)各種精密的探測(cè)裝置。

l1974 K. Mosbach 熱生物傳感器l1974 Janata 酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管l1980 D. W. Lubbers 和N. Optiz　酶光纖傳感器l1983 Giulbault 壓電晶體酶?jìng)鞲衅鱨1976 A. H. Clemens等報(bào)道了以葡萄糖酶電極為基礎(chǔ)的第一個(gè)人工腎臟，隨后被Miles公司開(kāi)發(fā)成生命穩(wěn)定系統(tǒng)Biostator，用于重癥糖尿病人床邊監(jiān)護(hù)l1983 B.Liedberg利用表面等離子激元共振(Surface Plasmon Resonance)方法，能夠適時(shí)的對(duì)生物親和反應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，在次基礎(chǔ)上，瑞典Pharmacia公司在1990年推出商用儀器BIAcore，成為目前研究生物分子之間互相作用最優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)工具l1984 A.E.G. Cass 首次建立了介體酶電極方法,利用化學(xué)介體戊二醛取代分子氧作為氧化還原酶酶促反應(yīng)的電子受體,促成了1987年美國(guó)MediSene 公司開(kāi)發(fā)成功印刷酶電極.?發(fā)展迅速 ※文章方面: web of science 中輸入“biosensor”共檢索到10035篇文章，約從1993-2006年 ※功能方面：活體( in vivo)測(cè)定、多指標(biāo)測(cè)定和聯(lián)機(jī)在線(on line)測(cè)定。

※檢測(cè)對(duì)象：各種常見(jiàn)的生物化學(xué)物質(zhì)，在臨床、發(fā)酵、食品、化工和環(huán)保等方面均顯示了廣泛的應(yīng)用前景?1984 華盛頓召開(kāi)的國(guó)際生物工程年會(huì)上將生物傳感器列為當(dāng)代生物工程的重要領(lǐng)域之一?1985 Elsevier科學(xué)出版公司創(chuàng)刊《生物傳感器》國(guó)際學(xué)術(shù)期刊，1990 更名為《生物傳感器和生物電子學(xué)》(Biosensors & Bioelectronics).?1987 德國(guó)Dusseldor 召開(kāi)以生物傳感為4個(gè)主題之一的BIOTECH’87.表 1-1 歷屆世界生物傳感器學(xué)術(shù)大會(huì)的主題內(nèi)容及其論文數(shù)量年份主題分類入選論文篇數(shù)地點(diǎn)1990親和傳感器普通生物傳感器葡萄糖生物傳感器微型生物傳感器流動(dòng)注射分析法205新加坡1992酶?jìng)鞲衅饔H和傳感器生物傳感器與生物電子學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)154瑞士日內(nèi)瓦1994生物傳感器的商業(yè)發(fā)展和應(yīng)用酶?jìng)鞲衅饔H和生物傳感器全細(xì)胞傳感器248美國(guó)新奧爾良1996催化生物傳感器親和生物傳感器生物電子學(xué)綜合257泰國(guó)曼谷2000酶?jìng)鞲衅髅庖邆鞲衅魃镫娮訉W(xué)受體傳感器分子識(shí)別商業(yè)化問(wèn)題385美國(guó)圣地亞哥2002生物電子學(xué)與微分析系統(tǒng)核酸傳感器與DNA芯片生物體與全細(xì)胞傳感器酶?jìng)鞲衅髅庖邆鞲衅魃虡I(yè)化與市場(chǎng)組合與分子印跡（專題）414日本京都1998催化生物傳感器基于受體的生物傳感器核酸傳感器免疫傳感器生物電子學(xué)商業(yè)化問(wèn)題425德國(guó)柏林2004核酸生物傳感器與DNA芯片生物電子學(xué)，生物燃料電池，微分析系統(tǒng)酶?jìng)鞲衅髌鞴倥c全細(xì)胞生物傳感器系統(tǒng)集成，蛋白質(zhì)組學(xué)和單細(xì)胞分析免疫傳感器天然與合成受體生物傳感器新的信號(hào)傳導(dǎo)技術(shù)商業(yè)化與市場(chǎng)560西班牙格拉納達(dá)生物傳感器發(fā)展階段20世紀(jì)60～70年代，起步階段：傳統(tǒng)酶電極20世紀(jì)70年代末期到80年代，發(fā)展高潮階段：介體酶電極20世紀(jì)90年代以后市場(chǎng)開(kāi)發(fā)獲得顯著成績(jī)生物親和傳感器的技術(shù)突破（SPR）酶的直接電化學(xué)1.2 生物傳感器的原理和特點(diǎn)待分析物待分析物生生物物敏敏感感膜膜化學(xué)量或化學(xué)量或物理量變化物理量變化換換　　能能　　器器可定量加工可定量加工的電信號(hào)的電信號(hào)圖 1-2 生物傳感器傳感原理生物敏感膜生物敏感膜(biosensitive membrane)又稱分子識(shí)別元件又稱分子識(shí)別元件(molecular recognition element),是生物傳感器的關(guān)鍵元是生物傳感器的關(guān)鍵元件，直接決定傳感器的功能和質(zhì)量．件，直接決定傳感器的功能和質(zhì)量．表1-2 生物傳感器的分子識(shí)別元件分子識(shí)別元件（生物敏感膜）生物活性材料酶全細(xì)胞組織細(xì)胞器免疫物質(zhì)具有生物親和能力的物質(zhì)核酸模擬酶各種酶電極細(xì)菌，真菌，動(dòng)物，植物的細(xì)胞動(dòng)物、植物的組織切片線粒體，葉綠體抗體，抗原，酶標(biāo)抗原等配體，受體寡聚核苷酸高分子聚合物這里所說(shuō)的膜是采用固定化技術(shù)制作的人工膜而不是天然的生物膜(細(xì)胞膜)表 1-3 生物學(xué)反應(yīng)信息和換能器的選擇生物學(xué)反應(yīng)信息換能器選擇離子變化電阻變化、電導(dǎo)變化質(zhì)子變化氣體分壓變化熱焓變化光學(xué)變化顏色變化（也屬于光學(xué)范疇）質(zhì)量變化力變化震動(dòng)頻率變化？-折射率變化離子選擇性電極阻抗計(jì)，電導(dǎo)儀場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣敏電極熱敏電阻，熱電偶光纖，光敏管，熒光計(jì)光纖，光敏管壓電晶體管微懸臂梁表面等離子共振換能器的作用是將各種生物的、化學(xué)的和物理的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)生物傳感器的主要特點(diǎn)1、多樣性。

根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性，理論上可以制成測(cè) 定所有生物物質(zhì)的酶?jìng)鞲衅?、無(wú)試劑分析除了緩沖液以外，大多數(shù)酶?jìng)鞲衅鞑恍枰砑悠渌治鲈噭?、操作簡(jiǎn)單，快速、準(zhǔn)確，易于聯(lián)機(jī)4、可以重復(fù)使用、連續(xù)使用，也可以一次性使用1.3 生物傳感器的基本概念與類型基本概念 § 生物傳感器概念來(lái)源于Clark關(guān)于酶電極的描述，關(guān)鍵是傳感器的構(gòu)成中分子識(shí)別元件為具有生物學(xué)活性的材料 § 首屆世界生物傳感器學(xué)術(shù)大會(huì)(Biosensor’s 90)上將生物傳感器定義為由生物活性材料與相應(yīng)的換能器的結(jié)合體，能測(cè)定特定的化學(xué)物質(zhì)(主要是生物物質(zhì))；而將能用于生物參量測(cè)定但構(gòu)成中不含生物活性材料的裝置稱為生物敏(biosensing)傳感器§ Turner教授定義為：生物傳感器是一種精致的分析器件，它結(jié)合一種生物的或生物衍生的敏感元件與一只理化換能器，能夠產(chǎn)生間斷或連續(xù)的數(shù)字電信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度與被分析物成比例圖圖 1-3 生物傳感器分類生物傳感器分類類型類型分子識(shí)別元件分子識(shí)別元件分類法分類法酶?jìng)鞲衅髅競(jìng)鞲衅髅庖邆鞲衅髅庖邆鞲衅鹘M織傳感器組織傳感器細(xì)胞傳感器細(xì)胞傳感器核酸傳感器核酸傳感器微生物傳感器微生物傳感器分子印跡生物分子印跡生物傳感器傳感器Enzyme sensorImmunosensorTissue sensorOrganelle sensorDNA/RNA sensorMicrobial sensorMolecular imprinted biosensor圖圖 1-3 生物傳感器分類生物傳感器分類類型類型器件分類法器件分類法光生物傳感器光生物傳感器電導(dǎo)電導(dǎo)/阻抗生物傳感器阻抗生物傳感器聲波生物傳感器聲波生物傳感器熱生物傳感器熱生物傳感器電化學(xué)生物傳感器電化學(xué)生物傳感器半導(dǎo)體生物傳感器半導(dǎo)體生物傳感器懸臂梁生物傳感器懸臂梁生物傳感器Optical biosensorCalorimetric biosensorAcoustic wave biosensorConductive/impedance biosensorElectrochemical biosensorSemiconduct biosensorCantilever biosensor?根據(jù)生物傳感器的特性還有其他的命名或分類尺寸尺寸微型生物傳感器微型生物傳感器(micro biosensor)納米生物傳感器納米生物傳感器(nano biosensor)親和生物傳感器親和生物傳感器Affinity biosensor免疫傳感器免疫傳感器酶酶PZ生物傳感器生物傳感器SPR生物傳感器生物傳感器凡以分子間特異識(shí)別凡以分子間特異識(shí)別并結(jié)合的生物傳感器并結(jié)合的生物傳感器滋味傳感器滋味傳感器能夠同時(shí)測(cè)定兩種以能夠同時(shí)測(cè)定兩種以上指標(biāo)的生物傳感器上指標(biāo)的生物傳感器多功能傳感器多功能傳感器Multifunctional biosensor嗅覺(jué)傳感器嗅覺(jué)傳感器鮮度傳感器鮮度傳感器血液成分傳感器血液成分傳感器兩種以上不同的分子識(shí)別元兩種以上不同的分子識(shí)別元件組成的生物傳感器或采用件組成的生物傳感器或采用兩種或多種反應(yīng)原理構(gòu)成兩種或多種反應(yīng)原理構(gòu)成雜合生物傳感器雜合生物傳感器Hybridized biosensor多酶?jìng)鞲衅鞫嗝競(jìng)鞲衅髅该?微生物雜合傳感器微生物雜合傳感器電化學(xué)電化學(xué)-熱生物傳感熱生物傳感器器 對(duì)于個(gè)別生物傳感器的命名對(duì)于個(gè)別生物傳感器的命名,一般采用一般采用“功能功能+構(gòu)成特征構(gòu)成特征”的方法，的方法，比如：葡萄糖氧化酶電極，谷氨酸脫氫酶電極，比如：葡萄糖氧化酶電極，谷氨酸脫氫酶電極，BOD微生物電極，葡萄微生物電極，葡萄糖酶光纖傳感器等。

糖酶光纖傳感器等1.4 生物芯片生物芯片生物芯片biochip芯片實(shí)驗(yàn)室芯片實(shí)驗(yàn)室分析生物芯片分析生物芯片DNA芯片芯片蛋白質(zhì)芯片蛋白質(zhì)芯片多肽芯片多肽芯片其他芯片其他芯片lab on chip生物計(jì)算機(jī)芯片生物計(jì)算機(jī)芯片蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)芯片蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)芯片DNA計(jì)算機(jī)芯片計(jì)算機(jī)芯片biocomputeranalytical biochip圖圖 1- 4 生物芯片基本類型生物芯片基本類型?生物計(jì)算機(jī)芯片的出現(xiàn)源于對(duì)傳統(tǒng)的硅芯片計(jì)算機(jī)的發(fā)展前景的憂慮?生物計(jì)算機(jī)20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始研制，最大的特點(diǎn)是采用了生物芯片生物芯片生物芯片?由基因技術(shù)產(chǎn)生的‘智能’蛋白質(zhì)分子構(gòu)成；?在這種芯片中信息以波的形式傳播；?其運(yùn)算速度比當(dāng)時(shí)最好的計(jì)算機(jī)快10萬(wàn)倍； ?能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的1/10；?擁有巨大的儲(chǔ)存能力；?能自動(dòng)修復(fù)芯片發(fā)生的故障?分析生物芯片伴隨人類基因組計(jì)劃的誕生和發(fā)展解碼含大約30億個(gè)核苷酸的人類基因組，需要強(qiáng)大的DNA序列分析能力DNA序列分析方法迄今都基于英國(guó)劍橋大學(xué)Sanger教授的酶法?1989 E. Southern 專利：分析多聚核苷酸序列描述了如何在固相載體（如玻片）上通過(guò)DNA雜交來(lái)對(duì)樣品DNA序列進(jìn)行測(cè)定，稱為雜交測(cè)序( sequencing by hybridization, SBH)。

此方法可以用于點(diǎn)突變分析、基因組指紋、連接分析、mRNA表征、 mRNA類群分析和核酸序列分析?1988 Andrei D. Mirzabekov 論文：利用寡核苷酸對(duì)DNA測(cè)序的新方法；1991 改良雜交測(cè)序芯片這些早期的報(bào)道開(kāi)創(chuàng)了基因芯片研究領(lǐng)域基因組學(xué)、遺傳學(xué)基因組學(xué)、遺傳學(xué)18%技術(shù)方法技術(shù)方法28%基因表達(dá)基因表達(dá)17%疾病診斷疾病診斷9%病原檢測(cè)病原檢測(cè)8%8%綜述、評(píng)論綜述、評(píng)論13%13%藥物篩選和研究藥物篩選和研究3%3%序列分析序列分析3%其他其他1%圖 1-5 DNA芯片的應(yīng)用領(lǐng)域( 從SCI-Expanded 和CCR-Expanded數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)，截止2004年4月共294篇) 芯片實(shí)驗(yàn)室是另一類生物芯片，有時(shí)被稱為主動(dòng)式生物芯片科學(xué)家們芯片實(shí)驗(yàn)室是另一類生物芯片，有時(shí)被稱為主動(dòng)式生物芯片科學(xué)家們?cè)噲D將生物化學(xué)分析的整個(gè)過(guò)程縮微到芯片上，通過(guò)微細(xì)加工工藝制作的微試圖將生物化學(xué)分析的整個(gè)過(guò)程縮微到芯片上，通過(guò)微細(xì)加工工藝制作的微濾器、微分離器、微反應(yīng)器、微泵、微閥門、微電極等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品從濾器、微分離器、微反應(yīng)器、微泵、微閥門、微電極等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品從制備、分離、生化反應(yīng)到檢測(cè)和分析的全過(guò)程，從而極大地縮短檢測(cè)時(shí)間和制備、分離、生化反應(yīng)到檢測(cè)和分析的全過(guò)程，從而極大地縮短檢測(cè)時(shí)間和分析時(shí)間，并節(jié)省實(shí)驗(yàn)材料。

分析時(shí)間，并節(jié)省實(shí)驗(yàn)材料 生物芯片是一類在微小基片上，利用微加工技術(shù)、生物技術(shù)或化學(xué)合生物芯片是一類在微小基片上，利用微加工技術(shù)、生物技術(shù)或化學(xué)合成技術(shù)制作的具有一定分析、檢測(cè)、儲(chǔ)存或計(jì)算功能的微型生物器件成技術(shù)制作的具有一定分析、檢測(cè)、儲(chǔ)存或計(jì)算功能的微型生物器件1.5 生物傳感器的商品開(kāi)發(fā)1.5.1 市場(chǎng)值?2001-2003 全球生物傳感器銷售額50億美元?2003 全球生物傳感器銷售額73億美元(應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)、生物防范、食品與飲品、環(huán)境、生物/藥物研究)?2007 全球生物傳感器的市場(chǎng)總值將達(dá)108億美元商品化的生物傳感器主要有5種類型： 酶電極生化分析儀 BOD測(cè)定儀 手持式血糖測(cè)定儀 SPR分析儀 各類生物芯片1.5.2 酶電極生化分析儀 1972-1975年美國(guó) Yellow Springs 儀器公司在Clark酶電極的基礎(chǔ)上研制出第一個(gè)商品葡萄糖分析儀(YSI Glucose Analyer Model-23) YS2300乳酸分析儀 YS2700 SELECTTM 系列生化分析儀 YS2710 自動(dòng)分析24份樣品 YS2710 在線分析(on line analysis)1.5.3手持式血糖測(cè)定儀 1987年英國(guó)MediSense公司開(kāi)發(fā)出第一個(gè)手掌型和筆型血糖測(cè)定儀Exac TechTM 我國(guó)有30種手持式血糖測(cè)定儀,年銷售額已近10億美元.1.5.4 SPR分析儀 1990年瑞典Pharmacia公司基于 SPR生物傳感器原理的生物分子相互作用開(kāi)發(fā)BIACore分析儀.1.6 發(fā)展趨勢(shì) 1) 電化學(xué)生物傳感器和光生物傳感器(熒光,生物發(fā)光和化學(xué)發(fā)光),兩類傳感器占主流. 2)上升趨勢(shì)型:生物芯片,分子印跡/模擬傳感器,表面等離子體(SPR)生物傳感器 穩(wěn)定發(fā)展型:光生物傳感器和壓電生物傳感器. 下降趨勢(shì)型: 熱生物傳感器報(bào)道很少,電化學(xué)生物傳感器的比例下降 3)2003~2004年發(fā)表論文數(shù)量順序:電化學(xué)生物傳感器>光生物傳感器>生物芯片>壓電生物傳感器>半導(dǎo)體生物傳感器>表面等離子體生物傳感器>熱生物傳感器 另外,分子生物學(xué)和基因工程方法在生物傳感器研究中逐步獲得應(yīng)用生物傳感器的發(fā)展趨勢(shì): 1) 更加靈敏、準(zhǔn)確、快速和簡(jiǎn)便是分析科學(xué)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的共同特征。

2) 生物芯片使高通量、多參數(shù)的同步測(cè)定成為可能 3) 挑戰(zhàn)性需求包括體內(nèi)測(cè)定、細(xì)胞內(nèi)測(cè)定、單分子分析、在線測(cè)定等為了滿足這些要求，基因技術(shù)，納米技術(shù)，各種單分子熒光技術(shù)，仿生技術(shù)或生物模擬技術(shù)得到發(fā)展 生物體本身就是各種精巧生物傳感器的匯集體,其結(jié)構(gòu)的精密程度和完善的功能都是迄今任何人工傳感器所不能比擬的.美國(guó)Oak Bridge 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出感知化學(xué)和生物試劑的生物報(bào)告(bioreporter)技術(shù). 其基本原理是將能夠產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)或其他信號(hào)的報(bào)告基因與啟動(dòng)子promoter順序克隆,當(dāng)細(xì)胞環(huán)境中有被分析物存在時(shí),細(xì)胞啟動(dòng)子受激啟動(dòng)報(bào)告基因的轉(zhuǎn)錄,然后利用細(xì)胞的整套翻譯機(jī)制譯成報(bào)告蛋白質(zhì),并產(chǎn)生可以檢測(cè)的信號(hào).啟動(dòng)子啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯翻譯報(bào)告蛋白報(bào)告蛋白分析物分析物信號(hào)信號(hào)圖圖1-7 完整細(xì)胞或生物體傳感過(guò)程模式圖解完整細(xì)胞或生物體傳感過(guò)程模式圖解當(dāng)生物體與特異的分析物接觸時(shí)當(dāng)生物體與特異的分析物接觸時(shí),啟動(dòng)子啟動(dòng)子/報(bào)告基因復(fù)合物被轉(zhuǎn)報(bào)告基因復(fù)合物被轉(zhuǎn)錄成信使錄成信使RNA(mRNA), 然后翻譯成報(bào)告蛋白質(zhì)然后翻譯成報(bào)告蛋白質(zhì),最終形成響應(yīng)最終形成響應(yīng)信號(hào)信號(hào)在生物傳感發(fā)展進(jìn)程中，我們只不過(guò)剛剛結(jié)束在黑暗中摸索，開(kāi)始在陽(yáng)光下耕作沃土??Clark第二章 分子識(shí)別元件及其生物反應(yīng)基礎(chǔ)2.1 概述 生物傳感器的分子識(shí)別元件又稱敏感元件，主要指來(lái)源于生物體的生物活性物質(zhì)，包括酶、抗原、抗體和各種功能蛋白質(zhì)、核酸、微生物細(xì)胞、細(xì)胞器、動(dòng)植物組織等。

當(dāng)它們用作生物傳感器的敏感元件時(shí)，都無(wú)一例外地具有對(duì)靶分子（待檢測(cè)對(duì)象）特異的識(shí)別功能本章主要內(nèi)容?酶反應(yīng)?微生物反應(yīng)?免疫學(xué)反應(yīng)?核酸反應(yīng)?催化抗體?催化核酸?生物反應(yīng)中伴隨著發(fā)生的物理量變化2.2 酶及酶反應(yīng)2.2.1 酶反應(yīng)基本概念一) 酶的定義 酶(enzyme)是細(xì)胞產(chǎn)生的、以蛋白質(zhì)為主要成分、能加快反應(yīng)速率、并且具有催化專一性的生物催化劑 酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有特殊三維空間構(gòu)象的功能化蛋白質(zhì)生物體內(nèi)代謝過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)絕大多數(shù)是在酶的催化下進(jìn)行的，酶的存在是在生物體進(jìn)行新陳代謝的必要條件 酶具有催化劑的共性： 可以降低生化反應(yīng)的活化能，使活化分子數(shù)大大增加，故少量的酶即可大大加快反應(yīng)的速度 只改變反應(yīng)速度而不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)，即酶加速達(dá)到平衡而不改變平衡的位置，它不能催化熱力學(xué)上不能進(jìn)行的反應(yīng) 酶參加生化反應(yīng)前后無(wú)變化，故可重復(fù)使用，因而具有化學(xué)放大的功能 二) 酶的蛋白質(zhì)性質(zhì) 酶都是蛋白質(zhì)，或者以蛋白質(zhì)為主要成分。

主要證據(jù)：酶都是蛋白質(zhì)，或者以蛋白質(zhì)為主要成分主要證據(jù)：1)蛋白質(zhì)是氨基酸組成的，而酶的水解產(chǎn)物都是氨基酸，酶也是蛋白質(zhì)是氨基酸組成的，而酶的水解產(chǎn)物都是氨基酸，酶也是由氨基酸組成的由氨基酸組成的2)酶具有蛋白質(zhì)所具有的顏色反應(yīng)酶具有蛋白質(zhì)所具有的顏色反應(yīng)3)一切能使蛋白質(zhì)變性的因素，如熱、酸、堿、紫外線等，同樣一切能使蛋白質(zhì)變性的因素，如熱、酸、堿、紫外線等，同樣可以使酶變性失活可以使酶變性失活4)酶同樣具有蛋白質(zhì)所具有的大分子性質(zhì)，如不能透過(guò)半透膜，酶同樣具有蛋白質(zhì)所具有的大分子性質(zhì)，如不能透過(guò)半透膜，可以電泳，并有一定等電點(diǎn)可以電泳，并有一定等電點(diǎn)三) 酶的催化性質(zhì) 酶是生物催化劑，與一般催化劑相比較有如下特點(diǎn)：酶是生物催化劑，與一般催化劑相比較有如下特點(diǎn)： 1) 高度專一性高度專一性( specification)，，或稱特異性或稱特異性一種酶，一種底物一種酶，一種底物” 2) 催化效率高以分子比為基礎(chǔ)，其催化效率是其他催化劑的催化效率高以分子比為基礎(chǔ)，其催化效率是其他催化劑的107~1013倍 3) 酶是蛋白質(zhì)，遇高溫、酸堿容易失活，酶催化一般在溫和條件下進(jìn)行 4) 有些酶(如脫氫酶)需要輔酶或輔基，若輔助成分除去，則酶不表現(xiàn)催化活性。

5) 酶在體內(nèi)的活力常常受多種方式調(diào)控，包括基因水平調(diào)控，反饋調(diào)節(jié)，激素控制，酶原激活等 6) 酶促反應(yīng)產(chǎn)生的信息變化有多種形式，如熱、光、電、離子化學(xué)等四) 酶的分類與命名 1955年,國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)(International Commission on Enzymes, EnzymeCommission, EC)成立,解決酶的命名問(wèn)題. 1964年,EC定了酶分類的標(biāo)準(zhǔn),按照酶的催化反應(yīng)類型,將酶分為六大類: 1) 氧化還原酶類(oxidoreductases) A?2H + B A+B ?2H 包括氧化酶,過(guò)氧化物酶,脫氫酶等 2) 轉(zhuǎn)移酶類(transferases):催化某一化學(xué)基團(tuán)從某一分子到另一分子 A? B + C A+B ?C B為被轉(zhuǎn)移的基團(tuán),如磷酸基,氨基,酰胺基.包括轉(zhuǎn)氨酶,轉(zhuǎn)甲基酶等 3) 水解酶類(hydrolases):催化水解反應(yīng),在底物特定的鍵上引入水的羥基和氫 A? B + H2O AOH+BH 包括肽酶(即蛋白酶,水解肽鍵),酯酶(水解酯鍵),糖苷酶(水解糖苷鍵)等 4) 裂合酶類(lyases):催化C-C, C-O, C-N, 或C=S鍵裂解或縮合 AB A+B 如脫羧酶,碳酸苷酶 5) 異構(gòu)酶類(isomerases)使底物分子內(nèi)發(fā)生重排 A A’ 6) 合成酶類(ligases)或稱連接酶類,它催化兩個(gè)分子的連接,并與腺苷三磷酸(ATP)的裂解偶聯(lián),同時(shí)產(chǎn)生腺苷單磷酸(AMP)和焦磷酸(PPi) A + B + ATP AB + AMP + Ppi 如氨基酸激活酶類 在每一大類中都有若干亞類,每個(gè)亞類可再分成若干亞亞類,每個(gè)亞亞類包括若干種具體的酶,每一種酶在國(guó)際系統(tǒng)分類中的位置用特定的四個(gè)數(shù)字組成的編號(hào)表示.酶學(xué)編號(hào)(EC number) 由4個(gè)數(shù)字構(gòu)成,如脂肪酶(甘油酯水解酶)的系列編號(hào)為“EC 3.1.1.3”,表示第三大酶類(水解酶),第一亞類(水解發(fā)生在酯鍵),第一亞亞類(羥基酯水解),甘油酯水解酶.五) 酶量表示法 酶活力單位用國(guó)際單位(International Unit, IU)表示.一個(gè)酶活力單位指在特定條件下(如25℃,pH及底物等其他條件采用最佳條件),在1min能轉(zhuǎn)化1?mol底物分子的酶量,單位為IU. 酶比活力(specific activity)指1mg酶所具有的酶活力,一般用IU/mg表示.比活性高,說(shuō)明酶的純度高. 酶含量指每克或每毫升酶制劑含有的活力單位數(shù),即IU/g或IU/ml.2.2.2 酶的作用機(jī)理一) 降低反應(yīng)活化能 酶的構(gòu)象對(duì)底物分子顯示分子識(shí)別能力，可作為一種催化劑，加速反應(yīng)的進(jìn)程，這樣的反應(yīng)稱為酶促反應(yīng)。

酶可以使反應(yīng)至少加速100萬(wàn)倍酶對(duì)應(yīng)的加速是通過(guò)酶與底物結(jié)合形成復(fù)合物以降低反應(yīng)的活化自由能實(shí)現(xiàn)的這種復(fù)合物的形成為反應(yīng)提供了一條新的途徑，它的過(guò)度態(tài)能量要比沒(méi)有酶條件下相應(yīng)所需要的能量低的多 反反應(yīng)應(yīng)活活化化能能AA*G2G1?GB時(shí)間時(shí)間圖2-1 酶對(duì)反應(yīng)活化能的影響無(wú)酶摻入是活化能為G1,酶催化時(shí)降為G2,但反應(yīng)的自由能變化?G保持不變,B為反應(yīng)生成產(chǎn)物分子的能量狀態(tài)A 初態(tài)( initial)A*活化態(tài),過(guò)度態(tài) (transition state)G1活化能(energy of activation)活化能:在一定溫度下,1 mol底物全部進(jìn)入活化態(tài)所需要的自由能F (free energy),單位是 J/mol.酶的高效催化活性來(lái)源于以下幾個(gè)方面： 1)張變、扭曲效應(yīng)進(jìn)行酶反應(yīng)時(shí)，底物先與酶形成酶-底物復(fù)合物，由于互補(bǔ)不甚精確，從而導(dǎo)致底物產(chǎn)生某種張變、扭曲，使基態(tài)底物轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)度態(tài)構(gòu)象，降低活化能，加快反應(yīng)速度 2)酸堿催化酶分子中具有各種酸性或堿性氨基酸側(cè)鏈，酸堿催化通過(guò)瞬時(shí)向反應(yīng)物提供質(zhì)子或從反應(yīng)物中汲取質(zhì)子，以穩(wěn)定過(guò)渡態(tài)，加速反應(yīng)。

3)親核、親電子催化在催化時(shí)，親核催化劑或親電子催化劑能分別放出電子或汲取電子并作用底物的缺電子中心或負(fù)電中心，迅速形成不穩(wěn)定的共價(jià)復(fù)合物，降低反應(yīng)自由能，加速反應(yīng) 4)多元催化和協(xié)同效應(yīng)酶分子是一個(gè)擁有多種不同側(cè)鏈基團(tuán)組成活性中心的大分子，這些基團(tuán)在催化過(guò)程中根據(jù)各自的特點(diǎn)發(fā)揮不同的作用而酶的催化作用則是一個(gè)綜合結(jié)果，是通過(guò)這些側(cè)鏈基團(tuán)的協(xié)同作用共同完成的二)結(jié)構(gòu)專一性 酶催化的專一性是由酶蛋白分子(尤其是分子中的活性部分)結(jié)構(gòu)特性決定的對(duì)底物專一性程度的不同專一性較低族專一性鍵專一性對(duì)底物的化學(xué)鍵及一端有要求對(duì)底物的化學(xué)鍵有要求僅對(duì)一種物質(zhì)催化對(duì)底物的化學(xué)鍵及兩端有要求立體專一性對(duì)底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和立體有要求三)酶的輔助因子(co-factor) 酶需要輔助因子才能行使催化功能.輔助因子包括金屬離子和有機(jī)化合物,它們構(gòu)成酶的輔酶(co-enzyme)或輔基(prosthetic group),與酶蛋白共同組成全酶(holoenzyme)脫去輔基的酶蛋白不含有催化活性，稱為脫輔基酶蛋白(apoenzyme)，有時(shí)又稱為酶原(proenzyme, zymogen). 輔酶與酶蛋白松弛結(jié)合，可以通過(guò)透析法除去：輔酶A　　　　輔基與酶蛋白牢固結(jié)合：金屬離子　　　　鐵卟啉(亞鐵血紅素，heme) 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，NADH　　　　　　　四）酶的活性中心(active center) 酶的特殊催化能力只局限在它的大分子的一定區(qū)域,這個(gè)區(qū)域就是酶的活性中心,它往往位于分子表面的凹穴中。

酶酶不需要輔酶需要輔酶活性中心是酶分子中在三維結(jié)構(gòu)上活性中心是酶分子中在三維結(jié)構(gòu)上比較靠近的幾個(gè)氨基酸殘基組成比較靠近的幾個(gè)氨基酸殘基組成輔酶分子或輔酶分子上的某一部分結(jié)構(gòu)輔酶分子或輔酶分子上的某一部分結(jié)構(gòu)往往就是活性中心的組成部分往往就是活性中心的組成部分 活性中心的各基團(tuán)與附近的其他殘基有序的排列,使得這個(gè)部位的空間結(jié)構(gòu)恰好適合與底物分子直接緊密接觸,并具有適宜的非極性微環(huán)境,以利于基團(tuán)間發(fā)生靜電作用. 一般認(rèn)為活性中心有兩個(gè)功能部分: 結(jié)合域(binding domain):參與同底物結(jié)合,決定酶促反應(yīng)的專一性 催化域(catalytic domain):直接進(jìn)行催化,決定酶的催化效率五)“鄰近”效應(yīng)、“定向”效應(yīng) “鄰近”(Vicinity)效應(yīng)指兩個(gè)反應(yīng)分子的反應(yīng)基團(tuán)需要互相靠近才能反應(yīng) 但是，僅僅“鄰近”還不夠，還需要兩個(gè)將要反應(yīng)的基團(tuán)分子軌道交叉，而交叉的方向性極強(qiáng)，稱為“定向”(orientation)這樣就使得兩個(gè)分子間的反應(yīng)變?yōu)榉肿觾?nèi)的反應(yīng)，提高了反應(yīng)速率 生物體系中的許多反應(yīng)屬于雙分子反應(yīng)，在酶的作用下，原游離存在的反應(yīng)物分子被結(jié)合在活性中心，彼此靠得很近，并且分子軌道也按確定的方向發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，使得反應(yīng)易于進(jìn)行。

有人估計(jì)， “鄰近”效應(yīng)及“定向”效應(yīng)可能使反應(yīng)速度增長(zhǎng)上億倍 六）誘導(dǎo)契合假說(shuō) 活性中心通常為一個(gè)口袋或裂縫，由周圍的氨基酸鏈幫助結(jié)合底物，而其他的氨基酸直接參與催化反應(yīng) 1894年，德國(guó)生物化學(xué)家E. Fishcher提出“鎖-鑰假說(shuō)” (lock-and-key hypothesis)，即酶與其特異性底物在空間結(jié)構(gòu)上互為瑣-鑰關(guān)系 1958年,D.Koshland提出誘導(dǎo)契合假說(shuō)(induced fit hypothesis):底物底物酶酶酶酶-底物復(fù)合物底物復(fù)合物底物底物酶酶底物變形底物變形酶分子變形酶分子變形七）酶催化的化學(xué)形式 酶催化的化學(xué)形式主要包括共價(jià)催化和酸堿催化 在共價(jià)催化中，酶與底物形成反應(yīng)活性很高的共價(jià)中間物，這個(gè)中間物很易變成過(guò)渡態(tài)(transition state),故反應(yīng)的活化能大大降低，底物可以越過(guò)較低的能閾而形成產(chǎn)物 酸堿催化廣義的指質(zhì)子供體及質(zhì)子受體的催化酶反應(yīng)中的酸堿催化十分重要，發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的許多反應(yīng)都是受酸堿催化的 酶蛋白中可以起酸堿催化作用的功能團(tuán)有氨基、羧基、巰基、酚羥基及咪唑基等。

2.2.3 酶促反應(yīng)的米氏動(dòng)力學(xué) 底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響比較復(fù)雜，將反應(yīng)初速度?對(duì)底物濃度[S]作圖：Vm? ?1/2VmKM[S]圖2-4 酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系1 1、底物濃度低時(shí)，反應(yīng)速度隨底物濃度的、底物濃度低時(shí)，反應(yīng)速度隨底物濃度的增加呈線性增長(zhǎng)，表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)增加呈線性增長(zhǎng)，表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)2 2、隨著底物濃度的增加，反應(yīng)速度增高趨、隨著底物濃度的增加，反應(yīng)速度增高趨緩，表現(xiàn)為混合反應(yīng)緩，表現(xiàn)為混合反應(yīng)3 3、再繼續(xù)加大底物濃度，反應(yīng)速度趨向一、再繼續(xù)加大底物濃度，反應(yīng)速度趨向一個(gè)極限，近似零級(jí)反應(yīng)，說(shuō)明酶已被飽和，個(gè)極限，近似零級(jí)反應(yīng)，說(shuō)明酶已被飽和，這是酶促反應(yīng)特有的現(xiàn)象這是酶促反應(yīng)特有的現(xiàn)象 Michaelis和和Menten首先提出酶促反應(yīng)中存在著酶首先提出酶促反應(yīng)中存在著酶- -底物中間底物中間復(fù)合物，并將酶促反應(yīng)過(guò)程表示為：復(fù)合物，并將酶促反應(yīng)過(guò)程表示為： E + S ES E + P (2-7) 從這一理論出發(fā)，根據(jù)化學(xué)平衡原理，推導(dǎo)出表示底物與反從這一理論出發(fā)，根據(jù)化學(xué)平衡原理，推導(dǎo)出表示底物與反應(yīng)濃度與反應(yīng)速度之間的關(guān)系方程式：應(yīng)濃度與反應(yīng)速度之間的關(guān)系方程式： 這就是米氏方程這就是米氏方程( Michaelis equation ).式中，式中，Vm為最大反應(yīng)速度，為最大反應(yīng)速度， KM為米氏常數(shù)為米氏常數(shù)(Michaelis constant ).根據(jù)規(guī)定，米氏常數(shù)是根據(jù)規(guī)定，米氏常數(shù)是(2-7)中三個(gè)解離常數(shù)的復(fù)合函數(shù)：中三個(gè)解離常數(shù)的復(fù)合函數(shù)： KM=(k1+k2)/Kcatk1k2K Kcatcat? = Vm[S]/(KM+[S]) 米氏常數(shù)在數(shù)值上等于酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大速度一半(1/2VM)時(shí)的底物濃度，單位為mol/L或mg/L，是酶的重要特征常數(shù)，它可以通過(guò)將米氏方程變換成雙倒數(shù)方程實(shí)驗(yàn)求得。

對(duì)于KM，還可以作如下分析： 1)一定條件下，酶的KM是常數(shù)對(duì)不同來(lái)源的酶，比較其KM，可確定哪些酶是同種酶，哪些酶是同工酶(催化作用相同，但性質(zhì)或構(gòu)造不同的酶) 2)KM受pH與溫度等環(huán)境因素的影響，在不同環(huán)境條件下求出KM，可探索環(huán)境對(duì)KM乃至對(duì)酶活性的影響 3)如果酶作用底物有幾種，則最小KM(也有用最小Vm/KM比值)表示底物與酶的最適底物或天然底物 4)從酶的KM可粗略估計(jì)細(xì)胞內(nèi)底物濃度變動(dòng)范圍，一般來(lái)說(shuō)，底物濃度不會(huì)比KM高出太多 5)從KM與米氏方程式，可以求出達(dá)到規(guī)定反應(yīng)速度的適當(dāng)?shù)牡孜餄舛?，或已知底物濃度下相?yīng)的反應(yīng)速度理論上，若是達(dá)到最大反應(yīng)速度，底物濃度至少要20 KM濃濃度度0[S][P][E]t[ES][E]反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)前(ES形成)穩(wěn)態(tài)期(ES幾乎穩(wěn)定)圖2-5 酶動(dòng)力學(xué)溫態(tài)期反應(yīng)物質(zhì)濃度變化穩(wěn)態(tài)假說(shuō)The Steady-State Assumption 催化常數(shù)Kcat(catalytic constant)是酶動(dòng)力學(xué)的第二個(gè)重要常數(shù),用來(lái)直接描述酶分子活力:在最適合的底物濃度下,每摩爾酶每分鐘將底物濃度轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的底物的摩爾數(shù)(或有關(guān)基因的當(dāng)量數(shù)). Kcat越大,在酶分子表面的催化事件發(fā)生越快,即催化效率高. Kcat的單位是s-1,因此, Kcat的倒數(shù)可以被看作是時(shí)間(s),即一個(gè)酶分子轉(zhuǎn)換一個(gè)底物分子所需要的時(shí)間,故Kcat有時(shí)被稱為轉(zhuǎn)化數(shù)(turnover number).影響酶促反應(yīng)的因素 影響酶促反應(yīng)的因素很多，除了酶和底物的性質(zhì)，還有酶的抑制劑、溫度、pH值、酶的活性和底物濃度等。

1)抑制劑 永久性(不可逆):不可逆抑制劑的結(jié)合位點(diǎn)通常與底物的結(jié)合位點(diǎn)不同，它是通過(guò)分解酶與底物的復(fù)合物來(lái)抑制反應(yīng)物的生成，因此這種抑制不能通過(guò)加過(guò)量的底物來(lái)消除可用化學(xué)方法除去抑制劑，使酶復(fù)活 暫時(shí)性(可逆)：是抑制劑和酶很快達(dá)成平衡由于酶和抑制劑的結(jié)合是可逆的，所以可逆抑制劑可以被大濃度的正常底物所取代 2)溫度 溫度主要影響酶的穩(wěn)定性它導(dǎo)致酶的構(gòu)象變化而影響酶和底物的結(jié)合，而降低酶促反應(yīng)的最大反應(yīng)速度通常在4℃下保存 3)3)pHpH pH對(duì)酶促反應(yīng)的影響：使酶的空間結(jié)構(gòu)破壞，引起酶的失活；影響酶活性部位催化基團(tuán)的解離狀態(tài)，使底物不能分解為產(chǎn)物；影響酶活性部位結(jié)合基團(tuán)的解離狀態(tài)，使其不能與底物結(jié)合；影響底物的解離狀態(tài)，使底物不能和酶結(jié)合，或結(jié)合后不能生成產(chǎn)物2.3微生物反應(yīng)2.3.1微生物反應(yīng)的特點(diǎn) 微生物反應(yīng)過(guò)程是利用微生物進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程,就是將微生物作為生物催化劑進(jìn)行的反應(yīng).酶在微生物反應(yīng)中起最基本的催化作用. 微生物反應(yīng)與酶促反應(yīng)的共同點(diǎn): 1)同屬生化反應(yīng),都在溫和條件下進(jìn)行; 2)凡是酶可以催化的反應(yīng),微生物也可以催化; 3)催化速度接近,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式近似.? 微生物反應(yīng)的特殊性: 1)微生物細(xì)胞的膜系統(tǒng)為酶反應(yīng)提供了天然的適宜環(huán)境,細(xì)胞可以在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí) 間內(nèi)保持一定的催化活性; 2)在多底物反應(yīng)時(shí),微生物顯然比單純酶更適宜作催化劑; 3)細(xì)胞本身能提供酶促反應(yīng)所需要的各種輔助因子和能量; 4)微生物細(xì)胞比酶的來(lái)源更方便、更便宜. ? 微生物作為傳感器分子識(shí)別元件時(shí)不利因素： 1)微生物反應(yīng)通常伴隨細(xì)胞的生長(zhǎng)和調(diào)亡，不易建立分析標(biāo)準(zhǔn)； 2)細(xì)胞是多酶系統(tǒng)，許多代謝途徑并存，難以排除不必要的反應(yīng)； 3)環(huán)境變化會(huì)引起微生物生理狀態(tài)的復(fù)雜化,不適當(dāng)?shù)牟僮鲿?huì)導(dǎo)致代謝轉(zhuǎn)換現(xiàn)象, 出現(xiàn)不期望有的反應(yīng).2.3.2微生物反應(yīng)類型1)同化與異化 (根據(jù)微生物代謝流向) 同化作用(assimilation)或組成代謝: 細(xì)胞將底物攝入并通過(guò)一系列生化反映轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì),并儲(chǔ)存能量. 異化作用(disassimilation)或分解代謝:細(xì)胞將自身的組成物質(zhì)分解以釋放能量或排出體外. 2)自養(yǎng)與異養(yǎng) (根據(jù)微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的要求) 自養(yǎng)(autotrophic):自養(yǎng)微生物的CO2作為主要碳源,無(wú)機(jī)氮化物作為氮源,通過(guò)細(xì)菌的光合作用或化能合成作用獲得能量. 異樣(heterotrophic):異養(yǎng)微生物以有機(jī)物做碳源,無(wú)機(jī)物或有機(jī)物作氮源,通過(guò)氧化有機(jī)物獲得能量. 絕大多數(shù)微生物種類都屬于異養(yǎng)型.3) 好氣性與厭氣性 (根據(jù)微生物反應(yīng)對(duì)氧的需求與否) 好氧(aerobic)性微生物:在有空氣的環(huán)境中才易生長(zhǎng)繁殖的微生物. 厭氧(anaerobic)性微生物:必須在無(wú)分子氧的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖的微生物.4)細(xì)胞能量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移 微生物反應(yīng)所產(chǎn)生的能量大部分轉(zhuǎn)移為高能化合物. 高能化合物是指含轉(zhuǎn)移勢(shì)高的基團(tuán)的化合物,其中以ATP最為重要,它不僅潛能高,而且是生物體能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵物質(zhì),直接參與各種代謝反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)移. 有兩類反應(yīng)可以產(chǎn)生ATP.2.3.3分析微生物學(xué) 分析微生物學(xué)(analytical microbiology)是利用微生物完成定量分析任務(wù)的學(xué)科.有些情況下,微生物測(cè)定法比化學(xué)方法更專一和靈敏,效率亦更高. 細(xì)胞增殖和呼吸法最常用. b2.4 免疫學(xué)反應(yīng) 免疫指機(jī)體對(duì)病原生物感染的抵抗能力. 自然免疫是非特異性的,即能抵抗多種病原微生物的損害. 獲得性免疫是特異性的,在微生物等抗原物質(zhì)刺激后才形成(免疫球蛋白等),并能與該抗原起特異性反應(yīng).2.4.1抗原1)抗原的定義:抗原(antigen)是能夠刺激動(dòng)物機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì),但從廣義的生物學(xué)觀點(diǎn)看,凡是具有引起免疫反應(yīng)性能的物質(zhì),都可稱為抗原. 抗原有兩種性能:刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答反應(yīng) 免疫原性(immunogenicity) 完全抗原(complete antigen,Ag)與相應(yīng)免疫反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生特異性結(jié)合反應(yīng) 反應(yīng)原性(reactionogenicity)半抗原(hapten)2)抗原的種類 按抗原物質(zhì)的來(lái)源,抗原分為三類: (1) 天然抗原 (2) 人工抗原 (3) 合成抗原3)抗原的理化性質(zhì)(1)物理性狀 分子質(zhì)量對(duì)免疫原性的影響: 分子質(zhì)量越大抗原性越強(qiáng),原因在于復(fù)雜的大分子物質(zhì)表面抗原決定族較多,化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,在體內(nèi)存留時(shí)間長(zhǎng),降解和排除速率較慢,有利于持續(xù)刺激肌體免疫系統(tǒng),產(chǎn)生免疫應(yīng)答. 抗原構(gòu)型對(duì)免疫原性的影響:環(huán)壯構(gòu)型>直線構(gòu)型 聚合態(tài)分子>單體分子(2)化學(xué)組成 絕大多數(shù)為蛋白質(zhì),可為純蛋白質(zhì),也可為結(jié)合蛋白質(zhì)4)抗原決定簇(antigen determinant) 抗原決定簇是抗原分子表面的特殊化學(xué)基團(tuán)，抗原的特異性取決于抗原決定簇的性質(zhì)、數(shù)目和空間排列。

２.4.2抗體　　抗體(antibody)是由抗原刺激機(jī)體產(chǎn)生的具有特異性免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白(immunoglobulin, Ig)人類免疫球蛋白有五類，即IgG、IgM、IgA、IgD和IgE　　　圖２-６免疫球蛋白(Ig)結(jié)構(gòu)模式圖重鏈(heavy chain,H鏈): 分子質(zhì)量較大,420-460個(gè)氨基酸組成輕鏈(light chain,L鏈): 分子質(zhì)量較小,213-216個(gè)氨基酸組成S–SS–SS–SC 端N端L鏈H鏈C區(qū)區(qū)抗原結(jié)合區(qū)抗原結(jié)合區(qū)V區(qū)區(qū)2.4.3抗原-抗體反應(yīng) 抗原抗體的相互作用是所有免疫化學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ).它們之間的反應(yīng)是指抗原與抗體之間發(fā)生的特異性結(jié)合反應(yīng).這種反應(yīng)可發(fā)生于體內(nèi)(in vivo),也可發(fā)生在體外(in vitro).體內(nèi)反應(yīng)可介導(dǎo)吞噬、溶菌、殺菌、中和毒素等作用;體外反應(yīng)則根據(jù)抗原的物質(zhì)性狀、抗體的類型及反應(yīng)的特點(diǎn)而分為凝聚、沉淀、溶解反應(yīng)等不同的類型 抗體與抗原的特異性結(jié)合點(diǎn)位于Fab L鏈及H鏈的高變區(qū)(抗體活性中心),其構(gòu)型取決于抗原決定簇的空間位置,兩者可形成互補(bǔ)性構(gòu)型. 抗原、抗體結(jié)合時(shí)準(zhǔn)確對(duì)位的兩個(gè)條件： 結(jié)合部位的形成要互補(bǔ)于抗原的形狀 抗體活性中心帶有與抗原決定簇相反的電荷 抗體的特異性是相對(duì)的，表現(xiàn)在： 部分抗體不完全與抗原決定簇相對(duì)應(yīng) 即便是針對(duì)某一種半抗原的抗體，其化學(xué)結(jié)構(gòu)也可能不一樣 抗原抗體結(jié)合在一定pH或離子強(qiáng)度下也是可逆的。

基于抗原-抗體反應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)于以下幾個(gè)方面：1)用已知抗原檢測(cè)未知抗體2)用已知抗體檢測(cè)未知抗原3)定性或定量檢測(cè)體內(nèi)各種大分子物質(zhì)4)用已知抗體檢測(cè)某些藥物、激素等各種半抗原物質(zhì)影響抗原-抗體結(jié)合反應(yīng)的因素1)抗原抗體的性質(zhì):抗原-抗體反應(yīng)的整體強(qiáng)度受3個(gè)因素控制:抗體對(duì)表位的內(nèi)在親和力,抗原抗體的結(jié)合價(jià)以及參與反應(yīng)成分的立體結(jié)構(gòu).2)電解質(zhì):抗原抗體發(fā)生特異性結(jié)合后,由親水性膠體變?yōu)槭杷阅z體,電極質(zhì)的存在會(huì)使抗原-抗體復(fù)合物失去電荷而沉淀或凝集,出現(xiàn)可見(jiàn)反應(yīng).3)酸堿度:蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì),抗原抗體的反應(yīng)必須在合適的pH環(huán)境中進(jìn)行.4)溫度:一般在37℃,高溫抗原抗體變性,低溫反應(yīng)太慢.2.4.4免疫學(xué)分析 免疫分析是利用抗體與抗原的特異性結(jié)合作用來(lái)選擇性識(shí)別和測(cè)定可以作為抗體或抗原的待測(cè)物.抗原-抗體反應(yīng)的特異性和專一性決定了免疫反應(yīng)具有很高的選擇性. 1)沉淀法 可溶性抗體與其相應(yīng)的抗原在液相中相互接觸,可形成不溶性抗原-抗體復(fù)合物而發(fā)生沉淀,包括擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)和電泳試驗(yàn),此為經(jīng)典的免疫學(xué)實(shí)驗(yàn),靈敏度水平為?g/ml. 2)放射免疫測(cè)定法(radiation immunoassay, RIA) 利用放射性同位素示蹤技術(shù)和免疫化學(xué)技術(shù)結(jié)合起來(lái)的方法,靈敏度高,特異性強(qiáng),準(zhǔn)確度高,重復(fù)性好;同位素危害 3)免疫熒光測(cè)定法(immuno fluorescent assay) 高度的特異性和敏感性,可定位serum carcinoembryonic antigen (CEA)4)酶聯(lián)免疫測(cè)定法(enzyme linked immunoassay, ELISA) 用酶促反應(yīng)的放大作用來(lái)顯示初級(jí)免疫學(xué)反應(yīng). 靈敏度不高,但是特異性,重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性很好,成本低,穩(wěn)定性好和操作安全等,應(yīng)用最廣. 酶免疫分析主要有兩種:夾心法和競(jìng)爭(zhēng)法. 夾心法要求抗原至少有兩個(gè)結(jié)合點(diǎn),不能用于檢測(cè)半抗原,多用于測(cè)定大分子物質(zhì).產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與結(jié)合在固相上的抗原量成比例關(guān)系.EEE固體抗原固體抗原待檢抗原待檢抗原酶標(biāo)記抗體酶標(biāo)記抗體底物底物酶促反應(yīng)酶促反應(yīng)檢檢測(cè)測(cè)夾心法測(cè)抗原示意圖夾心法測(cè)抗原示意圖 競(jìng)爭(zhēng)法產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與結(jié)合在固相上的酶標(biāo)抗體量成正比例關(guān)系,與樣品中的抗原量成反比關(guān)系.主要用于測(cè)定小分子抗原.EEEE+EEE檢檢測(cè)測(cè)競(jìng)爭(zhēng)法測(cè)抗原示意圖 5)電化學(xué)免疫分析(electrochemistry immunoassay, ECIA) 電化學(xué)免疫分析是將免疫技術(shù)和電化學(xué)檢測(cè)相結(jié)合的一種標(biāo)記免疫分析方法. 用作電化學(xué)免疫分析的生物酶及反應(yīng)體系須滿足以下條件:? 酶具有高或性,可在短時(shí)間內(nèi)將大量底物分子轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物;?產(chǎn)物具有電化學(xué)或性;?酶底物和酶在緩沖溶液中穩(wěn)定;?酶產(chǎn)物的副反應(yīng)很少;?容易與抗體或抗原結(jié)合,且不降低活性;?在測(cè)定條件下體系底物非活性.2.5核酸與核酸反應(yīng)2.5.1核酸組成與結(jié)構(gòu) 1)核酸的組成成分 核酸是所有生命體的遺傳信息分子,包括脫氧核糖核酸(DNA, deoxyribonucleic acid)和核糖核酸(RNA, ribonucleic acid). 兩類核酸都是由單核苷酸(nucleotide)組成的多聚物.核酸分子中的核苷序列組成密碼,其功能是儲(chǔ)存和傳輸遺傳信息,指導(dǎo)各類型蛋白質(zhì)的合成. 單核苷酸的組成: 堿基,脫氧核糖或是核糖,磷酸基團(tuán) 腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A),鳥(niǎo)嘌呤鳥(niǎo)嘌呤(guanine,G)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C), 胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)DNADNA的堿基組成的堿基組成 　　　　※※ ChargaffChargaff規(guī)則的內(nèi)容規(guī)則的內(nèi)容　　　　　　　?、?Ⅰ. 所有所有DNADNA：：A=TA=T、、G=CG=C，即，即A+G=T+CA+G=T+C　　　　　　　　Ⅱ.Ⅱ. DNA DNA的堿基組成具有種的特異性，的堿基組成具有種的特異性，　　　　　　即不同種的　　　　　　即不同種的DNADNA堿基組成不一樣堿基組成不一樣　　　　　　　　Ⅲ.Ⅲ. 對(duì)同一生物物種，對(duì)同一生物物種，DNADNA的堿基組成的堿基組成　　　　　　沒(méi)有組織和器官的特異性　　　　　　沒(méi)有組織和器官的特異性　　　　　　　?、?Ⅳ. DNADNA的堿基組成不隨年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況及的堿基組成不隨年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況及　　　　　　環(huán)境的改變而改變　　　　　　環(huán)境的改變而改變　　　　※※ ChargaffChargaff規(guī)則的意義規(guī)則的意義　　該規(guī)則為后來(lái)建立　　該規(guī)則為后來(lái)建立DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型奠定的基礎(chǔ)，并為雙螺旋結(jié)構(gòu)模型奠定的基礎(chǔ)，并為闡明闡明DNADNA的生物學(xué)功能提供了重要依據(jù)。

的生物學(xué)功能提供了重要依據(jù)2) DNA結(jié)構(gòu) 一級(jí)結(jié)構(gòu): 脫氧核苷酸在長(zhǎng)鏈上的排列順序 二級(jí)結(jié)構(gòu): 雙螺旋鏈(堿基配對(duì)規(guī)則) 氫鍵(最主要的力) 維持雙螺旋鏈穩(wěn)定因素: 堿基堆積力(van der Waals) 分子內(nèi)部堿基對(duì)間的疏水鍵Watson和和Crick于于1953年根據(jù)年根據(jù)DNA晶體的晶體的X-射線衍射射線衍射　　　圖譜和　　　圖譜和Chargaff規(guī)則等數(shù)據(jù)提出規(guī)則等數(shù)據(jù)提出雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu):B型A型C型Z型:左旋不同構(gòu)象只是螺距、直徑、每圈含堿基數(shù)目不同3) RNA 結(jié)構(gòu) RNA在細(xì)胞中主要以單鏈形式存在,可暫時(shí)形成雙螺旋,或自折疊成雙螺旋區(qū)域.尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)2.5.2 DNA變性(denature) 　核酸的紫外吸收特性　核酸的紫外吸收特性　　◆◆ DNADNA在在260260nmnm處有最大的紫外吸收值處有最大的紫外吸收值　　因嘌呤堿和嘧啶堿對(duì)　　因嘌呤堿和嘧啶堿對(duì)250250～～280280nmnm的光波有強(qiáng)的吸收作用，對(duì)的光波有強(qiáng)的吸收作用，對(duì)260260nmnm光波的光波的吸收能力最大。

吸收能力最大　　◆◆當(dāng)核苷酸摩爾數(shù)相同時(shí)，當(dāng)核苷酸摩爾數(shù)相同時(shí)，A260A260的大小有如下關(guān)系：的大小有如下關(guān)系：?jiǎn)魏塑账釂魏塑账? > > 單鏈單鏈DNA DNA > > 雙鏈雙鏈DNA DNA 從從左到右稱為左到右稱為減色效應(yīng)減色效應(yīng)(hypochromism), 從右到左稱為從右到左稱為增色效應(yīng)增色效應(yīng)(hyperchromic effect)　　◆◆ DNADNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)比雙螺旋松馳結(jié)構(gòu)對(duì)紫外的雙螺旋結(jié)構(gòu)比雙螺旋松馳結(jié)構(gòu)對(duì)紫外(260(260nm)nm)的吸收要小，最大可的吸收要小，最大可降低約降低約34%34%因?yàn)镈NADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的堿基對(duì)彼此之間又形成了堿基堆積力，雙螺旋結(jié)構(gòu)中的堿基對(duì)彼此之間又形成了堿基堆積力，影響了堿基對(duì)影響了堿基對(duì)260260nmnm光的吸收當(dāng)光的吸收當(dāng)DNADNA雙螺旋松散后，所得的光吸收值幾乎是雙螺旋松散后，所得的光吸收值幾乎是其組成中所有堿基光吸收值的總和其組成中所有堿基光吸收值的總和　　◆ DNA的紫外吸收特性的應(yīng)用　　 　　估計(jì)核酸樣品的純度　　 　　一般：A260/A280＝1.8～2.0，DNA純度符合要求　　 　　 　　 A260/A280<1.8,提示DNA樣品中含有蛋白質(zhì)　　 　　 　　 A260/A280>2.0,提示DNA樣品中含有RNA◆ 實(shí)質(zhì)　破壞了核酸的空間結(jié)構(gòu)，但不涉及一級(jí)結(jié)構(gòu)(共價(jià)鍵）的斷裂。

◆ 引起變性的因素　加熱（熱變性）、介質(zhì)中的pH過(guò)低或過(guò)高、加入有機(jī)溶劑、加入尿素等介質(zhì)中的pH過(guò)酸或過(guò)堿對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的影響：過(guò)量酸使A、G、C上的氮原子質(zhì)子化，不利于氫鍵形成；過(guò)量堿使G、T上的氮原子去質(zhì)子化，亦不利于氫鍵形成◆高溫時(shí)DNA雙鏈會(huì)分離,稱為解鏈(melting).當(dāng)溫度返回常溫時(shí),DNA或RNA能夠重新回到天然結(jié)構(gòu),稱為復(fù)性(annealing).當(dāng)光吸收強(qiáng)度增加到最大值的一半時(shí),所對(duì)應(yīng)的溫度稱為解鏈溫度(melting temperature), Tm.2.5.3核酸分子雜交 ◆◆　定義　定義　　　應(yīng)用核酸分子的變性和復(fù)性的性質(zhì)，使來(lái)源不同的　　　應(yīng)用核酸分子的變性和復(fù)性的性質(zhì)，使來(lái)源不同的DNA?。ɑ颉。ɑ騌NA））片斷按堿基互補(bǔ)關(guān)系形成雜交雙鏈分子，這一過(guò)程片斷按堿基互補(bǔ)關(guān)系形成雜交雙鏈分子，這一過(guò)程　　稱為　　稱為核酸的分子雜交核酸的分子雜交◆◆　雜交的兩條鏈　雜交的兩條鏈◇◇　一條是待測(cè)的單鏈的核酸分子，如克隆的基因片斷、　一條是待測(cè)的單鏈的核酸分子，如克隆的基因片斷、PCR產(chǎn)物、產(chǎn)物、基因組基因組DNA或細(xì)胞總或細(xì)胞總RNA等◇◇　另一條可以是探針　另一條可以是探針 核酸探針核酸探針是指特定的已知堿基序列的核酸片斷，可以是是指特定的已知堿基序列的核酸片斷，可以是DNA、、cDNA、、mRNA及及RNA等。

在現(xiàn)代分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，探針的制等在現(xiàn)代分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，探針的制備和使用是與分子雜交相輔相成的技術(shù)手段備和使用是與分子雜交相輔相成的技術(shù)手段◆◆　意義　意義 核酸雜交是核酸研究中一項(xiàng)最基本的實(shí)驗(yàn)技術(shù)該技術(shù)在分子核酸雜交是核酸研究中一項(xiàng)最基本的實(shí)驗(yàn)技術(shù)該技術(shù)在分子生物學(xué)研究領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，如用于基因組中特定基因序列的生物學(xué)研究領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，如用于基因組中特定基因序列的定性和定量檢測(cè)、基因突變分析以及某些遺傳性疾病（如地中海定性和定量檢測(cè)、基因突變分析以及某些遺傳性疾病（如地中海貧血、血友病、苯丙酮酸尿癥等）的診斷貧血、血友病、苯丙酮酸尿癥等）的診斷2.5.4核酸功能 一、 DNA功能:DNA是遺傳信息的載體,其所攜帶的信息不僅是安全可靠的,還可以讀取和利用,并代代穩(wěn)定相傳.DNA通過(guò)三個(gè)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)上述功能: 自我復(fù)制(self application)、自我修復(fù)(sefl- repair)和轉(zhuǎn)錄(transcription) 成mRNA并隨后被翻譯(translation)成蛋白質(zhì) DNA 自我復(fù)制發(fā)生在細(xì)胞分裂之前,分三個(gè)步驟: 1)在螺旋酶(helicase)的作用下,一部分雙鏈被打開(kāi); 2) DNA聚合酶與DNA的一條鏈結(jié)合,并沿3’端到5’端移動(dòng),利用該鏈為模板,合成一段核酸引鏈(leading strand),該鏈重新形成雙螺旋鏈. 3)由于DNA合成只能按5’端至3’端方向進(jìn)行,另一個(gè)DNA聚合酶也同時(shí)與另一條單鏈結(jié)合并進(jìn)行DNA片段的合成,并有連接酶將這些片段連接起來(lái),形成滯后鏈(lagging strand). 上面的過(guò)程形成兩個(gè)完全一樣的DNA分子，稱為復(fù)制(replication).復(fù)制的DNA分子被均等的分配到兩個(gè)子細(xì)胞，使它們具有完全相同的遺傳學(xué)信息。

DNA分子的每一條鏈都是一個(gè)模板，所合成的鏈稱為互補(bǔ)(complementary)鏈 如果復(fù)制過(guò)程中發(fā)生堿基錯(cuò)配(mismatch)，將發(fā)生基因點(diǎn)突變細(xì)胞主要有兩道防線防止突變的發(fā)生，一個(gè)是DNA聚合酶的校正(proof reading)功能，當(dāng)發(fā)生一個(gè)堿基錯(cuò)配后， DNA聚合酶的一個(gè)亞基將識(shí)別并將以切除，以重新進(jìn)行正確合成；另一個(gè)是DNA錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)，有多種模式它們?cè)贒NA復(fù)制完成以后，能夠?qū)NA繼續(xù)進(jìn)行檢查，識(shí)別出錯(cuò)配堿基，并將之切除修復(fù)這樣就保證了生物遺傳的穩(wěn)定性 轉(zhuǎn)錄過(guò)程是將DNA所攜帶的遺傳信息拷貝到短壽命的信使RNA (mRNA)上步驟如下： 1)DNA被轉(zhuǎn)錄部分解螺旋,RNA聚合酶與一條DNA的一條單鏈結(jié)合,該結(jié)合部位稱為啟動(dòng)子區(qū)域(promoter region). 2)RNA聚合酶以所結(jié)合的DNA鏈為模板,合成延伸一段序列互補(bǔ)的RNA鏈. 3)完全合成的RNA脫離RNA聚合酶/ DNA復(fù)合物,并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)開(kāi)始參與翻譯.2) RNA功能 RNA有信使RNA(mRNA)、轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)、核糖體RNA(rRNA)三類，以及新近發(fā)現(xiàn)的小分子核內(nèi)RNA(snRNA).分別有自己的功能。

nmRNA將DNA所含有的信息轉(zhuǎn)錄下來(lái)并來(lái)到蛋白質(zhì)翻譯機(jī)器(核糖體),在此它將直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成.nrRNA是蛋白質(zhì)合成機(jī)器—核糖體結(jié)構(gòu)的一部分.真核生物含有4種rRNA,在蛋白質(zhì)合成中有幾種作用:28s rRNA具有催化作用,它構(gòu)成核糖體60s亞基胎基轉(zhuǎn)移酶活性; 18s rRNA通過(guò)識(shí)別作用,校正mRNA和肽基化rRNA的位置; rRNA的三維空間結(jié)構(gòu)形成裝配整個(gè)核糖體的骨架.ntRNA直接將mRNA所轉(zhuǎn)錄的DNA信息解碼成蛋白質(zhì)的氨基酸序列.2.6催化抗體( catalytic antibody) 催化抗體也稱抗體酶(abzymes),是抗體(antibody)和酶(enzyme)的復(fù)合詞,是具有催化活性的單克隆抗體.它通常是人工合成物,但也存在于正常人體內(nèi)和病患者體內(nèi).2.7催化性核酸2.7.1 催化性RNA類型與結(jié)構(gòu)催化性RNA具有較弱的裂解和連接酶活性,其催化具有RNA序列選擇性順式剪切(cis-cleaving)反式剪切(trans-cleaving).超二級(jí)結(jié)構(gòu)(motif)錘頭RNA(hammerhead RNA)發(fā)夾RNA(hairpin RNA)組I內(nèi)含子(group I intron)組II內(nèi)含子(group II intron)RNA酶P中的RNA組分肝炎-?-RNA都能切斷磷酸二酯鍵2.7.2催化性DNA(catalytic DNA) 催化性RNA的主要缺點(diǎn)是比較脆弱,容易受核酸酶的攻擊而水解.如在雙螺旋形成超二級(jí)結(jié)構(gòu)域和催化域的某些特殊部位用DNA取代后能改善生物學(xué)穩(wěn)定性. 為了獲得能夠剪切RNA的DNA序列,一般用體外篩選方法. 無(wú)天然存在的催化性DNA,人工合成的催化性DNA是潛在的生物傳感器的分子識(shí)別元件.2.82.8生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化生物學(xué)反應(yīng)中的物理量變化 1)1)生物反應(yīng)的熱力學(xué)：生物反應(yīng)的熱力學(xué)：自發(fā)反應(yīng)總伴隨著自由能(free energy)的降低,生物學(xué)反應(yīng)過(guò)程都伴隨熱力學(xué)變化:分子相轉(zhuǎn)換、分子間相互作用、酶催化反應(yīng)、微生物細(xì)胞反應(yīng)。

2)生物發(fā)光(bioluminescence):是由于某些生物體內(nèi)一些特殊物質(zhì)(如熒光素)的氧化而產(chǎn)生的現(xiàn)象.3)顏色反應(yīng)和光吸收:生物反應(yīng)中的顏色變化包括生物體內(nèi)產(chǎn)生色素和生物體或酶與底物作用后產(chǎn)生顏色物質(zhì)兩個(gè)方面.4)阻抗變化:微生物反應(yīng)可使培養(yǎng)基中的電惰性物質(zhì)代謝為電活性產(chǎn)物.當(dāng)微生物生長(zhǎng)和代謝旺盛時(shí),培養(yǎng)基中生成的電活性分子和離子增多,使培養(yǎng)液的導(dǎo)電性增大,阻抗降低;反之,則阻抗升高.。