биоэлектрохимия
БИОЭЛЕКТРОХИМИЯ
изучает электрохим. закономерности, лежащие в основе биол. процессов (в частности, передачи информации по нервным волокнам, преобразования энергии, фотосинтеза, рецепции, взаимод. и слияния клеток), а также воздействие внеш. электрич. полей на биол. системы. Общая стадия всех упомянутых процессов — разделение зарядов (электронов или ионов), реализующееся в ходе окислительно-восстановит. реакции или при транспорте ионов через мембраны. Это приводит к возникновению мембранного потенциала и градиентов концентрации ионов между внутр. частью клетки и окружающей средой. Своб. энергия, накопленная в виде мембранного потенциала или концентрационных градиентов, обеспечивает генерацию и передачу нервных импульсов, синтез АТФ, некоторые виды мех. движения и т. п.
Термодинамика и кинетика окислительно-восстановит. реакций, в которых участвуют биологически активные соед., изучаются вольтамперометрич. методами с использованием капающего (обычно ртутного) или стационарного электрода. Эти методы позволяют определить число электронов, вовлеченных в реакцию при каждом значении потенциала, а также обнаружить неустойчивые промежут. соединения, в т. ч. короткоживущие радикалы, которые не удается зарегистрировать методом ЭПР. Электрохим. методы имеют широкую область применения и позволяют изучать тонкости механизма реакций. Они пригодны для проведения уникальных синтезов и решения сложных аналит. задач, т. к. чувствительность импульсной полярографии позволяет, напр., обнаружить 10−8 М электрохимически активного вещества. Возможность применения электрохим. методов для решения упомянутых проблем основана на сходстве электрохим. и биол. окислительно-восстановит. реакций: оба типа являются гетерогенными (первые осуществляются на повети электрода, вторые — на границе фермент — раствор), идут в одном интервале pH и в растворах той же ионной силы, протекают в неводных средах и в одинаковом интервале температур, включают стадию ориентации субстрата. Электрохим. методы позволяют получать информацию об окислительно-восстановит. потенциалах, числе электронов, механизме реакций с участием азотсодержащих гетероциклич. соед. (пурины, пиримидины, порфирины и т. п.). Емкостные измерения дают важные сведения об адсорбционных свойствах низкомол. и высокомол. биологически активных соед. (нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты).
В Б. мембран применяют след. модельные системы: плоские липидные бислои, липосомы, монослои на границе раздела фаз вода — воздух, границы раздела несмешивающихся жидкостей (напр., вода — октан). Бислои применяют для реконструкции транспортных клеточных систем-ионных каналов возбудимых биомембран активно транспортирующих белков (АТФ-азы, бактериородопсин и др.). Они удобны для изучения ионного транспорта, осуществляемого жирорастворимыми анионами (дипикриламин, тетрафенилборат и т. п.) и мембранно-активными комплексонами (валиномицин, грамицидин и пр.). На липидных би- и монослоях изучают поверхностные свойства мембран, напр. строение двойного электрического слоя, адсорбцию ионов и ПАВ. Наконец, бислои используют для изучения мех. свойств мембран, их устойчивости в электрич. поле и механизмов слияния. Применяемые методы: регистрация токов проводимости и емкостных токов при наложении электрич. напряжения, изменяющегося по определенному закону; измерение поверхностного натяжения или давления (в случае монослоев); регистрация Вольта-потенциала (в случае границ раздела вода — воздух, вода — октан); опгич. и спектральные измерения. Эксперим. и теоретич. исследования ионного транспорта на липидных бислоях в присутствии ионофоров позволили выявить два осн. механизма переноса — с помощью подвижных переносчиков (типичный пример — валиномицин) и через каналы (напр., грамицидин А). Показано, что транспортные системы возбудимых биол. мембран действуют как селективные ионные каналы.
Изучение механоэлектрич. явлений, напр. движения и ориентации клеток во внеш. электрич. полях, структурных перестроек мембран при электрич. пробое и электростимулируемом слиянии клеток, заложило основу для медико-биол. и биотехнол. приложений (создание искусств. носителей лек. препаратов, мембранная диагностика, получение гибридных клеток). Крупное достижение Б. — доказательство справедливости хемиосмотич. гипотезы Митчелла (объясняет механизм преобразования энергии в мембране при синтезе АТФ; см. биоэнергетика), полученное в опытах по реконструкции мембранных систем в разл. модельных системах, в т. ч. в липосомах.
Хотя изучение распространения возбуждений по нервным волокнам и нейронным сетям традиционно относится к электрофизиологии и биофизике, для понимания механизма этих процессов много дали исследования в таких электрохим. системах, как пассивирующиеся электроды и заряженные пористые мембраны.
К прикладной Б. относится разработка ионселективных микроэлектродов для внутриклеточного использования, микроэлектродов для внутриклеточных инъекций электрохимически активных веществ, электрохим. биосенсоров (бактериальные и тканевые электроды) и ионселективных электродов, использующих ионофоры. К медико-биол. приложениям относится изучение внеклеточных электрич. полей и механизмов воздействия внеш. полей и токов на физиол. процессы, включая регенерацию тканей.
Термин "Б." получил официальное признание в 1971.
Лит.: Скулачев В. П., Трансформация энергии в биомембранах, М, 1972; Маркин В. С, Чизмаджев Ю. А., Индуцированный ионный транспорт, М., 1974; Овчинников Ю. А., Иванов В. Т., ШкробА.М., Мембрано-активные комплексоны, М., 1974; Иммобилизованные ферменты, подред. И. В. Березина [и др.], т. 1–2, М., 1976; Богуславский Л. И., Биоэлектрохимические явления и граница раздела фаз, М., 1979; Маркин В. С, Пастушенко В. Ф., Чизмаджев Ю. А., Теория возбудимых сред, М., 1981; Корыта И., Ионы, электроды, мембраны, пер. с чешек., М., 1983; Dryhurst G., Electrochemistry of biological molecules, N.-Y.,1977.
Ю. А. Чизмаджев
