細菌如何產生生物電

❶ 簡述細胞生物電產生的原理

生物電現象是指生物細胞在生命活動過程中所伴隨的電現象。它與細胞興奮的產生和傳導有著密切關系。細胞的生物電現象主要出現在細胞膜兩側，故把這種電位稱為跨膜電位，主要表現為細胞在安靜時所具有的靜息電位和細胞在受到刺激時產生的動作電位。心電圖、腦電圖等均是由生物電引導出來的。

1.靜息電位及其產生原理

靜息電位是指細胞在安靜時，存在於膜內外的電位差。生物電產生的原理可用"離子學說"解釋。該學說認為：膜電位的產生是由於膜內外各種離子的分布不均衡，以及膜在不同情況下，對各種離子的通透性不同所造成的。在靜息狀態下，細胞膜對K+有較高的通透性，而膜內K+又高於膜外，K+順濃度差向膜外擴散；細胞膜對蛋白質負離子（A-）無通透性，膜內大分子A-被阻止在膜的內側，從而形成膜內為負、膜外為正的電位差。這種電位差產生後，可阻止K+的進一步向外擴散，使膜內外電位差達到一個穩定的數值，即靜息電位。因此，靜息電位主要是K+外流所形成的電-化學平衡電位。

2.動作電位及其產生原理

細胞膜受刺激而興奮時，在靜息電位的基礎上，發生一次擴布性的電位變化，稱為動作電位。動作電位是一個連續的膜電位變化過程，波形分為上升相和下降相。細胞膜受刺激而興奮時，膜上Na+通道迅速開放，由於膜外Na+濃度高於膜內，電位比膜內正，所以，Na+順濃度差和電位差內流，使膜內的負電位迅速消失，並進而轉為正電位。這種膜內為正、膜外為負的電位梯度，阻止Na+繼續內流。當促使Na+內流的濃度梯度與阻止Na+內流的電位梯度相等時，Na+內流停止。因此，動作電位的上升相的頂點是Na+內流所形成的電-化學平衡電位。

在動作電位上升相達到最高值時，膜上Na+通道迅速關閉，膜對Na+的通透性迅速下降，Na+內流停止。此時，膜對K+的通透性增大，K+外流使膜內電位迅速下降，直到恢復靜息時的電位水平，形成動作電位的下降相。

可興奮細胞每發生一次動作電位，膜內外的Na+、K+比例都會發生變化，於是鈉-鉀泵加速轉運，將進入膜內的Na+泵出，同時將逸出膜外的K+泵入，從而恢復靜息時膜內外的離子分布，維持細胞的興奮性。

❷ 生物電是如何產生的例如：蓄電池是化學反應產生電；發電機是磨擦產生電,那麼生物是如何產生電的呢

生物的每個細胞都有完整的細胞膜,細胞膜有兩層脂肪分子,細胞內帶電離子必須通過離子通道才能穿過細胞膜.在平時,細胞內鉀離子多,細胞外溶液中鈉離子多,細胞內外產生電勢差,這就是膜電位.一旦細胞膜通道打開,細胞外高濃度溶液流向細胞內,就產生動作電位.一個個肌肉細胞排列整齊,上面布滿神經,這就像把一個個小電池串聯起來那樣,雖然每個電池只有0.1伏特,如果有億萬個這樣小電池的話,那麼它的電壓就不小了.這就是有些生物的生物電有那麼高電壓的原因.

❸ 微生物如何產生生物電真的能解決未來的能源問題嗎

最後

目前研究人員的主要焦點是在污水處理廠建立生物電廠，無論產生什麼生物電都可以儲存在電容器中，當生物電量達到足夠的水平，就可以從電容器中釋放出來。

從理論上講，MFC是一種既能解決能源問題又能解決浪費問題的方案。

想像一下，在幾十年後，人們的房子或建築物將會附在MFC上，把垃圾倒進垃圾桶里，就等於給電池充電，這些電能反過來造福我們。

隨著科技的發展，未來總是美好的！

❹ 生物電如何產生的

生物電，為生物體內廣泛、繁雜的電現象，是正常生理活動的反映。企圖用一種學說，去解釋各種生物體中所出現的各種不同的電現象是不可能的。
生物有機體是一個導電性的容積導體。當一些細胞或組織上發生電變化時，將在這容積導體內產生電場。因此在電場的不同部位中可引導出電場的電位變化，而且其大小與波形各不相同。
例如，有些植物受刺激後，會產生運動反應。這時，往往出現可傳導的電位變化。比如，含羞草受刺激時，葉片發生的閉合運動反應，就能傳布相當的距離。在這一過程中，由刺激點發生的負電位變化，可以每秒2～10毫米的速度向外擴布。電位變化在1～2秒內達到最大值，其幅值可達50～100毫伏。但恢復時間長，需幾十分鍾才能回到原來的極性狀態，這一段負電位變化時期就是它的不應期。

❺ 生理學中生物電是如何產生的

生物電現象：細胞在靜息或活動狀態下所伴隨的各種電現象（離子電流、溶液導電、靜息電位、動作電位等）總稱為生物電現象。

（一）靜息電位

1.概念

靜息電位是指細胞未受刺激時，存在於膜內外兩側的電位差醫學教育/網搜集整理。

表現：細胞同側表面上各點間電位相等，細胞內外兩側存在電位差。所有動物細胞（及絕大多數植物細胞）的電位為外正內負。不同細胞靜息電位值不同。但每種細胞靜息電位值一般是穩定的。

2.形成機制

「膜學說」認為是由於膜內外兩側離子分布的不均勻以及細胞膜的選擇通透性。靜息狀態下，細胞膜對鉀離子有相對中等的通透性，對鈉離子的通透性只及前者約1/100等。

K+在濃度差作用下向細胞外擴散，並滯留在細胞外表面形成向內的電場，當達到電-化學平衡時，K+凈流量為零。因此，可以說靜息電位相當於K+外流形成的跨膜平衡電位。

（二）動作電位

1.概念

細胞膜受到刺激後，在靜息電位的基礎上膜兩側電位所發生的快速、可逆的倒轉和復原。

特點：①波幅大小與刺激強度無關，②可沿細胞表面進行不衰減傳導，③不能融合。

2.形成機制

先弄懂幾個相關概念：

極化：靜息狀態下，細胞膜外為正電位、膜內為負電位的狀態，稱為極化。

去極化：生物膜受到刺激或損傷後，膜內外的電位差逐漸減小，極化狀態逐步消徐，此種過程稱為去極化。

超極化：原有極化程度增強，靜息電位的絕對值增大，興奮性降低的狀態。

復極化：由去極化狀態恢復到靜息時膜外為正、膜內為負的極化狀態的過程，稱為復極化。

鋒電位：構成動作電位主要部分的一次短暫而尖銳的脈沖樣變化，是細胞興奮的標志。

後電位：繼鋒電位後所出現的電位波動。可分為負後電位（去極化後電位）和正後電位（超極化後電位）。它代表細胞興奮後興奮性的恢復過程。

動作電位產生的機制與靜息電位相似，都與細胞膜的通透性及離子轉運有關。

（l）去極化過程

當細胞受刺激而興奮時，膜對Na+通透性增大，對K+通透性減小，於是細胞外的Na+便會順其波度梯度和電梯度向胞內擴散，導致膜內負電位減小，直至膜內電位比膜外高，形成內正外負的反極化狀態。當促使Na+內流的濃度梯度和阻止Na+內流的電梯度，這兩種拮抗力量相等時，Na+的凈內流停止。因此，可以說動作電位的去極化過程相當於Na+內流所形成的電-化學平衡電位。

（2）復極化過程

當細胞膜除極到峰值時，細胞膜的Na+通道迅速關閉，而對K+的通透性增大，於是細胞內的K+便順其濃度梯度向細胞外擴散，導致膜內負電位增大，直至恢復到靜息時的數值。

可興奮細胞每發生一次動作電位，總會有一部分Na+在去極化中擴散到細胞內，並有一部分K+在復極過程中擴散到細胞外。這樣就激活了Na+-K+依賴式ATP酶即Na+-K+泵，於是鈉泵加速運轉，將胞內多餘的Na+泵出胞外，同時把胞外增多的K+泵進胞內，以恢復靜息狀態的離子分布，保持細胞的正常興奮性。如果說靜息電位是興奮性的基礎，那麼，動作電位則是可興奮細胞興奮的標志。

3.動作電位時相與興奮性時期

（1）動作電位時相

①鋒電位

上升支：去極化，反極化

下降支：復極化始段、中段

②後電位

負後電位：復極化末段

正後電位：超極化

（2）興奮性時期

①絕對不應期

②相對不應期

③超常期

④低常期

❻ 誰能告訴我生物電的發展歷史

生物電簡介。
生物電化學是20世紀70年代由電生物學、生物物理學、生物化學以及電化學等多門學科交叉形成的一門獨立的學科。電化學是研究電子導體(或半導體材料)/離子導體(一般為電解質溶液)或離子導體/離子導體界面結構、界面變化過程與反應機理的一門科學。生命現象最基本的過程是電荷運動，生物電的起因是由於細胞膜內外兩側存在電勢差，很多生命現象如人或動物的肌肉運動、細胞的代謝作用、神經的信息傳遞以及細胞膜的結構與功能都可用電化學原理來解釋。生物電池、心電圖、腦電圖等則是利用電化學方法模擬生物體內器官的生理規律及其變化過程的實際應用。由上可見，電化學是生命科學中最基礎的一門相關學科，因而研究生物電化學具有極其重要的意義。
近幾十年來生物電化學發展非常迅速 ，其研究分別在分子、細胞和生物組織等三個不同層次上進行。目前的研究領域主要有以下幾個方面：

1.生物膜與生物界面模擬研究

主要研究膜的電化學熱力學性質、物質的跨膜傳輸和生物電的傳遞等現象。

(1)SAM膜模擬生物膜的電化學研究

SAM是基於長鏈有機分子在基底材料表面的強烈化學結合和有機分子鏈間相互作用自發吸附在固/液或氣/固界面,形成的熱力學穩定、能量最低的有序膜。在單分子層中分子定向、有序、緊密地排列在一起,並且膜的結構和性質可以通過改變分子的頭基、尾基以及鏈的類型和長度來調節。因此，SAM成為研究各種復雜界面現象，如膜的滲透性、摩擦、磨損、濕潤、粘結、腐蝕、生物發酵、表面電荷分布以及電子轉移理論的理想模型體系。有關SAM的電化學主要是用電化學方法研究SAM的絕對覆蓋量、缺陷分布、厚度、離子通透性、表面電勢分布、電子轉移等。利用SAM可研究溶液中的氧化還原物種與電極間的跨膜(跨SAM)電子轉移,以及電活性SAM本身與電極間的電子轉移。在膜電化學中，硫醇類化合物在金電極表面形成的SAM是最典型的和研究最多的體系。因為長鏈硫醇類化合物在分子尺寸、組織模型和膜的自然形成三方面很類似於天然的生物雙層膜，同時它具有分子識別功能和選擇性響應,且穩定性高。所以硫醇類化合物在金電極上形成的SAM對仿生研究有重要意義。例如可用SAM表面分子的選擇性來研究蛋白質的吸附作用；以烷基硫醇化合物在金上的SAM膜為基體研究氧化還原蛋白質中電子的長程和界面轉移機制等；在硫醇SAM上沉積磷脂可較容易地構造雙層磷脂膜，以SAM來模擬雙層磷脂膜的准生物環境和酶的固定化使酶進行直接電子轉移已在生物感測器的研究中得到應用。如以胱氨酸或半胱氨酸為SAM,通過縮合反應鍵合上媒介體(如TCNQ、二茂鐵、醌類等)和酶可構成測葡萄糖、谷胱甘肽、膽紅素、蘋果酸等的多種生物感測器。

(2) 液/液界面模擬生物膜的電化學研究

所謂液/液(L/L)界面是指在兩種互不相溶的電解質溶液之間形成的界面,又稱為油/水(O/W)界面。有關L/L界面電化學的研究范圍很廣,包括L/L界面雙電層、L/L界面上的電荷轉移機理及動力學、生物膜模擬、以及電化學分析應用等。L/L界面可以看作與周圍電解質接觸的半個生物膜模型。生物膜是一種極性端分別朝細胞內和細胞外水溶液的磷脂自組裝結構,磷脂的親脂鏈形成像油一樣的膜內層。因此,從某種意義上來說,吸附著磷脂單分子層的L/L界面非常接近於生物膜/水溶液界面。磷脂是非常理想的實驗材料,它能很好地吸附在L/L界面上。電荷或電勢和磷脂單分子層表面張力之間的偶聯作用被認為是細胞和細胞中類脂質運動的基本驅動力。可見,L/L界面生物電化學是一很有生命力的研究領域,將繼續受到人們的廣泛重視。

2.生物電化應用技術

由於生命現象與電化學過程密切相關,因此電化學方法在生命科學中得到廣泛應用，主要有：電脈沖基因直接導入、電場加速作物生長、癌症的電化學療法、電化學控制葯物釋放、在體研究的電化學方法、生物分子的電化學行為、血栓和心血管疾病的電化學研究、骨骼的電生長、心電圖和腦電圖的研究、生物電池等。

電脈沖基因直接導入是基於帶負電的質粒DNA或基因片斷在高壓脈沖電場的作用下被加速「射」向受體細胞,同時在電場作用下細胞膜的滲透率增加(介電擊穿效應),使基因能順利導入受體細胞。由於細胞膜的電擊穿的可逆性,除去電場,細胞膜及其所有的功能都能恢復。此法已在分子生物學中得到應用。細胞轉化效率高，可達每微克DNA1010個轉化體,是用化學方法制備的感受態細胞的轉化率的10～20倍。

電場加速作物生長是很新的研究課題。Matsuzaki等報道過玉米和大豆苗在含0.5mmol/l K2SO4培養液中培養,同時加上20Hz,3V或4V(峰 峰)的電脈沖，6天後與對照組相比，秧苗根須發達，生長明顯加速。其原因可能是電場激勵了生長代謝的離子泵作用。

癌症的電化學療法是瑞典放射醫學家Nordenstrom開創的治療癌症的新方法。其原理是:在直流電場作用下，引起癌灶內一系列生化變化,使其組織代謝發生紊亂，蛋白質變性、沉澱壞死，導致癌細胞破滅。一般是將鉑電極正極置於癌灶中心部位，周圍紮上1～5根鉑電極作負極，加上6～10V的電壓，控制電流為30～100mA，治療時間2～6小時，電量為每厘米直徑癌灶100～150庫侖。此療法已推廣用於肝癌、皮膚癌等的治療。對體表腫瘤的治療尤為簡便、有效。

控制葯物釋放技術是指在一定時間內控制葯物的釋放速度、釋放地點，以獲得最佳葯效，同時緩慢釋放有利於降低葯物毒性。電化學控制葯物釋放是一種新的釋放葯物的方法，這種方法是把葯物分子或離子結合到聚合物載體上，使聚合物載體固定在電極表面，構成化學修飾電極，再通過控制電極的氧化還原過程使葯物分子或離子釋放到溶液中。葯物在載體聚合物上的負載方式分為共價鍵合型和離子鍵合型負載兩類。共價鍵合負載是通過化學合成將葯物分子以共價鍵方式鍵合到聚合物骨架上，然後利用塗層法將聚合物固定在固體電極表面形成聚合物膜修飾電極，在氧化或還原過程中葯物分子與聚合物之間的共價鍵斷裂，使得葯物分子從膜中釋放出來。離子鍵合負載是利用電活性導電聚合物如聚吡咯、聚苯胺等在氧化或還原過程中伴隨有作為平衡離子的對離子的嵌入將葯物離子負載到聚合物膜中，再通過還原或氧化使葯物離子從膜中釋放出來。

在體研究是生理學研究的重要方法，其目的在於從整體水平上認識細胞、組織、器官的功能機制及其生理活動規律。由於一些神經活性物質(神經遞質)具有電化學活性,因此電化學方法首先被用於腦神經系統的在體研究。當採用微電極插入動物腦內進行活體伏安法測定獲得成功後，立即引起了人們的極大興趣。該技術經過不斷的改善,被公認為在正常生理狀態下跟蹤監測動物大腦神經活動最有效的方法。通常可檢測的神經遞質有多巴胺、去甲腎上腺素、5-羥色胺及其代謝產物。微電極伏安法成為連續監測進入細胞間液中原生性神經遞質的有力工具。在體研究一般採用快速循環伏安法(每秒上千伏)和快速計時安培法。快速循環伏安法還被用於研究單個神經細胞神經遞質釋放的研究,發展成為所謂的「細胞電化學」。

生物分子的電化學行為的研究是生物電化學的一個基礎研究領域,其研究目的在於獲取生物分子氧化還原電子轉移反應的機理,以及生物分子電催化反應機理,為正確了解生物活性分子的生物功能提供基礎數據。所研究的生物分子包括小分子如氨基酸、生物鹼、輔酶、糖類等和生物大分子如氧化還原蛋白、RNA、DNA、多糖等。

3.電化學生物感測器和生物分子器件

感測器與通信系統和計算機共同構成現代信息處理系統。感測器相當於人的感官，是計算機與自然界及社會的介面，是為計算機提供信息的工具。感測器通常由敏感(識別)元件、轉換元件、電子線路及相應結構附件組成。生物感測器是指用固定化的生物體成分(酶、抗原、抗體、激素等)或生物體本身(細胞、細胞器、組織等)作為感元件的感測器。電化學生物感測器則是指由生物材料作為敏感元件，電極(固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極等)作為轉換元件，以電勢或電流為特徵檢測信號的感測器。由於使用生物材料作為感測器的敏感元件，所以電化學生物感測器具有高度選擇性，是快速、直接獲取復雜體系組成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技術、食品工業、臨床檢測、醫葯工業、生物醫學、環境分析等領域獲得實際應用。

根據敏感元件所用生物材料的不同，電化學生物感測器分為酶電極感測器、微生物電極感測器、電化學免疫感測器、組織電極與細胞器電極感測器、電化學DNA感測器等。

(1)酶電極感測器

以葡萄糖氧化酶(GOD)電極為例簡述其工作原理。在GOD的催化下，葡萄糖(C6H12O6)被氧氧化生成葡萄糖酸(C6H12O6)和過氧化氫。根據上述反應,顯然可通過氧電極(測氧的消耗)、過氧化氫電極(測H2O2的產生)和PH電極(測酸度變化)來間接測定葡萄糖的含量。因此只要將GOD固定在上述電極表面即可構成測葡萄糖的GOD感測器。這便是所謂的第一代酶電極感測器。這種感測器由於是間接測定法,故干擾因素較多。第二代酶電極感測器是採用氧化還原電子媒介體在酶的氧化還原活性中心與電極之間傳遞電子。第二代酶電極感測器可不受測定體系的限制,測量濃度線性范圍較寬,干擾少。現在不少研究者又在努力發展第三代酶電極感測器,即酶的氧化還原活性中心直接和電極表面交換電子的酶電極感測器。

目前已有的商品酶電極感測器包括:GOD電極感測器、L-乳酸單氧化酶電極感測器、尿酸酶電極感測器等。

(2)微生物電極感測器

將微生物(常用的主要是細菌和酵母菌)作為敏感材料固定在電極表面構成的電化學生物感測器稱為微生物電極感測器。其工作原理大致可分為三種類型：其一，利用微生物體內含有的酶(單一酶或復合酶)系來識別分子，這種類型與酶電極類似；其二，利用微生物對有機物的同化作用，通過檢測其呼吸活性(攝氧量)的提高，即通過氧電極測量體系中氧的減少間接測定有機物的濃度；其三，通過測定電極敏感的代謝產物間接測定一些能被厭氧微生物所同化的有機物。

微生物電極感測器在發酵工業、食品檢驗、醫療衛生等領域都有應用。例如；在食品發酵過程中測定葡萄糖的佛魯奧森假單胞菌電極；測定甲烷的鞭毛甲基單胞菌電極；測定抗生素頭孢菌素的Citrobacterfreudii菌電極等等。微生物電極感測器由於價廉、使用壽命長而具有很好的應用前景,然而它的選擇性和長期穩定性等還有待進一步提高。

(3)電化學免疫感測器

抗體對相應抗原具有唯一性識別和結合功能。電化學免疫感測器就是利用這種識別和結合功能將抗體或抗原和電極組合而成的檢測裝置。電化學免疫感測器從結構上可分為直接型和間接型兩類。直接型的特點是在抗體與其相應抗原識別結合的同時將其免疫反應的信息直接轉變成電信號。這類感測器在結構上可進一步分為結合型和分離型兩種。前者是將抗體或抗原直接固定在電極表面上，感測器與相應的抗體或抗原發生結合的同時產生電勢改變；後者是用抗體或抗原製作抗體膜或抗原膜，當其與相應的配基反應時，膜電勢發生變化，測定膜電勢的電極與膜是分開的。間接型的特點是將抗原和抗體結合的信息轉變成另一種中間信息,然後再把這個中間信息轉變成電信號。這類感測器在結構上也可進一步分為兩種類型：結合型和分離型。前者是將抗體或抗原固定在電極上；而後者抗體或抗原和電極是完全分開的。間接型電化學免疫感測器通常是採用酶或其他電活性化合物進行標記，將被測抗體或抗原的濃度信息加以化學放大，從而達到極高的靈敏度。

電化學免疫感測器的例子有：診斷早期妊娠的HCG免疫感測器；診斷原發性肝癌的甲胎蛋白(AFP)免疫感測器；測定人血清蛋白(HSA)免疫感測器；還有IgG免疫感測器、胰島素免疫感測器等等。

(4)組織電極與細胞器電極感測器

直接採用動植物組織薄片作為敏感元件的電化學感測器稱組織電極感測器，其原理是利用動植物組織中的酶，優點是酶活性及其穩定性均比離析酶高，材料易於獲取，制備簡單，使用壽命長等。但在選擇性、靈敏度、響應時間等方面還存在不足。

動物組織電極主要有：腎組織電極、肝組織電極、腸組織電極、肌肉組織電極、胸腺組織電極等。

植物組織電極敏感元件的選材范圍很廣，包括不同植物的根、莖、葉、花、果等。植物組織電極制備比動物組織電極更簡單，成本更低並易於保存。

細胞器電極感測器是利用動植物細胞器作為敏感元件的感測器。細胞器是指存在於細胞內的被膜包圍起來的微小「器官」，如線粒體、微粒體、溶酶體、過氧化氫體、葉綠體、氫化酶顆粒、磁粒體等等。其原理是利用細胞器內所含的酶(往往是多酶體系)。

(5)電化學DNA感測器

電化學DNA感測器是近幾年迅速發展起來的一種全新思想的生物感測器。其用途是檢測基因及一些能與DNA發生特殊相互作用的物質。電化學DNA感測器是利用單鏈DNA(ssDNA)或基因探針作為敏感元件固定在固體電極表面，加上識別雜交信息的電活性指示劑(稱為雜交指示劑)共同構成的檢測特定基因的裝置。其工作原理是利用固定在電極表面的某一特定序列的ssDNA與溶液中的同源序列的特異識別作用(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA)(電極表面性質改變)，同時藉助一能識ssDNA和dsDNA的雜交指示劑的電流響應信號的改變來達到檢測基因的目的。

4.生物能學和代謝過程

包括酶催化的氧化還原反應的力能學、線粒體呼吸鏈、光氧化還原反應和光合作用。光合作用作為整個過程，包括了吸收光子後的電子激發過程、膜電位的產生、電子和質子的轉移過程，以及隨後的一系列代謝反應。

生物電化學研究手段目前除了採用傳統的電化學方法外，電化學紫外可見光譜、電化學現場紅外光譜、電化學現場拉曼光譜、X射線衍射、掃描探針技術、電化學石英晶體微天平等方法得到廣泛應用。