2025年大学《化学生物学》专业题库- 生物分子的电化学性质

2025年大学《化学生物学》专业题库——生物分子的电化学性质考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.在生物体内，下列哪种物质或基团最常作为电化学活性中心的电子供体或受体？A.脂肪酸B.糖类C.含铁的血素辅基D.磷酸基团2.根据能斯特方程，当电极电位偏离标准电位时，溶液中相关离子活度（或浓度）发生变化，影响氧化还原电对（如Ox/Red）的平衡常数。A.正确B.错误3.在循环伏安法（CV）中，扫描方向由正扫变为负扫时，在还原电位处出现的峰称为？A.氧化峰B.还原峰C.氧化峰还原峰D.沉积峰4.细胞呼吸作用中，电子从NADH传递到氧气最终通过一系列蛋白质复合物，这一过程的主要能量转换形式是？A.光能转化为化学能B.化学能转化为热能C.电子能转化为化学能D.化学能转化为电能5.电化学阻抗谱（EIS）主要用来研究？A.电极过程的速率常数B.电极过程的可逆性C.体系对交流电信号的响应，以揭示电荷转移过程的电阻抗特征D.电极表面的化学反应动力学6.构成细胞色素c氧化酶活性中心的关键金属元素是？A.镁（Mg）B.锌（Zn）C.铁硫（Fe-S）D.铜（Cu）和铁（Fe）7.在生物传感器中，常利用酶催化反应前后电信号的变化来检测特定底物，这种传感器属于？A.氧化还原酶传感器B.抗体传感器C.基因传感器D.质谱传感器8.Tafel方程主要描述了电化学极化过程中，过电势与哪个参数之间的关系？A.电极电位B.电荷转移速率常数C.扩散系数D.活化能9.在生物样品分析中，选择电化学分析方法时，通常需要考虑样品的什么特性？A.纯度B.生物活性C.电导率D.稳定性10.单分子电化学技术能够研究单个生物分子（如单个酶分子或DNA分子）的电子转移行为，其主要优势在于？A.高通量B.高灵敏度C.能够揭示单个分子事件的细节和异质性D.操作简单二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.电极电位是指______的相对电势差，它反映了物质失去或获得电子的______。2.生物体内的氧化还原反应通常在特定的______微环境中发生，这些微环境对反应的方向和速率有重要影响。3.循环伏安法通过在电极上施加______的电位扫描，并记录相应的电流响应，从而研究电极过程。4.细胞色素c作为电子载体，其功能依赖于其______和______之间的氧化还原转换。5.电化学阻抗谱中，Randles电路模型通常包含______、______和______三个基本元件，用以模拟电荷转移过程。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述影响生物分子电化学活性的主要结构因素。2.简述酶基生物传感器的基本工作原理。3.简述在线伏安法在临床生物样品分析中的一种应用实例。四、计算题（共15分）已知在pH7.0的缓冲溶液中，某氧化还原电对Fe³⁺/Fe²⁺的标准电极电位E°(Fe³⁺/Fe²⁺)=+0.77V(vs.NHE)。假设该体系中Fe³⁺和Fe²⁺的活度相等（a(Fe³⁺)=a(Fe²⁺)=1x10⁻³M），请计算：（1）该氧化还原电对在当前条件下的实际电极电位（E）是多少？（使用能斯特方程，并注明单位）（2）假设将体系中的Fe³⁺浓度降至初始值的十分之一，而Fe²⁺浓度保持不变，请估算新的实际电极电位将如何变化？（定性描述即可，无需精确计算）五、论述题（共30分）论述电化学方法在研究细胞呼吸作用电子传递链中的优势和局限性。请结合具体的电化学技术（如伏安法、阻抗谱）和电子传递链中的关键组分（如复合物I-IV），说明如何利用这些方法获取相关信息，并分析可能存在的技术挑战。试卷答案一、选择题1.C2.B3.C4.C5.C6.D7.A8.B9.C10.C二、填空题1.氧化态物质与还原态物质；倾向2.细胞；特异性3.循环；扫描4.去氧化态；还原态5.电极反应电阻；电荷转移电阻；溶液扩散电阻三、简答题1.解析思路：考察对生物分子结构与电化学性质关联的理解。需要从分子结构角度分析影响其电子云分布、氧化还原电位和参与电子转移的能力的因素。*答案要点：金属辅基的存在（如铁、铜、硫），其氧化还原电位和电子转移能力是关键；蛋白质的构象和微环境（如活性位点周围的疏水性、酸性环境）影响电子转移速率和选择性；底物的结构和可及性；蛋白质表面的电荷状态和静电相互作用。2.解析思路：考察对酶基生物传感器工作原理的掌握。需要阐述其核心部件（酶、电极）、基本反应过程以及信号产生的机制。*答案要点：酶固定在电极表面形成酶膜；目标分析物（底物）扩散到酶膜上被酶催化转化为产物；产物或反应中间体的氧化还原活性发生变化，导致电极电流发生变化；通过测量电流变化来定量或定性分析目标分析物。3.解析思路：考察对电化学方法实际应用的理解。需要结合临床场景，说明在线伏安法如何应用于检测体液中的特定电活性物质。*答案要点：例如，用于测定血液或尿液中的葡萄糖浓度（葡萄糖氧化酶电极）；用于检测心肌梗死标志物（如肌红蛋白、肌钙蛋白，通过其电化学活性或相关酶促反应）；用于监测血液中的氧气水平（氧电极）；用于某些药物（如儿茶酚胺类药物）的现场快速检测。四、计算题（1）E=E°(Fe³⁺/Fe²⁺)-(0.05916V/n)*log(a(Fe²⁺)/a(Fe³⁺))E=+0.77V-(0.05916V/2)*log(1x10⁻³/1x10⁻³)E=+0.77V-0VE=+0.77V(vs.NHE)解析思路：应用能斯特方程计算非标准状态下的电极电位。首先明确公式，识别E°、n（电子转移数，铁离子为2）、活度比(a(Fe²⁺)/a(Fe³⁺))。根据题目条件，活度比等于1，log(1)=0，因此电位差项为零，实际电位等于标准电位。注意单位NHE（相对于正常氢电极）。（2）若a(Fe³⁺)=1x10⁻⁴M，a(Fe²⁺)=1x10⁻³M，活度比变为1x10⁻³/1x10⁻⁴=100。E=+0.77V-(0.05916V/2)*log(100)E=+0.77V-0.05916V*2E=+0.77V-0.11832VE=+0.85168V(vs.NHE)解析思路：再次应用能斯特方程。当Fe³⁺浓度降低到初始值的十分之一时，活度比变为100。代入公式计算新的电位差(0.11832V)，因此实际电位相较于标准电位（或初始电位）升高。定性描述即说明电位变得更正。五、论述题解析思路：考察对电化学方法在复杂生物体系（细胞呼吸链）中应用的全面理解和批判性思维。需要分别阐述电化学方法的优势（能提供动力学信息、高灵敏度、原位/活细胞检测等）和局限性（生物样品复杂性、信号特异性、生物干扰等），并结合具体技术和实例进行论述。答案要点：优势：1.提供动力学信息：伏安法（特别是计时电流法、计时库仑法）和阻抗谱能够直接测量电子传递速率常数、反应级数等动力学参数，有助于理解呼吸链中各复合物的功能。2.高灵敏度和选择性：电化学方法对特定氧化还原物质的检测灵敏度很高，结合酶或抗体标记，可以实现对细胞内低浓度信号分子的检测。3.原位和活细胞检测：微电极技术允许在接近生理环境的条件下研究活细胞内的电化学过程，避免传统提取方法的干扰。4.研究膜结构：阻抗谱可用于研究呼吸链复合物对质子转移的依赖性，间接提供膜电位和质子流信息，揭示质子动力泵功能。5.特定技术应用：*伏安法：可检测呼吸链中关键电子载体（如Cytochromec）的变化，或利用特定酶（如复合物I的NADH脱氢酶）作为标记物，通过监测其催化反应的电流变化来反映呼吸链活性。*阻抗谱：可用于研究复合物I、III、IV等在电子传递过程中的构象变化或质子跨膜过程，揭示其工作状态和潜在的损伤。局限性：1.生物样品复杂性：细胞内存在大量电活性物质和过程，信号可能重叠，难以完全区分目标信号。2.信号特异性与生物干扰：电极表面可能发生非特异性吸附或副反应，细胞内外的离子强度、pH变化、其他大分子物质可能影响电极响应。3.电极与细胞的相互作用：电极的引入可能对细胞造成扰动，影响其正常生理活动