生物体系中的电子转移是生命体进行物质、能量与信息交换的最基本过程之一。在生命体内,大多数氧化还原蛋白质的电子交换均发生在带电荷的生物膜上或其附近,因而其电子的传递必然会受到生物膜电势的作用和影响。生物膜界面电势对蛋白质的电子转移行为的影响可以利用电化学界面来研究。这种研究有助于我们更好地理解蛋白质与膜表面相互作用的本质,也可以为认识生命现象的本质,特别是蛋白质电子转移机理提供理论模型与实验依据,并能够促进新的生物电催化体系的建立,为构建新型的生物传感、生物燃料电池与生物分子器件等奠定基础。氧化还原蛋白质在界面的固定量、结构和取向均会影响吸附蛋白质与电极之间的电子转移能力。然而,目前有关血红素蛋白质在电极界面的电子转移能力与其血红素卟啉环平面取向的关系还存在争议。本论文针对血红素蛋白质界面直接电子转移能力和催化活性与其血红素环平面取向的关系这一主题进行了深入系统的研究,包括以下四个方面:1.细胞色素c在石墨烯/聚（3,4-乙烯二氧噻吩）纳米复合物修饰电极上的直接电化学提出了以高导电性和高比表面积的石墨烯与具有良好生物相容性的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（G-PEDOT）纳米复合材料为生物界面材料,构建了以G-PEDOT修饰玻碳电极的新型生物电化学传感器。与cyt c/PEDOT修饰电极相比,cyt c/G-PEDOT修饰电极表现出增强的直接电化学和对过氧化氢良好的电催化活性。由此建立的cyt c/G-PEDOT/GC生物电化学传感器对H202检测的线性浓度范围为5.0×10-7-4.0×10-4M,检测限为2.49×10--7M。研究结果表明,G-PEDOT纳米复合材料是一种生物相容性材料,可用于构筑生物燃料电池、生物电子器件和生物传感器等。2.亲疏水性自组装膜表面cyt c直接电化学研究——血红素环平面取向依赖的电子转移反应探索了界面亲疏水性质对组装生物分子构效关系的影响。为此,我们提出了通过改变亲水和疏水端基硫醇分子的比例构筑亲疏水性连续调控的自组装单分子层修饰电极界面,用以研究cyt c在上述亲疏水性电极界面的吸附过程、吸附量、分子取向与直接电子转移活性,分析了决定cyt c在上述各表面电活性差异的因素,如固定量、血红素中心与电极之间的距离、在电极表面的结构和取向等。研究结果表明,cyt c在不同亲疏水性表面的直接电子转移能力由cyt c血红素卟啉环平面在电极界面的取向决定。在亲水的、-OH为端基的硫醇自组装膜表面,cyt c血红素卟啉环平面与金电极表面平行,这时cyt c与电极之间的电子转移能够有效发生;而在疏水的、以-CH3为端基的硫醇自组装膜表面,其血红素卟啉环平面垂直于金电极表面,cyt c的直接电子转移则受到抑制。根据研究结果,我们还提出了一种cyt c与电极之间进行电子转移的可能途径,在亲水的硫醇自组装膜表面,cyt c不是通过其血红素卟啉环而是通过其血红素铁中心的轴向配体His^-18与电极进行高效的电子交换。3.血环平面界面取向依赖的电化学活性研究针对在血红素蛋白质的直接电子转移能力和电催化活性与其血红素环平面取向关系的研究中存在的问题,我们首次提出了利用实验模型精确控制血红素环平面在电极界面取向的新方法,研究了血红素分子在电极界面的结构与功能的关系。首先,我们构筑了两种实验模型,在两种模型中血红素环平面分别以平行于和垂直于电极表面取向。电化学实验结果表明,以环平面平行于电极表面取向的血红素能够高效地与电极发生电子交换;而以环平面垂直取向的血红素的直接电子转移则很难发生。利用光谱电化学方法对以平行取向的血红素对H202还原的催化机理进行了探讨。本章工作进一步支持了第三章提出的"氧化还原蛋白质的直接电子转移能力依赖于其血红素环平面的取向"的新观点。4.界面电荷性质决定细胞色素c的直接电子转移活性和吸附动力学衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）能对界面物种进行原位、在线分析,获取随环境的变化以及相应的界面分子结构信息,并且具有很高的表面分析灵敏度。本章中,我们将这种技术与电化学方法相结合,研究了界面电荷对cytc直接电子转移活性和吸附动力学的影响。实验中,我们首先通过自组装技术构建了巯基己酸（MHA SAMs）和巯基己胺（MHN SAMs）自组装单层,在中性缓冲溶液中两界面分别荷负电和正电。采用静电吸附作用将cyt c分别吸附在带负电荷的MHA SAMs和带正电荷的MHN SAMs表面。研究发现,与MHN SAMs表面相比,cyt c在MHA SAMs表面表现出较高的电子转移速率常数(33.5±2.6 s^-1)和较大的表观结合速率常数(73.1±5.2 M^-1·s^-1)。研究结果还表明,表面电荷密度决定了蛋白质的吸附动力学,同时表面电荷性质决定的蛋白质结构和取向将严重影响蛋白质的直接电子转移活性。