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分子生物物理學

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分子生物物理學以生物大分子,即主要以核酸和蛋白質及其複合體作為研究對象,力求在分子水平上用物理學概念、理論與技術來研究生命物質與生命過程,是當前生物物理學領域中極為重要的發展方向。

1 分子生物物理學 -分子生物物理學

2 分子生物物理學 -正文

  生物物理學的一個分支學科。它研究生物大分子的結構、功能、物理性質和物理運動規律,並以此為基礎闡明生命現象,如肌肉收縮、興奮傳導、視覺過程、光合作用、細胞活動的分子本質,以及外界因素如高能輻射、光等對機體作用的分子水平的細節。
  分子生物物理學的基本理論是分子的電子結構、能量狀態、分子間與分子內的相互作用力,以及由這些力的協同作用而形成的大分子及其聚集態的物理性質(半導體性、液晶態性質、電與磁學性質等)。這些理論都建立在描述微觀客體的量子力學的基礎上。分子生物物理學的實驗手段包括測定大分子質量、體積、組分、能態、物理性質、運動(移動、轉動與振動)等各種近代技術。其中佔有特殊重要地位的是和測定結構與能態有關的光譜技術、波譜技術與衍射技術,例如核磁共振,電子自旋共振,紅外、可見與紫外吸收光譜,熒光技術,旋光色散與圓二色譜,莫斯鮑爾譜,激光-喇曼光譜,以及X 射線衍射和中子衍射等。分子生物物理學的發展在很大程度上取決於技術方法的改進。
  

3 分子生物物理學 -生物大分子結構、構象的研究

 具有生物學活性的大分子(蛋白質和核酸等)一般由比較簡單的成分聚合而成。例如蛋白質由20種氨基酸彼此連接縮合成為多肽鏈,核酸則由5種鹼基和戊糖、磷酸等聚合成單鏈或雙鏈。它們在空間具有一定的盤曲摺疊方式,並在時間上隨著功能過程而有不同的動力學變化。
  20世紀50年代初期,J.D.沃森與F.H.C.克里克根據X射線衍射技術測定脫氧核糖核酸(DNA)單晶結構的結果,提出了DNA雙螺旋構型。50年代末,M.F.佩魯茨與J.C.肯德魯等測定了血紅蛋白和肌紅蛋白的晶體結構以後,X射線衍射技術就成為大分子結構測定的經典方法之一。根據X射線衍射圖的形式、衍射點的強度與間距,可以推斷出分子中原子的排布。隨著儀器分辨能力的提高和精確度不斷改善。解析度優於 2.5埃的蛋白質被測定的已超過40種,而核酸則只有一種(酵母苯丙氨酸轉移核糖核酸)。電子計算機的應用,已大大加速這一領域的進展。
  中子衍射技術的應用是近年來結構研究的重要輔助手段。X射線無法測定氫原子,但中子由於不帶電,能和原子核作用而產生散射。它對氫和氘的散射有明顯差異。因此,用氘化法可精確測定氫原子的位置,從而可研究諸如肌紅蛋白中的氫和氫鍵、水分子的位置、水橋和鹽橋的位置、酶催化作用中氫的作用等問題。
  由於X射線衍射要求有晶體樣品,而晶態並不是大分子在活體中的自然狀態,也不能追蹤大分子在完成功能過程中的動態變化。因此,60年代以來發展了多種技術,測定大分子在溶液中的構象。例如,核磁共振、圓二色譜,熒光技術、激光-拉曼光譜等。以往對血紅蛋白與氧的結合,曾提出過去氧型四級結構轉變為含氧型四級結構的所謂變構模型。用核磁共振技術研究特異氨基酸殘基的質子共振與氧合的關係后證明,氧合時未配位的亞基誘發變構,這種過渡並不能只用兩種狀態的變構模型加以描述。二維磁共振技術已成為溶液中大分子構象研究的有力工具。大分子結構與構象的研究還必須和水的狀態相結合。水在活體中並不只是一種溶劑,由於其獨特的性質,常和大分子相互結合而成為一個整體。這種結合不僅影響大分子本身的各種性質(例如,旋轉運動的速率),而且常導致能量傳輸途徑的改變。水結構的研究已成為分子生物物理學中的重要課題之一(見生物水)。
  

4 分子生物物理學 -大分子能量狀態與能量傳遞的研究

 能量是一切生命活動的原動力,它可以來自體內的某些反應(高能磷酸化合物ATP),也可以來自體外(光合作用中的光和高能輻射對機體的損傷)。大分子的能量狀態決定於分子本身的各種運動──電子運動、振動與轉動。由於這些運動都只能採取某些特定的方式,使大分子的能態具有量子化的特點即能量只能取一定的數值。由此決定了能態的變化也是量子化的,這正是各種光譜和波譜技術能在分子生物物理學中發揮重大作用的根據。
  分子在吸收能量后,由能量較低的基態轉變為能量較高的激發態,其中的一個(或幾個)電子由配對的狀態(例如,一個化學鍵中的兩個電子,其自旋方向正好相反)轉變為不配對的狀態而形成自由基。激發態和自由基都是相對不穩定的高能狀態,因此它們的化學活性較高,反應能力較強。生物體內的許多反應都和激發態和自由基的產生有關,例如,生物氧化、酶的催化作用、光合作用與視覺過程、輻射的生物效應等。
  處於激發態的分子,常常可以通過各種不同途徑把多餘的能量無損耗地轉移到其他分子而本身又恢復到基態。這種非輻射性躍遷過程中的能量傳遞稱為能量轉移,能量的多次轉移常稱為能量遷移。例如,用光照血紅蛋白與一氧化碳的結合物,光能主要在蛋白質的芳香氨基酸部位被吸收,而其效應則使得和血紅素鐵結合的一氧化碳脫落;用 α射線照射血清蛋白,其裂解常發生在二硫鍵上,使蛋白分子的分子量從8.9×106下降為大約4.5×106。這兩個例子都說明:吸收的部位並不一定是產生效應的部位。這種能量轉移過程的研究,對了解生命活動的本質十分重要。關於能量轉移機制,已有多種假說或理論,例如,共振轉移、電子轉移、質子轉移、激子轉移、電荷遷移和絡合物的形成等,但都不是結論性的,尚待結合具體的生物對象深入研究。
  

5 分子生物物理學 -生物聚集態的研究  

由多數生物分子通過相互作用而形成的集合體稱為生物聚集體,其狀態統稱為生物聚集態。研究較多的是由核酸與蛋白質相互結合而形成的核小體以及由蛋白質和類脂作為主要成分的生物膜。用中子衍射技術已經測出核小體是140個鹼基對的DNA繞著非極性蛋白顆粒轉 1.7圈的模型,用核磁共振技術了解到核心顆粒中H3、H4組蛋白是與DNA牢固結合的,而H2A、H2B則只有非極性末端與中間區和DNA結合,鹼性N端不參與。說明只要有H3、H4組蛋白即能產生核小體的主要結構特徵(見染色體)。
  生物聚集態的形成,不僅產生新的結構特性,而且產生了新的物理性質,具備了新的功能。例如,生物膜通常都是由脂雙層鑲嵌著蛋白質組成所謂生物膜的液態鑲嵌模型。因此產生膜的有序性、流動性以及液晶態的性質,這些獨特的物理性質對於說明物質進出細胞、細胞正常周期活動和病態過程中的變化具有重要意義。
  

6 分子生物物理學 -量子生物物理的研究  

上述3個方面的研究,都涉及到分子內原子之間以及分子之間的相互作用力,而且在生物對象中,這種作用往往具有高度特異性。例如,抗體與抗原的作用、藥物與受體的作用等。作用力決定大分子本身的能態與結構,也決定著能態與結構的變化。作用力本身又主要取決於分子外圍的電子,在一定程度上也和原子核有關,這類微觀粒子的運動必須用量子力學闡明(見量子生物學)。
  參考書目
 R.B.Setlow & E.C.Pollord,Molecular Biophysics,Pergamon Press,London,1962.
 M.V.Volkenstein,Molecular Biophysics,Academic Press,New York,1977.
 C.R.Canton and P.R.Schimmel ,BiophysicalChemistry. W.H.Freeman & Company,San Francisco,1980.

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