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生物物理化學技術

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生物物理化學技術是在生物化學和分子生物學的領域中,廣泛使用的各種物理化學技術。

1 生物物理化學技術 -生物物理化學技術

 

2 生物物理化學技術 -正文

  在生物化學和分子生物學的領域中,廣泛使用的各種物理化學技術。這些技術大致用於下列幾個方面:純化或鑒定生物大分子和與生化過程有關的有機分子;研究生物大分子大小、形狀、水合狀態、帶電性質以及它們變化的動態過程;研究生物分子,特別是生物大分子的化學結構與立體結構,以及各種和生物大分子功能有關的結構變化和動力學過程,各種生物分子(包括大分子和大分子,大分子和小分子配基)的相互作用。
  用於純化、鑒定生物分子和物理化學方法有層析、電泳、超離心等。用於研究分子大小、形狀和水合狀態等動態過程的物理化學方法有:超離心、滲透壓、粘度、光散射、小角度 X射線散射、中子散射和電子顯微鏡等。
  用於生物分子研究的物理化學方法中,光譜、波譜以及衍射技術有著特別重要的地位。它們不僅是鑒定生物分子,研究其結構的主要方法,而且它們往往和其他技術結合,用來解決生物分子研究中的特殊問題。
  光譜、波譜和衍射技術,都是根據物質和電磁輻射的相互作用,引起電磁輻射變化為原理而發展起來的技術。
  電磁輻射具有波動性,它的特性可以由振動頻率ν或波長λ決定。二者和光速c有下列關係:
         c=λν
  按照電磁輻射的波長不同,通常稱之為不同的光、射線和微波(見圖)。

生物物理化學技術生物物理化學技術

  蛋白質、核酸和酶的一些輔助因子在紫外、可見和紅外範圍可以與某些特定波長的電磁輻射產生共振,吸收能量。研究波長和吸收的關係可藉助於各種光譜技術。分子中能吸收特定波長能量的基團叫生色基團,其光譜性質和它的結構有關,因此可以用來研究生物分子的化學結構和立體結構,也可以用來跟蹤生化過程中生物分子的結構變化。
  生物分子的某些生色基團吸收了特定波長的電磁輻射后,被激發到較高的能級,由於激發態是不穩定的,處於該狀態的分子只能停留在該狀態很短暫的時間,然後要返回到基態,同時把吸收的能量釋放出來。處於激發態的分子由於能量的轉移,或者和溶液中的溶質或溶劑分子相互作用損失了部分的能量,其餘部分以較長波長的電磁輻射形式釋放出來稱之為熒光或磷光。熒光和磷光的差別在於分子處於不同的激發態,從第一電子單線激發態回到基態發出熒光,經三線態者發磷光。熒光壽命一般在10-9秒左右,而磷光壽命一般地說要比熒光壽命長得多。生物化學中比較重要的是熒光。熒光的激發光譜、發射光譜、熒光壽命、熒光偏振和熒光淬滅等測定是熒光技術的主要方面。利用熒光技術可以研究生物大分子的外形、生色基團的立體結構,分子間的相互作用、周圍環境對生物大分子結構的影響以及生物過程的分子機理。
  當被激發的分子在激發態基本上不停留,立即以相同的波長,隨機地改變入射光的方向把能量釋放出來,稱為散射;而當被激發的分子,在散射時以不同於原來激發光的波長釋放出能量時,稱為拉曼光。光散射可以用來研究生物大分子或更複雜體系的粒子的大小、形狀及相互作用。用激光為激發光的拉曼光譜為激光拉曼光譜。激光拉曼光譜可以用來研究生物分子的化學和立體結構。
  在電磁輻射是偏振光的情況下,偏振光與某些基團的共振和這些基團的不對稱性有關,研究分子的這種不對稱性的主要技術是旋光光譜和二色性光譜。後者以圓二色光譜最為成熟。由於生物大分子在結構上的不對稱性,因此可以用旋光光譜和圓二色光譜來測定它們的立體結構(見圓二色性)。
  熒光也有偏振現象,這是因為分子對於激發光的電(磁)矢量有選擇性,在熒光壽命期間,分子的運動決定了被激發的分子的發射光的電(磁)矢量的方向,研究入射光和發射光電(磁)矢量方向間的關係是熒光偏振,它是研究生物分子的相互作用、動態過程的一種有效技術。
  在生物大分子有規則地排列的情況下(如結晶狀態),如果入射光的波長和散射質點的間距為同一數量級則散射光有規則地改變方向,併產生干涉現象,這就是衍射。用於生物大分子衍射的 X射線的波長與原子半徑屬同一數量級。因此 X射線衍射技術可以研究蛋白質和核酸在晶體狀態的三維結構。這一類的方法在蛋白質和核酸的結構研究上作出了重要的貢獻。(見生物大分子衍射技術)
  利用微波區的電磁輻射來研究生物分子的方法統稱為波譜技術,主要有兩類:一類是利用磁矩不為零的原子核在外加磁場下對無線電波的吸收和再發射的性質,為核磁共振技術;另一類是利用自旋不配對的電子在外加磁場下產生對微波的吸收和再發射的現象,稱為電子順磁共振。核磁共振可以研究生物分子在溶液中的化學和立體結構。選擇不同的具有自旋不配對的核,可以得到分子局部和整個分子的結構及它們的動態過程的重要信息,也可以用來研究生化反應過程中壽命很短的反應中間物的存在和它的結構。順磁共振技術可以研究自由基產生、轉變和消失的動力學過程從而提供關於生化過程的某些機制方面的重要信息。正在發展起來的氫核的二維核磁共振譜(包括 COSY二維相關核磁共振譜。NOESY,奧弗豪澤強化核磁共振譜等),在研究蛋白質在溶液中的三維結構上,已經取得了很大的進展,是生物化學研究中一種很有前途的物理技術。
  光譜和波譜的技術在酶學的研究中也有特殊的重要性,許多細胞色素就是仰賴光譜技術發現的。酶活力測定中許多方法也是根據產物和底物光譜性質不同而設計的。對於酶催化過程中反應中間物的鑒定,構象變化的探測等研究工作中,光譜和波譜技術是最重要的手段。
  用化學方法引入生色基團、順磁基團等也是對生物分子研究的一種重要方法。
  此外,尚有一些其他的非常有用的方法如電子顯微鏡技術,可以用來觀察生物大分子的外形,亞基結構裝配過程、細胞器的結構以及生物大分子在細胞中的定位;質譜技術可以用來測定生物大分子的化學結構等。這些也都屬於生物物理化學技術的範疇。

 

3 生物物理化學技術 -配圖

 

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