关于分子生物物理学介绍

[拼音]：fenzi shengwu wulixue

[外文]：molecular biophysics

生物物理学的一个分支学科。它研究生物大分子的结构、功能、物理性质和物理运动规律，并以此为基础阐明生命现象，如肌肉收缩、兴奋传导、视觉过程、光合作用、细胞活动的分子本质，以及外界因素如高能辐射、光等对机体作用的分子水平的细节。

分子生物物理学的基本理论是分子的电子结构、能量状态、分子间与分子内的相互作用力，以及由这些力的协同作用而形成的大分子及其聚集态的物理性质（半导体性、液晶态性质、电与磁学性质等）。这些理论都建立在描述微观客体的量子力学的基础上。分子生物物理学的实验手段包括测定大分子质量、体积、组分、能态、物理性质、运动（移动、转动与振动）等各种近代技术。其中占有特殊重要地位的是和测定结构与能态有关的光谱技术、波谱技术与衍射技术，例如核磁共振，电子自旋共振，红外、可见与紫外吸收光谱，荧光技术，旋光色散与圆二色谱，莫斯鲍尔谱，激光-喇曼光谱，以及X 射线衍射和中子衍射等。分子生物物理学的发展在很大程度上取决于技术方法的改进。

生物大分子结构、构象的研究

具有生物学活性的大分子（蛋白质和核酸等）一般由比较简单的成分聚合而成。例如蛋白质由20种氨基酸彼此连接缩合成为多肽链，核酸则由5种碱基和戊糖、磷酸等聚合成单链或双链。它们在空间具有一定的盘曲折叠方式，并在时间上随着功能过程而有不同的动力学变化。

20世纪50年代初期，J.D.沃森与F.H.C.克里克根据X射线衍射技术测定脱氧核糖核酸(DNA)单晶结构的结果，提出了DNA双螺旋构型。50年代末，M.F.佩鲁茨与J.C.肯德鲁等测定了血红蛋白和肌红蛋白的晶体结构以后，X射线衍射技术就成为大分子结构测定的经典方法之一。根据X射线衍射图的形式、衍射点的强度与间距，可以推断出分子中原子的排布。随着仪器分辨能力的提高和精确度不断改善。分辨率优于 2.5埃的蛋白质被测定的已超过40种，而核酸则只有一种（酵母苯丙氨酸转移核糖核酸）。电子计算机的应用，已大大加速这一领域的进展。

中子衍射技术的应用是近年来结构研究的重要辅助手段。X射线无法测定氢原子，但中子由于不带电，能和原子核作用而产生散射。它对氢和氘的散射有明显差异。因此，用氘化法可精确测定氢原子的位置，从而可研究诸如肌红蛋白中的氢和氢键、水分子的位置、水桥和盐桥的位置、酶催化作用中氢的作用等问题。

由于X射线衍射要求有晶体样品，而晶态并不是大分子在活体中的自然状态，也不能追踪大分子在完成功能过程中的动态变化。因此，60年代以来发展了多种技术，测定大分子在溶液中的构象。例如，核磁共振、圆二色谱，荧光技术、激光-拉曼光谱等。以往对血红蛋白与氧的结合，曾提出过去氧型四级结构转变为含氧型四级结构的所谓变构模型。用核磁共振技术研究特异氨基酸残基的质子共振与氧合的关系后证明，氧合时未配位的亚基诱发变构，这种过渡并不能只用两种状态的变构模型加以描述。二维磁共振技术已成为溶液中大分子构象研究的有力工具。大分子结构与构象的研究还必须和水的状态相结合。水在活体中并不只是一种溶剂，由于其独特的性质，常和大分子相互结合而成为一个整体。这种结合不仅影响大分子本身的各种性质（例如，旋转运动的速率），而且常导致能量传输途径的改变。水结构的研究已成为分子生物物理学中的重要课题之一（见生物水）。

大分子能量状态与能量传递的研究

能量是一切生命活动的原动力，它可以来自体内的某些反应（高能磷酸化合物ATP），也可以来自体外（光合作用中的光和高能辐射对机体的损伤）。大分子的能量状态决定于分子本身的各种运动──电子运动、振动与转动。由于这些运动都只能采取某些特定的方式，使大分子的能态具有量子化的特点即能量只能取一定的数值。由此决定了能态的变化也是量子化的，这正是各种光谱和波谱技术能在分子生物物理学中发挥重大作用的根据。

分子在吸收能量后，由能量较低的基态转变为能量较高的激发态，其中的一个（或几个）电子由配对的状态（例如，一个化学键中的两个电子，其自旋方向正好相反）转变为不配对的状态而形成自由基。激发态和自由基都是相对不稳定的高能状态，因此它们的化学活性较高，反应能力较强。生物体内的许多反应都和激发态和自由基的产生有关，例如，生物氧化、酶的催化作用、光合作用与视觉过程、辐射的生物效应等。

处于激发态的分子，常常可以通过各种不同途径把多余的能量无损耗地转移到其他分子而本身又恢复到基态。这种非辐射性跃迁过程中的能量传递称为能量转移，能量的多次转移常称为能量迁移。例如，用光照血红蛋白与一氧化碳的结合物，光能主要在蛋白质的芳香氨基酸部位被吸收，而其效应则使得和血红素铁结合的一氧化碳脱落；用 α射线照射血清蛋白，其裂解常发生在二硫键上，使蛋白分子的分子量从8.9×106下降为大约4.5×106。这两个例子都说明:吸收的部位并不一定是产生效应的部位。这种能量转移过程的研究，对了解生命活动的本质十分重要。关于能量转移机制，已有多种假说或理论，例如，共振转移、电子转移、质子转移、激子转移、电荷迁移和络合物的形成等，但都不是结论性的，尚待结合具体的生物对象深入研究。

生物聚集态的研究

由多数生物分子通过相互作用而形成的集合体称为生物聚集体，其状态统称为生物聚集态。研究较多的是由核酸与蛋白质相互结合而形成的核小体以及由蛋白质和类脂作为主要成分的生物膜。用中子衍射技术已经测出核小体是140个碱基对的DNA绕着非极性蛋白颗粒转 1.7圈的模型，用核磁共振技术了解到核心颗粒中H3、H4组蛋白是与DNA牢固结合的，而H2A、H2B则只有非极性末端与中间区和DNA结合，碱性N端不参与。说明只要有H3、H4组蛋白即能产生核小体的主要结构特征（见染色体）。

生物聚集态的形成，不仅产生新的结构特性，而且产生了新的物理性质，具备了新的功能。例如，生物膜通常都是由脂双层镶嵌着蛋白质组成所谓生物膜的液态镶嵌模型。因此产生膜的有序性、流动性以及液晶态的性质，这些独特的物理性质对于说明物质进出细胞、细胞正常周期活动和病态过程中的变化具有重要意义。

量子生物物理的研究

上述3个方面的研究，都涉及到分子内原子之间以及分子之间的相互作用力，而且在生物对象中，这种作用往往具有高度特异性。例如，抗体与抗原的作用、药物与受体的作用等。作用力决定大分子本身的能态与结构，也决定着能态与结构的变化。作用力本身又主要取决于分子外围的电子，在一定程度上也和原子核有关，这类微观粒子的运动必须用量子力学阐明（见量子生物学）。

参考书目

1. R.B.Setlow & E.C.Pollord，Molecular Biophysics，Pergamon Press，London，1962.
2. M.V.Volkenstein，Molecular Biophysics，Academic Press，New York，1977.
3. C.R.Canton and P.R.Schimmel ， BiophysicalChemistry. W.H.Freeman & Company，San Francisco，1980.