x8第八講(生物物理學(xué))(編輯修改稿)
2025-01-20 10:25 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 這就需要既靈敏又快速的測試技術(shù)。 蛋白質(zhì)在 56℃ 左右變性，但我們在 70℃ 以上的溫泉中還能找到生物；人工培養(yǎng)的細胞保存在零下 190℃ ，解凍后細胞仍與正常態(tài)一樣，這些生物體內(nèi)水的結(jié)構(gòu)狀態(tài)是怎樣？如果能把這些極端狀態(tài)的水的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)闡明，將有助于對生命規(guī)律的理解。 生物在億萬年進化過程中，最終選擇了膜作為最基本的結(jié)構(gòu)形式。從通透、識別、通訊，到能量轉(zhuǎn)換等各種生命活動幾乎都在膜上進行，膜不僅提供場所，它本身也積極參與了活動。 有時一種技術(shù)的出現(xiàn)將使生物物理問題的研究大大改觀。如 X射線衍射技術(shù)導(dǎo)致了分子生物物理學(xué)的出現(xiàn)。因此雖然技術(shù)本身并不一定就代表生物物理，但它對生物物理學(xué)的發(fā)展是非常關(guān)鍵的。 生物物理學(xué)是研究活物質(zhì)的物理學(xué)。盡管生命是自然界的高級運動形式，也仍然是自然界三個量 (質(zhì)量、能量和信息 )綜合運動的表現(xiàn)。只是在生理體內(nèi)這種運動變化既復(fù)雜又迅速，而且隨著生物物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，能量利用愈趨精密，信息量愈來愈大，使得研究的難度很高。但從另一方面看，研究活物質(zhì)的物理規(guī)律，不僅能進一步闡明生物的本質(zhì)，更重要的是能使人們對自然界整個物質(zhì)運動規(guī)律的認識達到新的高度。 生物物理學(xué)的研究內(nèi)容主要包括 5個方面。 ①生命物質(zhì)的物理性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，生物分子具有鐵電、壓電、半導(dǎo)體、液晶態(tài)等性質(zhì)，生命體系存在不同層次的電磁特性，而且，生物界普遍存在射頻通訊方式。但這些物理特性在生命活動過程中的意義和作用還在探索之中。 ②生命活動的物理及物理化學(xué)過程。研究生物體內(nèi)的基本粒子（電子和質(zhì)子）在水溶液中的行為，生物的質(zhì)子態(tài)、質(zhì)子非定域化和質(zhì)子隧道效應(yīng)等現(xiàn)象?；緦儆诹孔由飳W(xué)范疇。生物體內(nèi)的小分子如甲基、酰基、水分子、金屬離子等活躍地作用于大分子之間 ，不僅自身參與結(jié)構(gòu)功能變化，而且引發(fā)大分子構(gòu)象變化。 ③ 生物大分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和大分子間的相互作用。生物大分子都是由小單元聚合而成， 蛋白質(zhì) 由 20種 氨基酸 連接縮合而成多肽， 核酸 則由 5種堿基、戊糖和磷酸聚合成單鏈或雙鏈 。它們都具有一定的盤曲折疊方式形成空間三維結(jié)構(gòu)，并且在時間上隨著功能變化而有不同的動力學(xué)反應(yīng)。 ④ 大分子能量狀態(tài)和能量傳遞。能量是一切生命活動的原動力。大分子的能量狀態(tài)決定于分子本身的各種運動 —— 電子運動、振動和轉(zhuǎn)動。分子在吸收能量后，由能量較低的基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰枯^高的激發(fā)態(tài)，其中的一個或幾個電子由配對狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴慌鋵Φ淖杂苫?。激發(fā)態(tài)和自由基都是相對不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，因此化學(xué)活性很高，反應(yīng)能力很強，如生物體內(nèi)的生物氧化、 酶 的催化作用、光合與視覺過程等。關(guān)于能量轉(zhuǎn)移已有多種理論，如共振轉(zhuǎn)移、電子轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、激子轉(zhuǎn)移、電荷遷移和絡(luò)合物形成等，但都只是假說。 ⑤ 生物聚集態(tài)。它由幾種生物大分子形成。研究較多的是由核酸和蛋白質(zhì)相互結(jié)合而形成的核小體以及由蛋白質(zhì)和脂類作為主要成分的 生物膜 （片層結(jié)構(gòu)）。核小體是含 140個堿基對的DNA繞著非極性組蛋白 H3與 H4的顆粒轉(zhuǎn) 圈的模型。生物膜是由脂雙層鑲嵌著蛋白組成液態(tài)鑲嵌模型，因此產(chǎn)生膜的有序性、流動性和液晶態(tài)性質(zhì)。這些獨特的物理性質(zhì)對于說明物質(zhì)進出 細胞 、細胞正常周期活動和病態(tài)過程中的變化具有重要意義。 以上內(nèi)容的研究都涉及到分子內(nèi)原子之間以及分子之間的相互作用力，并且具有高度特異性，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(tài)、結(jié)構(gòu)及其變化。作用力本身又主要取決于分子外圍的電子行為，在一定程度上也與原子核有關(guān)。 生物物理學(xué)研究離不開物理及物理化學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。如近紅外顯微鏡、閃光 X射線和光散射顯微鏡，各種光譜及波譜技術(shù)如二維及三維核磁共振， X射線衍射（包括低角、小角衍射），這些技術(shù)對生物物理學(xué)的發(fā)展非常關(guān)鍵。 生物物理實驗技術(shù) 1953年 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立 (1962 年諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎 ) 人克里克 ( Francis Harry Compton Crick) 、 沃森 (James Dewey Watson) 和威爾金斯 (Maurice Hugh Frederick Wilkins)
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