[科普中国]-分子生物物理学-

分子生物物理学，是生物物理学的一个分支学科。主要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、传导过程、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。

简介分子生物物理学是综合应用近代物理学理论(量子力学、固体物理学、凝聚态物理学)和技术(包括各种测定结构与分子物理性质的衍射技术，光谱技术和显微技术)，从分子水平来阐明生命现象的一门学科。其研究的内容包括细胞中大分子和小分子以及分子聚集体的结构功能动力学，相互作用，能量转换和高精确度测量方法及用理论物理和数学处理生物体系方法的应用，以及用计算机进行生物模拟等。它是生物物理学发展的必然趋势，也是分子生物学的重要组成部分，是生命科学的各个分支学科向微观发展的需要。12

发展最早的分子生物物理学专著出现于1962年，作者R.B.Detlow & E.C.Polland根据当时学科发展水平认为：“分子生物物理学即用小分子和大分子性质说明生物系统和生命现象的特征。”而分子结构、分子运动规律、有序分子的发育和能量转移则是研究的主要内容。1977年Volkenstein写了另一本《分子生物物理学》，强调用量子力学和光谱等物理学理论和技术研究分子结构、平衡关系与性质、分子相互作用与转变动力学，并认为，在以蛋白质和核酸为主要研究内容时和生物物理化学相似，二者难以区分。八十年代初期，分子生物物理学的研究日趋活跃，应用物理学方法研究活体中有机与无机分子、分子相互作用(包括基质、细胞骨架、激素、突变剂与药物)、分子结构及细胞重建、物质在细胞与细胞器内外运输、运动及定位、结构与功能的关系，反应中能觉转变与构象改变，信息的传递与调控等已经成为分子生物物理学研究的基本问题。所有这些，都极大程度地推动了分子生物学的进展，也因此影响到与之相关的一些学科，目前出现的分子遗传学、分子细胞生物学、分子药理学、分子免疫学、分子神经生物学等等都说明分子生物物理学的发展推动了整个生命科学的迅速发展，这种推动作用当然也包含着分子生物物理学本身的发展。1

相关研究中子衍射技术中子衍射技术的应用是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3要求有晶体样，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，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。

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，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。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。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。

生物聚集态的形成生物聚集态的形成，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，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生物聚集态、量子生物物理的研究，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。

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学