生物物理学绪论课件

1、生物物理学概述主讲教师：彭菊芳联系方式：电话：83719846（小灵通） 电子邮件：peng-jf授 课 教 师目的：使学生对生物物理各研究领域的研究内容和方法有所了解，为以后进一步的学习和科研打下基础。要求：要求学生在学完该课程后掌握生物物理学各研究领域的基础知识，并对各研究分支的前沿领域有所了解。教学目的与要求 要求学生具备普通物理学基础知识、生物化学和细胞生物学基础知识。 预 备 知 识 生物物理学，赵南明、周海梦 主编，2000第一版，高等教育出版社2 生物物理学，林克椿主编，1999 第一版，高等教育出版社3 简明生物物理学，刘文龙主编，1994年第一版，高等教育出版社 教材及参考书

2、目 生物物理学是物理学与生物学相互结合产生的一门交叉学科，它是研究生命物质的物理性质、生命过程的物理学与物理化学规律以及物理因素对生命系统作用机制的一门新兴学科。什么是生物物理学？物理学：研究物质的运动规律。生物物理学：研究生命物质的运动规律。 就是自然界中物质、能量和信息在生命系统中综合运动的表现。这三个量有组织，有秩序的活动是生命的基础。下一页光反应过程上一页生物物理学的出现是生命科学进一步发展的需要及物理学普遍规律在生命科学领域中的扩大应用的结果，也是社会实践日益现代化的需求。1、自然科学各门类之间的内在联系自然界各种运动形式之间既有联系，又有各自的特点与规律。交叉学科的出现将依据简单运

3、动形式研究的成果大大促进复杂运动学科的 迅速发展。17世纪，Kircher描述生物发光的现象Borrelli在动物的运动一书中，用力学原理分析了血液循环与鸟的飞行18世纪，Galvani发现了肌肉收缩与电刺激之间的关系，经过Volta等人的实验研究开拓了生物电学这一领域19世纪，Mayer在热学方面的研究导致能量守恒定律的建立Helmholtz研究了肌肉收缩、测定了神经脉冲的传导速度，研究了视觉与色觉Tyndall用光散射法检验了Pasteur关于细菌作用的概念。2、物理学与生物学之间的早期结合这门新学科的概貌：微观方面，力图从分子水平（包括分子一下的电子水平）阐明生物大分子的结构与功能，以及

4、由此出发研究细胞与组织水平的各种运动的机理，也包括外界各种物理因素对机体作用的原初物理与物化过程。宏观方面，从一个体系的整体的观点，用统计物理学、热力学与调节控制 的理论阐明其物理规律。薛定谔薛定谔（Erwin Schrodinger，1887-1961）奥地利理论物理学 家，与爱因斯坦、玻尔、玻恩、海森伯等一 起于20世纪20年代后期，发展了量子力学。 因建立描述电子和其他亚原子粒子的运动的 波动方程，获得1933年诺贝尔物理奖。 1940年1956年他定居在爱尔兰期间，从事 自然科学史中的物理学和哲学的研究，颇有 建树。这期间著有生命是什么活细胞 的物理学观一书，试图用量子物理阐明遗传结构

5、的稳定性,提出遗传物质是一种有机分子，它的突变具有不连续的形式，还提出了“负熵”的概念，为量子生物学和不可逆过程的热力学提供了新思想。二、生物物理学的现在近代生物物理学的诞生大致始于20世纪50年代。它的出现已经没有项以往那样有充裕的时间逐步建立自己的完整体系，也不可能完全脱离和其他学科千丝万缕的联系而独立发展。（一）国内外生物物理学的概况1、国内外生物物理学的诞生国际纯粹与应用生物物理学联合会（简称IUPAB）于1961年建立，以后每3年召开1次大会，至今已成为包括40余个国家和地区的生物物理学会，我国已于1982年参加了这个组织 。分子生物物理生物物理学生物物理技术理论生物物理环境（包括光

6、与各种辐射）生物物理神经生物物理膜与细胞生物物理有些国家和地区把生物控制论与生物信息学、生物力学与生物流变学以及生物医学工程等内容也包括在内。2、国内生物物理学的发展1958年，中科院生物物理研究所的成立1980年，全国生物物理学会正式成立（二）生物物理学各个领域简介1、分子生物物理学分子生物物理学运用物理学（也包括数学与物理化学以及工程技术）的理论、技术与方法研究生物大分子以及分子聚集体的空间结构、结构动力学、分子间的相互作用、物理性质的变化与生物学功能的关系，目的在于从分子水平阐明生命基本过程的机理，进而通过修饰、设计与改造分子，为实践服务。1、分子生物物理学 分子生物物理学的核心问题是生

7、物大分子及其复合物的空间结构与功能关系的研究，揭示空间结构的变化规律将对了解生物学功能提供重要信息。 空间结构 的研究依赖于X射线晶体衍射的理论与技术。 20世纪70年代发展了溶液中大分子结构的测定方法，即多维NMR的方法。 20世纪80年代，结构研究进入到动力学阶段。为了研究分子动力学必须有相应的技术与理论手段。80年代初，Karplus M首先提出用经典力学的方法设定势函数，计算每个原子的受力情况，计算短时间前后的原子位置，连续的计算得出在不同时间整个分子结构变化的历程。另一方面实验技术上的改进，导致当前多种时间分辨技术的出现。2、膜与细胞生物物理学细胞膜的结构与动力学膜蛋白与膜脂的相互作

8、用跨膜物质运输跨膜信息传递膜蛋白的能量转换下一页细胞膜的结构与动力学细胞膜的结构与动力学是分子生物物理研究向活细胞过渡的首要研究对象。现在对膜结构普遍接受的是液态镶嵌模型。膜脂与膜蛋白具有侧向扩散、绕自身轴的绕轴旋转运动，膜脂还具有翻转运动以及链内运动等等。对膜蛋白的直接研究比较困难，研究方法目前主要有X射线晶体衍射、电镜的二维晶体三维重组技术以及分辨率较低的光谱与波谱技术。膜蛋白与膜脂的相互作用膜蛋白的结构与功能受膜脂不同种类与不同状态的影响，同样，膜蛋白的掺入也影响膜脂的结构。对于外周蛋白来说，膜脂的带电情况与脂的物理状态将影响其是否插入膜内以及插入深度；对于整合蛋白，则在多种膜磷脂中往往

9、有与之特别亲和的一类脂，在整合蛋白周围结合而形成所谓边界脂层。反之，蛋白质插入脂双层将影响脂的物理状态，易于形成非双层的磷脂。跨膜物质运输 主要研究各种离子通道如何在膜内组装、如何通过电压变化或受体产生门控作用、离子通道的特异性以及通道开或闭的确切分子机理。 大肠杆菌素Ia的大段多肽的跨膜运动 二维晶体电镜三维重组技术的研究跨膜信息传递细胞在信号分子的作用下将信息传递到胞内以至细胞核内的过程是许多生命现象的基础，其中信号的跨膜传递包含对信号分子结构的研究，对受体分子结构以及信号分子与受体的相互作用中的构象改变，有相互作用引起的信号如何转导、作为调节器的G蛋白的作用以及效应器（酶）的激活机制的研

10、究。由于信息传递并非信息分子的直接入膜运动，而是由其触发的一系列从膜到胞内的反应，因此在膜上的信息传递显然在很大程度上依赖于信号传输的三要素受体、G蛋白、效应器之间的相互作用与构象改变，从而成为膜生物物理的研究重点。膜蛋白的能量转换 膜蛋白的能量转换功能在肌肉收缩、光合作用中表现最为明显。3、感官与神经生物物理学离子通道的研究感受器生物物理神经递质及其受体神经通路与神经回路研究行为神经科学神经生物物理学研究分子水平与网络水平的神经活动，特别是电信号在神经网络中的传递以及外界刺激如何转换为神经系统的电变化。下一页离子通道的研究 神经生物物理着重研究离子通道构象与离子通透的机制及其与功能的关系。

11、人们已经了解几种不同的离子通道，如电压门控的离子通道，化学门控的离子通道，以及遥控受体通道。用膜片箝技术、电位箝技术虽然已经通过某些通道的电学行为有了一定了解，但对于较复杂的通道，还必须配合重组DNA、定点突变、单克隆抗体等分子生物学技术才能更细致了解离子通道确切的工作原理。感受器生物物理感受器生物物理研究的核心是各种感受器的结构与功能关系，特别是感受传导机制的研究。在视觉方面，目前已深入到视紫红质结构功能关系的探讨，视紫红质内视黄醛的取向及其与视蛋白之间三维作用的本质以及捕获光子后色素异构化的精确变化及其与质膜中阳离子通道的启闭关系等。在听觉方面，对在位或离体的毛细胞进行机械电传导机制的研究

12、已取得重要进展。在嗅觉方面，化学识别的分子机制已成为化学感受器生物物理的研究重点，并提出了一种共同的化学感受机制模型。神经递质及其受体 各种不同的神经递质及其分布、被靶细胞的识别与不同生理功能的关系，神经递质的可塑性、共存性、多样性的分子机制，对其受体的结合以及受体空间结构的研究、受体的多样性等都是现在关注的研究课题。神经通路与神经回路研究近20年来，神经通路研究进展特别突出，研究该课题的目的在于阐明某一系统功能形成的神经机制。在视觉中，从视网膜起各类信息都是平行、分别处理，最终在大脑皮层中综合。这之后的通路研究还有待于新理论和方法的出现。学习与记忆的神经与分子基础研究既为解决早老性痴呆的防治

13、提供可能，也为学习机、只能计算机的设计提供启发。用基因表达技术研究学习过程中蛋白质分子的变化是今后研究的重要方向。行为神经科学 行为神经科学是在宏观水平上研究行为、探讨神经系统信息加工过程的科学。按释放行为的神经信息加工过程，分为感觉、识别、决策、指令、行动、学习、记忆、发育与进化等。 由于神经生物学涉及人类高级智能活动的许多方面，其重要性已经使其成为继分子生物学之后的生命科学的另一个重要分支，因此研究涉及各个学科。在生物物理学中，除感官与神经生物物理这一分支之外，也涉及其他一些分支，如生物控制论与信息论、理论生物物理等。4、理论生物物理学理论生物物理学是运用数学和理论物理学研究生命现象的一个

14、领域，它既包括量子生物学和分子动力学等微观方面的研究，也包括对进化、遗传、生命起源、脑的功能以及生物系统的复杂性等宏观方面的研究。量子生物学与生物分子动力学生物系统复杂性的研究生命起源手性起源、分子自复制起源进化与遗传有意识状态下人脑的功能活动下一页量子生物学与生物分子动力学量子生物学在20世纪70年代80年代曾有过较大进展。1970国际量子生物学会（ISQB）成立，并每年举行一次量子化学与量子生物学的会议。但由于量子力学理论在处理较大体系时遇到很多困难，使其难以取得更多进展。在分子生物学领域内，人们极大地关注结构预测，关注由于分子中基团之间或分子间相互作用而造成整个分子的动态特征分子动力学，

15、以及大分子与其环境的相互作用。生物系统复杂性的研究生命现象是非常复杂且是多层次的系统。关于生物大分子的复杂性的研究吸引了许多科学家的注意。在弄清大分子的一级结构如全部基因组结构后，如何读懂由ATGC组成的浩繁天书，不是分子生物学现有知识所能解决的。生物体的研究应是分层次的，如分子、细胞器、细胞、整体、群落等不同的层次。在一定层次上、一定的时间尺度内会出现有序的结构和有序运动，而这些有序性又都出现在与环境进行物质和能量交换的瞬态。研究生命本质，把它作为一个非线性动力学系统研究，就必须考虑到这样一个系统的复杂性。生命起源手性起源、分子自复制起源宇宙学中认为大爆炸和大统一理论中各种力的出现及宇宙的出

16、现都和“对称性破缺”的出现有关，因此在生命现象中也应有一个对称性破缺问题，也就是分子的手性。生命系统的主要分子和大多数生物物质分子都是单一手征的，但至今未发现来自宇宙的样品和陨石是否有光学活性。这一问题涉及生命起源，因而是值得重视的问题。进化与遗传理论生物物理中还研究进化与遗传的物理基础。在非平衡体系中出现的自组织，即在无结构、混乱 的运动中将自发出现有序结构，引起人们极大的兴趣。生命现象的另一特点是自复制，其在长时间尺度上即为遗传，在短时间尺度上即为记忆。这种自复制现象的机制之一就在于系统内信息不断从其空间形式转换为时间形式，又从时间的信息转换为空间信息。遗传的物理机制重点研究这种时空信息转

17、换的瞬态过程的稳定性；进化的物理机制重点研究这种瞬态过程转换的失稳和重新建立稳定的转换过程。有意识状态下人脑的功能活动 人脑作为器官，有输入与输出，即输入输出的信息处理、传递与编码，它们都需用物理理论加以研究。尤其中间的思维过程有新信息的产生。 在非线性动力学理论中，已知在一个复杂系统中会出现所谓“决定性的混沌”。在混沌态中不断出现信息的源与汇。生物体与生命现象中几乎到处都可发现混沌态的存在。看来用非线性动力学系统的方法研究人脑功能与思维机制的物理基础的时机已经成熟。理论生物物理学由于大量应用物理学和数学的知识（加上计算机技术的支援）于生物物理学的各个不同领域，它不仅能为个别问题的解决提供手段

18、，更重要的是将为整个生物物理学本身打下扎实的理论基础和开拓系统化的前瞻性视野，成为生物物理学得以立足、成熟和完善的重要根据。5、生物物理技术与方法生物物理技术与方法的目的是寻找合理的方法解决生物物理学问题，而方法与技术则主要来自物理学与工程技术的最新进展，需要生物物理学工作者及时发现并开发应用。生物分子高分辨空间结构测定技术时间分辨技术显微成像技术计算机与自动化技术生物分子高分辨空间结构测定技术在高分辨空间结构测定技术中，X射线衍射晶体分析仍占有主要地位。多维核磁共振成为研究大分子溶液构象的一种独立的手段。二维晶体电镜三维重组不失为一种重要的补充手段，近年来也有较大发展，特别是适用于膜蛋白构象的研究，缺点是分辨率稍逊。溶液中蛋白质构象的研究已积累了大量数据，方法也较成熟，今后的重点将转移到生物膜蛋白结构与功能的研究。在结构生物学中除发展高分辨结构分析技术外，对于能获得二级结构的技术，如CD、FTIR、荧光光谱技术等光谱技术，甚至能得到拓扑图象的分子生物学突变技术、SDSL、辐射失活技术、以及时间分辨和显微成像技术都是值得注意并加以适当应用与发展的技术。时间分辨技术时间分辨技术是指能得到某种讯号随着时间的不同发生的变化，从而显示某种生命过程