量子生物学课件

0710285张明偲应用物理学量子生物学

quantumbiology

0710285量子生物学

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运用量子力学的理论、概念和方法研究生命物质和过程的一门学科，又称量子生物物理学。量子力学的创立和发展，吸引着物理学家和化学家，促使他们用以分析具有生物学意义的分子之电子结构，并把结果和生物学活性联系起来。例如，1938年R.F.施密特就已开始对致癌芳香烃类化合物进行研究，试图说明致癌活性与分子的电子结构之间的关系。以后经过普尔曼等人的工作，现已成为量子生物学的一个重要组成部分。

运用量子力学的理论、概念和方法研究生命物质和过程的一门1930年物理学家P.约尔丹进一步提出了“突变是一种量子过程”，这一观点在1944年E.薛定谔的《生命是什么》一书中得到了详尽的阐述。他还提出了遗传物质是一种有机分子，遗传性状以“密码”形式通过而传递等设想。这些设想由于与提出结构模型而得到极大的发展，从而奠定了的基础。分子的相互作用必然涉及其外围电子的行为，而能够精确描述电子行为的手段就是量子力学。因此量子生物学是分子生物学深入发展的必然趋势，是量子力学与分子生物学发展到一定阶段之后相互结合的产物。

1930年物理学家P.约尔丹进一步提出了“突变是一种量子过程研究方法

基本上就是用量子力学的方法来处理一个微观体系的全部计算过程，并利用由此得出的各种参量,说明所研究对象的结构、能量状态及变化,进而解释其生物学活性及生命过程。量子力学把分子中的原子核看成是一个骨架，外围电子则在这一骨架附近运动。电子不仅具有粒子性，同时还具有波动性。因此对电子的运动可以用一个波函数来描述。这个波函数应满足量子力学中的基本方程，即薛定谔方程：H(1)研究方法

基本上就是用量子力学的方法来处理一个微观体系的全式中H称为哈密顿算符，E是整个体系的能量。在量子生物学中所处理的系统一般都比较复杂，但重要的生物分子常具有由π电子所组成的双键，这种π电子的活动性较大,实际上并不定位在特定的一个原子核附近,这类系统称为共轭系统。核酸中的嘌呤与嘧啶碱基、蛋白质中的芳香氨基酸、高能磷酸物、喋呤、卟啉、醌、类胡萝卜素、各种辅酶、胆固醇以及许多药物无不具有共轭系统。各种生命现象都和共轭系统的存在及其π电子的非定域化密切相关。因此量子生物学首先考虑了这类电子的运动。式中H称为哈密顿算符，E是整个体系的能量。在量子生物学中所处目前最广泛应用的计算方法称为分子轨道法（简称MO）。即认为每个电子的运动可扩及到整个分子范围内。虽然每个电子的轨道是一种分子轨道，但它毕竟和原子轨道有关。认为分子轨道由原子轨道线性组合而成的方法就称为原子轨道的线性组合法。简写为LCAO-MO法：(2)式中的x1，…,xn+1表示各原子轨道的波函数,x1,…，xn+1为相应的系数。目前最广泛应用的计算方法称为分子轨道法（简称MO）。即认为每因此，对一个具有生物学意义的体系的量子力学计算过程，包括下列步骤：根据欲研究分子的结构，选定合适的波函数,代入波动方程(1)，并求其解。然后将所得结果和欲研究的生物学活性相联系。由于精确求解常有困难，因此在计算中经常应用各种近似方法。这种近似性是否适用，还要和实验结果相印证。从计算结果可以得到两类不同性质的指数：能量指数与结构指数。能量指数说明体系的能量状态，例如总能量、跃迁能（不同状态之间的能量差）。最高填满分子轨道（即电离势，简写作HOMO）与最低空分子轨道（即电子亲合势，简写为LEMO）等。结构指数说明分子的结构特征，例如键级（双键性的大小）、自由价（通过某一原子参与化学反应的能力）、电子电荷等。因此，对一个具有生物学意义的体系的量子力学计算过程，包括研究内容

只要生物分子本身的化学结构或各级结构已经清楚，就有可能研究和这种分子相联系的生物学活性的本质，或者它们之间的相互作用。因此量子生物学所研究的问题实际上涉及分子生物学的全部内容。例如重要生物大分子的物理性质、各级结构与功能；酶的结构与催化机制；酶与底物、酶与辅酶、抗原与抗体之间的特异作用；高能磷酸物的电子构造与能量关系；致癌物质的作用机制；药物作用机制；活体中电子、质子与能量迁移及转化关系等等。为了方便起见，可以把量子生物学的内容归纳为以下四个方面：研究内容只要生物分子本身的化学结构或各级结构已经清楚，就有分子间相互作用力的研究生物分子的电子结构与反应活性的研究生物大分子的构象与功能的研究特异作用与识别机制的研究

分子间相互作用力的研究分子间相互作用力的研究分子间的相互作用力主要考虑的是静电力：包括引力与斥力。至于电磁力在生物分子中一般认为可以忽略。静电力又分为强力与弱力两种，所谓强弱是相对而言的，一般都以平均热能kT值作为标准。k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度。由作用力所产生的相互作用能大于kT者为强力，反之为弱力。强力不仅在维持分子的基本骨架（一级结构）中起重要作用（包括离子键、共价键等），而且还与识别作用有关。弱力包括氢键、范德瓦耳斯力和偶极作用，它决定了分子的高级结构（二级、三级、四级结构），因而在维持大分子构象和功能活动中起十分重要的作用。分子间相互作用力的研究分子间的相互作用力主要考虑的是静电力生物分子的电子结构与反应活性的研究这是60年代前后量子生物学的主要研究领域。以核酸为例，核酸中的5种碱基都是共轭系统，由于结构不同,对辐射的抗性也不同。一般来说，嘌呤的抗性大于嘧啶；同为嘌呤，腺嘌呤又大于鸟嘌呤。按抗性大小可排列成下列次序：

A>G>C>U>T生物分子的电子结构与反应活性的研究这是60年代前后量子生物量子生物学计算表明,这5种碱基的每个π电子的共振能的大小（能量指标之一，说明体系的稳定程度）正好符合上述次序。又如3环以上、7环以下的许多芳香烃，其中有不少有致癌活性；能致癌的烃中，其活性又有强弱不同。为了从理论上说明这一问题,普尔曼等提出了K区理论。图中画出了一个芳香烃1,2-苯并蒽的K区和一个L区。K区是进行键反应的部位，L区是进行对位加成反应的部位（见图）量子生物学计算表明,这5种碱基的每个π电子的共振能的大小（能他们认为,致癌烃应具有化学反应能力强的K区,而L区则应较弱。他们计算了几十种芳香烃，并分别用复合指标（包括键本身以及键所涉及碳原子的电子指数和能量指数）说明有无致癌活性及其强弱的判据。结果虽然还不十分满意，但基本上为致癌活性与电子结构关系提出了理论依据。但应指出，对孤立分子结构的研究只是一个方面，只有深入研究分子与其作用对象相互作用时的结构改变，才能得到更为满意的结果。他们认为,致癌烃应具有化学反应能力强的K区,而L区则应较弱。生物大分子的构象与功能的研究蛋白质与核酸的空间结构及其在功能过程中的意义是这方面的主要研究课题。由于生物大分子涉及大量原子，在研究中遇到许多困难，所以这方面工作开展较晚。但对蛋白质和核酸都已了解到半导体性这一独特性质的存在。这是由于弱力将不同的单元(例如蛋白质的多肽链)连结在一起而形成的。在这种情况下，π电子可以跨越不同的单元而非定域化。原来的能级即组合成为有一定宽度的能带。生物大分子的构象与功能的研究蛋白质与核酸的空间结构及其在功许多人用不同的方法计算过能带间隙与宽度，目前由于计算方法比较粗糙，和实际结果符合得不很理想。但对这一性质的说明及其在能量传递中的重要性提出了一定的根据。近年来，大分子处于溶液状态下的溶剂化效应很受重视，特别是认识到水不仅作为生命物质的“介质”而存在，而且和大分子通过相互作用结合在一起，形成一个整体。量子力学计算能给出有关水合位置的确切信息(见生物水)。对于某些药物，例如，组胺在两种不同构象中产生不同的生理作用(分别刺激回肠与胃的分泌)，也能从构象能量图加以说明。

许多人用不同的方法计算过能带间隙与宽度，目前由于计算方法比较特异作用与识别机制的研究生物学领域的一个重要特征是相互作用的特异性。药物能和细胞表面的特异受体相互作用。一个抗体分子可以从105个分子中识别出能与之结合而起反应的抗原分子。对于这种特异作用的机制过去只从分子大小、形状和能否密切配合的所谓“锁与钥"的关系去理解。显然,这种单纯“形态学”的观点还必需进一步从“功能”的角度加以深化，也就是研究特异作用力及其引起的构象变化。这方面工作目前不多，有待发展。但对许多生命现象的阐明（酶作用、免疫作用、药物作用等）显然具有关键性的作用。特异作用与识别机制的研究生物学领域的一个重要特征是相互作用量子生物学还是一门十分年轻的学科，国际量子生物学会（简称ISQB）于1970年成