生物物理技术应用

关于生物物理技术应用第1页，共15页，2023年，2月20日，星期五结构化学概论物理化学由化学热力学、化学动力学、结构化学三大部分组成。其中结构化学研究化学体系的微观结构和性质。它以量子理论为理论基础，研究原子和分子的结构，物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性的规律性。X射线衍射方法与谱学方法是结构化学的重要组成部分。第2页，共15页，2023年，2月20日，星期五结构化学于生物学的应用推测有机化合物的结构e.g.DNA双螺旋结构蛋白质空间结构测定溶液的成分及各组分浓度e.g.分光光度计测定溶液叶绿素含量第3页，共15页，2023年，2月20日，星期五推测有机化合物的结构结构化学方法的应用大大推进了近现代生物学的发展。尤其是X射线晶体衍射法在生物大分子结构推断上的应用，使生物学研究从细胞水平进入到了分子水平上。1951年，Pauling通过研究血红蛋白X射线晶体衍射图像，提出蛋白质二级结构——α螺旋。第4页，共15页，2023年，2月20日，星期五推测有机化合物的结构1953年，Watson与Crick通过对Franklin制作的DNA分子X射线晶体衍射图像进行分析，发现了DNA双螺旋结构。使得生物学研究进入了新次元。至今，X射线晶体衍射法仍为生物大分子结构推断的首选方法。而后来一并应用的核磁共振谱等谱学方法，也成为了生物大分子结构推断的重要方法。第5页，共15页，2023年，2月20日，星期五X射线晶体衍射法原理：从衍射花样(衍射线的方向和强度)推算生物大分子的三维结构(也常称空间结构、立体结构或构象)。X射线衍射技术能够精确测定原子在晶体中的空间位置﹐是迄今研究生物大分子结构的主要技术。

第6页，共15页，2023年，2月20日，星期五谱学方法分子振动光谱（如：红外光谱）紫外-可见光谱核磁共振谱顺磁共振谱电子能谱质谱旋光谱……谱学方法可辅助甚至主导针对生物大分子的研究。第7页，共15页，2023年，2月20日，星期五红外光谱原理：当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。红外吸收峰的位置与强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴别未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与化学基团的含量有关，可用于进行定量分析和纯度鉴定。第8页，共15页，2023年，2月20日，星期五紫外-可见光谱原理：利用特定物质的分子吸收特定波长的能量用于电子能级间的跃迁来进行分析测定。应用：测定未知溶液的成分及各组分浓度*分光光度计的应用，其基本原理便脱胎于紫外-可见光谱法。第9页，共15页，2023年，2月20日，星期五核磁共振谱核磁共振波谱法（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR）NMR是研究原子核对射频辐射(Radio-frequencyRadiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。核磁共振现象于1946年由E.M.珀塞耳和F.布洛赫等人发现。目前核磁共振迅速发展成为测定有机化合物结构的有力工具。目前核磁共振与其他仪器配合，已鉴定了十几万种化合物。70年代以来，使用强磁场超导核磁共振仪,大大提高了仪器灵敏度,在生物学领域的应用迅速扩展。第10页，共15页，2023年，2月20日，星期五质谱法质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。与色谱法、计算机联用，可快速简便地分析混合物成分、含量并推断各组分结构等第11页，共15页，2023年，2月20日，星期五旋光谱许多有机化合物具有光学活性，能使偏振光的偏振平面发生旋转，这种现象称为旋光。化合物的旋光度和光的波长有关，亦即一个化合物的比旋度随着波长而改变。测定在紫外及可见光（200-700nm）内的旋光，然后将比旋度对波长作图，所得的谱线即旋光谱。对于类似的化合物，若对应的电子跃迁显出类似的旋光色散行为，得出类似的旋光色散曲线，则它们就有同样的光学构型。第12页，共15页，2023年，2月20日，星期五穆斯堡尔谱学穆斯堡尔效应：一个自由原子核发射或吸收γ光子时，原子核都要受到反冲。若原子核被束缚在晶体点阵上，则发射或吸收γ光子时，整个晶体反冲，容易观察到共振吸收现象。应用穆斯堡尔效应，利用多普勒速度扫描实现共振吸收测量，可以研究原子核与周围环境的超精细相互作用，是一种非常精确的测量手段。生物工作者利用穆斯堡尔谱学研究了血红素蛋白、铁硫蛋白、转铁蛋白等含金属元素蛋白质的结构和性质。第13页，共15页，2023年，2月20日，星期五小结结构化学方法应用于生物学，为生物学的发展做出了巨大贡献，甚至引领了生物学研究从细胞亚细胞水平进入了分子水平。结构化学于生