chapter 1 第一节1、生物分子中的化学键

碱基堆集
分子力场形式 van der Waals势
1.2.3 氢键
电负性原子与氢形成的基团N-H和O-H具有
很大的偶极矩，成键电子云分布偏向电负性大的 原子核，因而氢原子核周围的电子分布就少，当 它遇到另一个电负性强的原子时，就发生静电吸 引，即所谓氢键 X-H----Y X，Y代表F，O，N等电负性大的原子。
s，p，d 的相对成键能力
f s 1,

f p 3,
fd 5
成键能力大的轨道形成的共价键牢固，因此，
p-p成键>s-s成键
Phe
苯丙氨酸
（-CO-NH-）
酰胺键（肽键）
部分双键的性质
肽平面（刚性）
分子的力场
键能项（键长伸缩能）
谐振势函数：V = (k/2)(r- r0)2
1.2 非键相互作用
冰是氢键型晶体中最典型的例子。冰的升华 热为51kJ/mol，其中3/4破坏氢键所需的能量，
1/4是克服H2O分子间范德华力所需的能量。氢
键形成的多，物质的熔点和沸点就高。
氢键对物质性质的影响：
2)对溶解度的影响
如果溶质分子与溶剂分子间能形成氢键，将有 利于溶质分子的溶解。
氢键对物质性质的影响：
位相效应使vdW相互作用加强
当两个分子相同时，具有相同的固有频 率，瞬时偶极矩能够精确的同位相，从而产 生最大的相互作用。即，vdW相互作用倾向 于把类似的分子拉到一起，产生稳定的由相 同亚单位组成的大分子。
硬脂酸钠微团
两条CH链的总作用能
通常可以达到 28 - 85 kJ/mol 相当可观
3)对生物分子结构的影响
氢键较弱，在40kJ/mol以下，共价键数百kJ/mol。但它 们数量大，在蛋白、核酸结构方面都有极其重要的意义。
1.2.4
疏水作用
水的退出有利于底物和受体结合
维系和稳定蛋白质结构的作用力
盐键 (离子键）
氢键 疏水键
二硫键
疏水键
氢键 氢键
乙酰胆碱脂酶对Ach水解包含了 各种相互作用
生物和人体各层次的电学特性，电活动
规律和电刺激对生物和人体的作用。
第一节 生物聚合物的介电特性
一、分子中的化学键
生物分子的相互作用
蛋白质分子中原子间、基团间、分子间存在各种相互作用，
用化学语言说，就是存在各种共价键和非共价键（库仑力、vdW、
氢键和疏水键）。这些化学键对确定生物分子的结构和功能起着 重要的作用。 共价键：强相互作用，热稳定 非共价键：弱相互作用，单独或少数非共价键将由热运动而
生物分子的相互作用类型 重点
共价键 静电相互作用 范德华力
定义
强键
热稳定
解释吸引 排斥 饱和性 方向性 对物质性质的影响 定义
氢键
疏水作用
这些弱的维系力重要性何在?
*
“The more complex the system, the weaker are the forces that govern its behavior”
- J. R. Platt
较强
Forces: 核间力 原子力 共价鍵 非共价鍵
较弱
重力
_________________________________________ Structure: 原子 简单 核原子 简单化合物 生物巨分子 宇宙 复杂
被破坏。但大量非共价键决定生物大分子的空间结构，既可保持
稳定性，又有较大的灵活易变性。
这些弱的维系力重要性何在?
生物分子的相互作用类型
共价键 静电相互作用
范德华力
氢键 疏水作用
1.1
共价键
定义：原子和原子之间通过共有电子对而
结合的化学键。（强相互作用，热稳定）
由于电子的微观属性，共价键的形成不能简单的用 库仑静电相互作用来说明，只有用量子力学处理，才能给 出合理解释。
r3 r4 r6
1.2.2 范德华力
早在1873年，Van der Waals就注意到
在物质的聚集态中，分子间存在一种远比化学
键弱的吸引力，这种引力是导致实际气体不完 全符合理想气体定律的原因之一。
范德华力的本质
一个非极性分子没有永久偶极矩，但由于
电子的运动，他可以有一个瞬时非零的偶极矩，
当然在测量的时间间隔内平均偶极矩为零。 范德华吸引即瞬时偶极之间的相互作用。
原子轨道和成键能力
量子力学中，采取一个函数描写粒子的波，称为 波函数。表征电子的空间分布，几率波。
|ψ |2dτ 表示电子在体元dτ 内的出现几率，故
|ψ |2为几率密度，或称电子云密度。
n 主量子数
l 角量子数
KLMNO
spdf
m 轨道磁量子数
S P 亚层电子云密度
成键能力

ψ在极坐标下的极大值，以 f 表示
分子动力学
核糖体
ATP合成酶
MD法原理
将微观粒子视为经典粒子，服从 Newton 第二定律
若各粒子的瞬时受力已知，可用数值积分求出运动的
经典轨迹
粒子 i 在时间 t 内的位移 ri
在合适选定的时间步长 t 内，粒子可视作匀加速运动
加速度：
位 移：
步长取值： t＝0.001~0.002 ps
氢键的本质
电荷相互作用 电负性 : X, Y电负性要求大
氢键的判定：θ> 1350 ； d(H-A)<2.5 Å d(D-A)<3.5 Å
两个特性：饱和性 方向性
饱和性：
< 5% of the bond strength of a O-H (20 vs. 460 kJ/mole)
Much longer bond distance: 0.18 vs. 0.096 nm

水分子能与其他四个水分子形成氢键（笼状结构）。氢键很 容易连接或断裂，处于动态平衡状态，平均寿命是10-11秒。所以
水分子团的结构总处于不断变化之中。
冰为何浮在水上？
方向性：
Fig. 2-5
分子力场形式
V(r) = A/r12 - C/r10
氢键对物质性质的影响：
1) 对熔点、沸点的影响
第一章 生物电学
"生物电现象"为生物的电场理论提供 了实验依据。阐明了神经系统是电能和电 信息的运行系统。之后陆续发现生物分子
具有压电、半导体等一系列的电学性质。
问题？
这些性质在维持生物体正常生理功能中发挥着怎样作用？ 心电、脑电是由此而产生的吗？ 味觉、嗅觉、视觉是如何产生的？ 人们是如何利用生物电来进行医学诊断和治疗的呢？
静电相互作用 范德华力 氢键
疏水作用
1.2.1 库仑相互作用
电荷—电荷相互作用
F
q1 q 2 r 3 40r
q1q 2 U 40r
电荷-电荷
1
1
r
r2
电荷-偶极子
偶极子-偶极子 电荷-诱导偶极子 偶极子-诱导偶极子
1 1 1