第三部分-理论生物物理学2015
生物物理学研究
生物物理学研究生物物理学是针对生物体现象进行物理学解释和建模的交叉学科。
生物物理学家通常使用物理学方法来研究生命科学问题，比如结构、动力学、生物材料、生物电、生物磁力学、生物声学和神经科学。
生物物理学家越来越多地使用分子生物学、细胞生物学和组织学等生命科学的技术和知识，并将这些技术和知识与物理学和工程学知识结合起来，以更加系统地理解生命和生态系统的物理学特性。
通过对生物体的物理学研究，我们可以更好地了解生命在其最基础的水平上的工作原理和独特特点。
正因如此，生物物理学受到越来越多的关注。
生物物理学被认为是一个高度具有挑战性和前沿性的研究领域，它不仅涉及到理论物理学家和生命科学家之间的紧密合作，还涉及到计算物理学，材料科学，机械工程学以及电气工程学等等不同领域的交叉研究。
生物物理学的研究主题是多样的，其中包括分子和细胞动力学、膜物理学和生物材料学、蛋白质结构和动力学、光学显微镜技术、分子生物物理学和纳米生物学等等。
这些研究主题之间有许多相互关联的方面，需要共同协作与研究。
生物物理学家的一个主要任务是研究特定生物分子的结构和功能。
不同的细胞和分子的结构会决定它们的特性和功能型态。
了解这些分子的结构和功能对于了解生命的基本过程和治疗许多疾病具有很大的意义。
生物物理学家还研究生物化学过程和微观结构中不同分子之间的相互作用。
在细胞生物学和分子生物学领域中，生物物理学家使用磁共振成像，X射线衍射和单个分子测量等技术进行分析，以了解生物体系的结构和功能。
最近几年，生物物理学家们还致力于将生物学与工程学和材料科学结合起来，以开发出类似于生物体自然形成的材料。
例如，生物物理学家正在研究生物化学化合物，以创造新型的生物医用材料和药物传递系统。
生物物理学和纳米科技也有着许多共性，生物物理学家们正致力于研究可用于制造微型和纳米量级物体的微结构集成技术和技术方法，这些集成技术对于研究分子和细胞更细微的过程的理解和研究非常重要。
生物物理学 第3章
第三章
电磁生物物理
生物体充满了电荷:离子、离子基团和电 偶极子。 氨基酸在水中能离解产生离子基团或表 现电偶极子特性。 DNA大分子中的碱基和磷酸酯也存在离 子基团和偶极子。 生物水本身就有强烈的电偶极作用，
Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl－等 无机离子。
这些电荷的运动和相互作用，使生物分 子保持一定的空间构象，行使各自特定 的生命功能。
1. 氨基酸
3
上述酸性或碱性氨基酸侧链在不解离的状态下也存在极性基团而表现 极性。由于氨基酸同时含有氨基和羧基，具有酸碱两种离解，将其分子 结构用极性离子表示更为恰当，即
由于氨基酸以极性离子(两性离子)形式存在，故氨基酸的中性溶液 具有高介电常数。 由氨基酸聚合成多肽链是靠肽键连接的，如
2. 多肽和蛋白质 氨基酸通过肽键（两个氨基酸之间的键称为肽键）连接为多肽链， 一条或多条多肽链按特定方式组成蛋白质。多肽链的组成方式如图3-6所 示。由图可见，由两个氨基酸分子结合形成肽键时，要失去一个水分子， 因此实际上多肽链是由氨基酸残基形成的。C＝O键是强极性的，主要由 它决定肽单元的固有偶极矩的大小（约1.2×10-29C· m）和方向（与C-N 键夹角约为46.7°）。每一肽单元具有一固有偶极矩，多肽链等效于由偶 极子连接起来的弦。
生物物理学中的生物能量传递与利用
生物物理学中的生物能量传递与利用近年来，生物学、物理学、化学等交叉学科的发展引起了人们的高度关注。
其中，生物物理学成为了引领生命科学前沿领域的重要学科之一。
在生物物理学的研究中，生物能量传递与利用成为了一大研究热点。
本文将从生物体内能量传递与利用的基本原理、代表物种与研究进展等方面进行探讨。
1. 生物体内能量传递与利用的基本原理生物能量传递与利用涉及的基本物理原理包括热力学第一定律、热力学第二定律、斯托克斯-爱因斯坦方程、离子通道理论等。
通过这些基本原理的应用，科学家们逐渐了解了生物体内能量传递的机制。
热力学第一定律指出能量守恒原理，即能量不会凭空消失，也不会从空气中获得。
生物体内能量的转化同样遵守这个定律。
在生物体系中，能量来源主要包括光合作用、有机物质的降解、有机物的合成等。
生物体内能量传递的方式主要有两种：一种是光合作用，另一种是细胞呼吸。
光合作用是只有植物、藻类、某些细菌等生物才具有的生理功能。
在光合作用过程中，植物、藻类等绿色生物会利用太阳能合成葡萄糖等有机物，同时释放氧气。
储存的有机物质会参与到植物生长发育等过程中，并成为其生存与生长的重要基础。
另一种能量传递方式是细胞呼吸，这个过程是所有生物体都具有的功能。
由于所有的生物体都需要能量来维持生命活动，因此所有的细胞都要进行呼吸过程，以获得必要的能量。
在这个过程中，有机物质会被分解为CO2和H2O，释放出能量。
这里，氧气充当着电子接受者的角色，接下来，通过“线粒体”中的氧化磷酸化等过程，细胞将能量进一步转化为膜电位和ATP，从而使细胞得以存活和复制。
2. 代表物种生物能量传递涉及到众多的生物物种，这些生物物种均在不同程度上利用自身的能源进行生存与生长。
下面我们将介绍几个代表物种。
2.1 蓝藻蓝藻是一种原生的细胞有机体，是疑似最早开始进行光合作用的微生物之一。
蓝藻的光合作用是通过一系列复杂的电子传递及能量转移过程完成的。
蓝藻的光合膜中含有不同种类的色素分子，其中，叶绿素b、叶黄素和类胡萝卜素等均能够吸收光能，开始光合作用过程。
生物物理学
生物物理学生物物理学是一门研究生命现象和生命体系中的物理规律的学科，它是生物学和物理学的交叉学科之一。
生物物理学将物理学的理论和方法应用于生命科学领域，以解释和解析生命现象的产生、发展和功能机制。
本文将从生物物理学的起源和发展、研究方法和技术以及典型研究领域等方面进行阐述。
一、生物物理学的起源和发展生物物理学的概念最早出现于19世纪，当时科学家们开始将物理学方法应用于解释生物学现象。
生物物理学的发展受到生物学和物理学两个学科的推动。
随着物理学的进一步发展，生物物理学在20世纪取得了突飞猛进的进展。
生物物理学的起源可以追溯到晶体学的研究。
晶体学研究表明，生物分子的结构与其功能密切相关。
这一发现为生物物理学奠定了基础。
此后，X射线衍射、核磁共振等现代技术的发展，使科学家们能够更深入地研究生物体内分子的结构和功能。
二、生物物理学的研究方法和技术生物物理学依赖于物理学的理论和实验方法，同时也引入了生物学的一些概念和实验技术。
其中，以下是生物物理学中常用的研究方法和技术：1. 光学方法：包括荧光显微术、共聚焦显微术等，用于观察生物分子的动态过程和互作关系。
2. 数学建模：通过建立数学模型，可以预测和解释生物体系的行为和属性，例如，神经网络模型和传导模型等。
3. 分子生物物理学：用于研究生物大分子的结构、功能和相互作用，包括核磁共振、X射线晶体学等。
4. 生物力学：研究生物体系中的运动和力学性质，如细胞的机械特性和蛋白质的力学稳定性等。
5. 生物电学：研究生物体系中的电信号传导和生物电特性，如神经传导和心脏电生理学等。
三、生物物理学的研究领域生物物理学的研究领域非常广泛，涉及生命体系的各个层次和方面。
以下是生物物理学的几个典型研究领域：1. 生物分子结构和功能：研究生物分子的结构、功能和相互作用，揭示生物体系的基本规律。
2. 细胞力学：研究细胞的机械性质和力学行为，包括细胞的形变和移动等。
3. 生物电学：研究生物体系的电信号传导和生物电现象，揭示神经和心脏等生物体系的电生理学特性。
生物物理学的研究和应用
生物物理学的研究和应用生物物理学是研究生命体系的物理学科，它涉及到生命体系的许多方面，包括生物分子的结构和功能，细胞和组织的物理特性以及生物体在物理环境中的响应。
在过去的几十年中，生物物理学的研究已经取得了许多重要的进展，并且在医学、生命科学、材料科学等领域都得到了广泛的应用。
本文将介绍生物物理学的基本概念、研究方法和应用，并且探讨其未来的发展方向。
一、生物物理学的基本概念生物物理学是研究生命体系的物理学科，它的研究范围非常广泛。
它涉及到生物分子的结构和功能，细胞和组织的物理特性以及生物体在物理环境中的响应。
生物物理学的研究内容包括物理化学、光学、声学、热力学、流体力学、力学等学科的知识。
生物物理学的研究对象包括生物分子、细胞、组织和生物体等。
生物物理学主要关注生物体的物理特性和生理学功能之间的关系，以及这些关系对生物体的生命过程产生的影响。
生物物理学的研究可以为生物学、医学、材料科学等领域的研究提供重要的基础。
二、生物物理学的研究方法生物物理学的研究方法包括实验、模拟和理论分析等。
实验方法是生物物理学研究的重要手段之一。
通过实验，可以测量生物体的物理特性和生理功能，以及研究生物分子、细胞和组织的结构和功能。
生物物理学的实验方法包括光学显微镜、电子显微镜、核磁共振、荧光光谱等。
模拟方法是生物物理学的另一种重要手段。
通过计算机模拟和分子动力学模拟等方法，可以模拟生物分子、细胞和组织的结构和功能，并研究它们的物理化学特性和生理功能。
模拟方法在生物物理学研究中扮演着越来越重要的角色，特别是在药物发现、生物材料研究等领域的应用中。
理论分析是生物物理学的第三种重要方法。
通过理论计算、建模和数据分析等方法，可以解释实验结果、模拟数据和观测数据，并推导出生物体的物理特性和生理功能之间的关系。
理论分析方法在生物物理学研究中具有重要的作用，可以为实验和模拟提供指导，促进理论和实验的相互协作。
三、生物物理学的应用生物物理学的研究成果在医学、生命科学、材料科学等领域都得到了广泛的应用。
生物物理学导论-05
6. 酶的专一性
酶反应的专一性随酶与底物间复合物的构造而定。 由于复合物是通过非共价相互作用形成，因此必 然有较大量的接触点，在这些点上发生的作用可 以共同保证复合物有相当的稳定性。 非共价作用在很近的区域，必然有许多地方底物 的原子非常靠近酶原子。 在底物和酶之间必然存在着结构上的对应。这一 事实就是辨识过程的基础。 钥-锁观点极好地阐明了的反应的动力学。按这一 观点，竞争性抑制剂的作用也可以得到说明。
5. 酶动力学
Michaelis和Menten从酶 反应的反应动力学得出： 酶作用的本质是底物-酶 复合物的形成。 如果用酶反应的反应速 率对底物浓度作图，就 可获得的反应速率随底 物浓度变化的曲线。 反应速率开始线性增加， 最后停留在一坪台上， 坪台的高度依赖于酶的 浓度。
即
2. α螺旋
阿斯特布里模型既不能给出蛋白质结构的确切 意义，也不能对衍射花样给出圆满的解释。 鲍林和柯里(Pauling和Corey)在1951年提出的螺 旋结构与许多纤维蛋白的衍射花样比较吻合。 阿斯特布里和其它人也试用过螺旋模型，但他 们从未想到给一圈螺旋配上非整数的氨基酸残 基。 考虑已知的键长和键角，鲍林和柯里证明，螺 旋结构每圈包含3.6个氨基酸残基，直径为6.8 埃，各圈间的距离为5.4埃。
变构效应对酶学过程的调节作用
目前，已发现许多酶都有变构效应。这一效 应对酶作用过程的调节非常重要。 变构效应有时是刺激性的(如在血红蛋白的 惰况下)，有时又是抑制性的；有时是产物 或降解产物产生变变效应，有时又是前体产 生这一效应。这样的过程，常常是通过它们 的协同作用，使活细胞中的酶学过程能得到 非常有效的调节。
生物物理学
生物物理学生物物理学是研究生物体结构、功能、发展和互动过程中的物理学原理及其应用的学科领域。
它将物理学的理论和技术手段应用于生物学领域，旨在揭示生物系统的奥秘并推动生物医学和生物工程等领域的进步。
1. 生物物理学的起源与发展生物物理学的历史可以追溯至19世纪，当时科学家们开始意识到生物学和物理学之间存在着密切的联系。
随着科学技术的进步，生物物理学逐渐成为一个独立的学科领域。
20世纪以来，生物物理学的发展取得了巨大的进展，涌现出许多重要的理论和技术。
2. 生物物理学的研究对象生物物理学主要研究生物体内各种生物分子、细胞结构与功能、生物体的运动与形态变化等现象。
通过研究生物体内的物理过程，生物物理学试图解释生物体内发生的各种生物学现象，并探索生物系统的规律性和普适性。
3. 生物物理学的研究方法生物物理学采用了许多物理学的理论和技术手段，如光学显微镜、电子显微镜、核磁共振、X射线衍射等。
这些技术手段可以帮助科学家们观察和测量生物体内的微观结构和运动过程，从而揭示生物体内的物理规律。
4. 生物物理学在生物医学和生物工程中的应用生物物理学为生物医学和生物工程领域的发展提供了重要的理论和技术支持。
通过生物物理学的研究，科学家们可以更好地理解生物体的结构与功能，从而研发新的医疗技术和生物工程产品，为人类的健康和生活质量带来更多的好处。
5. 生物物理学的未来发展趋势随着科学技术的不断进步，生物物理学领域面临着更多挑战和机遇。
未来，生物物理学将继续发展新的理论和方法，努力揭示生物系统的奥秘，推动生物医学和生物工程等领域的进步，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
生物物理学作为生物学和物理学的交叉学科，在科学研究和应用领域中发挥着重要作用。
我们有理由相信，生物物理学将在未来的科学研究中继续发挥重要作用，为人类社会的发展带来更多的惊喜和贡献。
生物物理学介绍
生物物理学是物理学与生物学相结合的一门边缘学科，是生命科学的重要分支学科和领域之一。
生物物理学是应用物理学的概念和方法研究生物各层次结构与功能的关系、生命活动的物理、物理化学过程和物质在生命活动过程中表现的物理特性的生物学分支学科。
生物物理学旨在阐明生物在一定的空间、时间内有关物质、能量与信息的运动规律。
生物物理学-定义关于生物物理学的定义，有许多不同的看法。
现列举三种定义。
定义一：生物物理学是由物理学与生物学相互结合而形成的一门交叉学科。
它应用物理学的基本理论、方法与技术研究生命物质的物理性质，生命活动的物理与物理化学规律，以及物理因素对机体的作用。
定义二：生物物理学是生物学和物理学之间的边缘学科，它用物理学的概念和方法研究生物各层次的结构与功能的关系，以及生命活动的物理过程和物理化学过程．定义三：生物物理学是运用物理学的理论、技术和方法，研究生命物质的物理性质、生命过程的物理和物理化学规律，以及物理因素对生物系统作用机制的科学。
上面的四个定义表述方法虽各有不同，但都认为生物物理学是一门生物学和物理学相互作用的学科，也都是从生物物理学的研究对象上来阐述其定义的。
关于生物物理学属于生物学的分支还是物理学的分支，一些生物学家认为他们研究生命现象时只是引入了物理学的理论和方法，属于生物学的一个分支。
但有些物理学家认为，研究生命的物质运动，只是物理学研究对象由非生命物质扩展到生命物质。
应该属于物理学的分支。
不同研究领域的学者处于不同的角度，也就有了不同的定义。
生物物理学-发展简史从16世纪末开始，人们就开展了生物物理现象的研究，直到20世纪40年代薛定谔（Schrödinger）在都柏林大学关于“生命是什么”的讲演之前，可以算是生物物理学发展的早期。
19世纪末叶，生理学家开始用物理概念如力学、流体力学、光学、电学及热力学的知识深入到生理学领域，这样就逐渐形成一个新的分支学科，许多人认为这就是最初的生物物理学。
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论，在DNA序列记录的基础上进行计算、分析、研 究的数据库。 • 大多数蛋白质序列数据库为二级数据库如： Swiss-Port和PIR。
主要的数据库资源
• 核酸序列数据库主要有GenBank, EMBL, DDBJ等. • 蛋白质序列数据库主要有SWISS-PROT, PIR,
同年Doolittle提出了关于序列模式的概念；
1982: GenBank第3版本正式发行； 1983: Wilbur和Lipman发表了数据库相似序列搜索算法； 1986: 日本核酸序列数据库DDBJ诞生； 1986: 蛋白质数据库SWISS-PROT诞生； 1988: 美国国家生物技术信息中心NCBI诞生； 1988: 成立欧洲分子生物学网络(EMBNet)，EMBL数据库诞生； 1988: Person和Lipman发表了著名的序列比较算法FASTA； 1990: 快速相似性序列搜索算法BLAST问世，1987年BLAST的
生物学和计算机科学联系起来 • 20世纪70年代，生物信息学的真正开端(序列比对算法) • 20世纪80年代初期，生物信息分析方法的发展 • 20世纪80年代以后，生物信息服务机构和数据库 • 20世纪90年代后 ，HGP促进生物信息学的迅速发展
1956: 美国田纳西州首次召开了“生物学中的理论研讨会”； 1962: Zucherkandl和Pauling研究了序列变化与进化的关系，
RefSeq
TATAGCCG AGCTCCGATA CCGATGACAA
Genome Assembly
GenBank
UniGene
Algorithms
基因组数据库的发展历史
• DNA序列数据库最早于1982年在欧洲分子生物学实 验室诞生，随即就开始了一个数据库爆炸的时代。
• 此后不久因一项美国国家健康研究中心与洛斯阿 拉莫斯国家实验室的合同而诞生了GenBank。
改进版本PSI-BLAST投入使用 1996: Affymetrix生产出第1块DNA芯片。
生物信息学主要研究内容
1、生物分子数据的收集与管理 2、数据库搜索及序列比较 3、基因组序列分析 4、基因表达数据的分析与处理 5、蛋白质结构预测
基因组序列分析
• 遗传语言分析——天书 • 基因组结构分析 • 基因识别 • 基因功能注释 • 基因调控信息分析 • 基因组比较
基因组序列分析
电子克隆
UTR 内含子 启动子 基因之间的序列
……
数据库搜索及序列比较
• AAGCTTAACGT • AATCTTA -CGT
基因表达数据的分析与处理
• 基因表达数据分析是目前生物信息学研究的热 点和重点
• 目前对基因表达数据的处理主要是进行聚类分 析，将表达模式相似的基因聚为一类，在此基 础上寻找相关基因，分析基因的功能
蛋白质结构预测
• 蛋白质的生物功能由蛋白质的结构所决定 ， 蛋白质结构预测成为了解蛋白质功能的重要途 径
• 蛋白质结构预测分为:
– 二级结构预测 – 空间结构预测
蛋白质折叠
生物信息学当前的主要任务
纵观当今生物信息学界的现状，大部 分人都把注意力集中在: 基因组 蛋白质 药物设计(蛋白质结构)
一级和二级数据库
第三部分-理论生物物理学2015
生物信息学 采用信息科学技术，借助数学、 生物学的理论、方法，对各种生物信息 （包括核酸、蛋白质等）的收集、加工、 储存、分析、解释的一门学科。
收集、加工、储存：计算机科学家 分析、解释：生物学家
生物信息学的发展历史
• 20世纪50年代，生物信息学开始孕育 • 20世纪60年代，生物分子信息在概念上将计算
开创了一个新的领域——分子进化； 1967: Dayhoff研制出蛋白质序列图集，即后来著名的蛋白
质信息源PIR； 1970: Needleman和Wunsch提出了著名的序列比对算法，
是生物信息学发展中最重要的贡献； 1970: Gibbs和McIntyre发表著名的矩阵打点做图法； 1978: Gingeras等人研制了核酸序列中酶切位点识别程序； 1981: Smith和Waterman提出了著名的公共子序列识别算法，
• 日本的DNA数据库（DDBJ），在几年后加入了数据 收集的合作。
基因组数据库的发展历史
• 1988年一次三方会议之后（现在称之为“国际DNA 序列数据库合作计划”）达成协议，对数据库的 记录采用共同的格式
• 现在三个中心都收集直接提交的数据，并在三者 之间发布。
三大基因数据库
• Genbank Genbank库包含了所有已知的核酸序列和蛋白质序列，以及与它们相关 的文献著作和生物学注释。它是由美国国立生物技术信息中心(NCBI)建 立和维护的。 NCBI的网址是：。
TrEMBL等， • 蛋白结构数据库有PDB, MMDB等， • 与基因组有关的数据库还有dbEST, OMIM等，
Primary vs. Derivative Databases
Curators
Sequencing Centers
Labs
TATAGTCACTGAGCCTAGTAGCCTAGTAGCCG
• EMBL核酸序列数据库 由欧洲生物信息学研究所(EBI)维护的核酸序列数据构成，查询检索可以 通过通过因特网上的序列提取系统(SRS)服务完成。 数据库网址是：/embl/。
• DDBJ数据库 日本DNA数据仓库(DDBJ)也是一个全面的核酸序列数据库，与Genbank 和EMBL核酸库合作交换数据。使用其主页上提供的SRS工具进行数据 检索和序列分析。 DDBJ的网址是：http://www.ddbj.nig.ac.jp/。
三大基因数据库之间的关系
GenBank
EMBL Data Library
DDBJ (DNA Data Bank of Japan)
Public free
Available via
Internet
/ /embl/ http://www.ddbj.nig.ac.jp/searches-e.html