生物物理3
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。
胎儿超声四项生物物理评分标准
胎儿超声四项生物物理评分标准
胎儿超声四项生物物理评分标准是通过胎儿的超声检查评估胎儿生长和发育的常用标准。
其中四个评分标准分别是：
1. 体动评分（Fetal movements score，FM）：评估胎儿的活跃程度和运动状态，包括四个等级：1级为无动静；2级为轻微动作；3级为较强的活动；4级为有力的踢动。
2. 呼吸评分（Fetal breathing movements score，FBM）：评估胎儿的呼吸动作和胎盘功能，包括四个等级：1级为没有呼吸动作；2级为有短暂的呼吸动作；3级为间歇性呼吸动作；4级为频繁和连续的呼吸动作。
3. 肌张力评分（Fetal tone score，FT）：评估胎儿的肌张力和运动调节能力，包括四个等级：1级为完全松弛；2级为肌肉松弛但可感到柔软；3级为轻度张力；4级为张力强、肌肉紧绷。
4. 心率评分（Fetal heart rate，FHR）：评估胎儿的心率和心律，通常以胎心监测进行评估，评分标准为正常、轻度异常、显著异常。
以上四项评分标准是分别评估胎儿不同方面的发育状态，评分越高代表胎儿生长和发育越正常。
四项评分综合考虑可以更加全面地评估胎儿生长和发育情况。
生物物理知识点总结
生物物理知识点总结一、生物分子的结构与功能1. 蛋白质结构与功能在生物物理学中，蛋白质是研究的重点之一。
蛋白质在生物体内扮演着重要的角色，包括酶的催化作用、细胞信号传导、结构支持等。
通过X射线晶体学、核磁共振等技术，科学家可以解析蛋白质的三维结构，从而揭示其功能原理。
2. DNA和RNA的结构和功能DNA和RNA是生物体内负责储存和传递遗传信息的核酸分子。
它们的结构特点及功能机理对于生物体的生长、发育和遗传变异至关重要。
生物物理学家通过研究DNA和RNA的空间结构、分子间相互作用等信息，揭示了它们在DNA复制、转录和翻译过程中的作用机制。
3. 脂质的结构与生物功能脂质是构成生物膜的重要组成成分，它在细胞膜的形成、细胞信号传导等生物过程中发挥着重要作用。
生物物理学家研究了脂质分子的结构与性质，深入揭示了脂质在细胞膜形成和功能调控中的重要作用。
二、生物膜的物理性质1. 细胞膜的结构和功能细胞膜是生物体内细胞的保护膜，同时也是细胞与外界环境之间传递物质的界面。
生物物理学研究了细胞膜的结构特点、物理性质和功能机理，从而揭示了细胞膜在物质交换、细胞信号传导等方面的作用原理。
2. 膜蛋白的结构和功能膜蛋白是生物膜上的重要蛋白质成分，它在细胞内外物质传递、细胞信号传导等生物过程中发挥着重要作用。
生物物理学家研究了膜蛋白的结构特点、与脂质分子的相互作用等信息，揭示了膜蛋白在细胞膜功能中的重要作用。
3. 离子通道的结构和功能离子通道是细胞膜上的一类膜蛋白，它在细胞内外离子传递过程中发挥着重要作用。
生物物理学家研究了离子通道的结构特点、离子选择性和通道开关机制等信息，深入揭示了离子通道在细胞内外物质传递中的重要作用。
三、生物能量转换和传递过程1. ATP合成机制ATP是生物体内细胞内能量储存和转移的重要分子，它在细胞内能量转化过程中发挥着重要作用。
生物物理学研究了ATP合成酶的结构与机制，揭示了ATP合成机制中化学能量与机械能的转换原理。
生物物理模型
生物物理模型生物物理模型是用来模拟生物系统中的物理现象和过程的模型。
这些模型基于物理学原理，并利用数学和工程学的方法来描述和预测生物系统的行为。
下面介绍一些常见的生物物理模型。
1.细胞膜和细胞器模型细胞膜是细胞的外层结构，它具有维持细胞内部环境稳定、控制物质进出细胞等功能。
细胞器是细胞内部的小器官，包括线粒体、叶绿体、内质网等，它们在细胞的代谢和功能中起着重要的作用。
细胞膜和细胞器模型可以用来模拟细胞膜的通透性和细胞器的代谢过程，帮助人们更好地理解细胞的生理功能。
2.神经元和神经网络模型神经元是神经系统的基本单元，它们通过电化学信号传递信息。
神经网络是由许多神经元相互连接而成的复杂网络，它们在大脑的信息处理中起着重要的作用。
神经元和神经网络模型可以用来模拟神经元的电位变化和神经网络的信号传递过程，帮助人们更好地理解大脑的工作原理。
3.肌肉和骨骼模型肌肉和骨骼是生物体的运动系统，它们通过收缩和舒张来产生运动。
肌肉和骨骼模型可以用来模拟肌肉的收缩和舒张过程以及骨骼的受力情况，帮助人们更好地理解生物体的运动机制。
4.呼吸和循环系统模型呼吸和循环系统是生物体代谢的重要环节，它们分别负责向身体各部位输送氧气和排放二氧化碳，以及为身体提供足够的能量。
呼吸和循环系统模型可以用来模拟呼吸和循环过程中的血流和压力变化，帮助人们更好地理解生物体的代谢机制。
5.视觉和听觉模型视觉和听觉是生物体感知环境的主要方式。
视觉模型可以描述人眼对光线的聚焦和感光过程，帮助人们更好地理解视觉系统的工作原理；听觉模型则可以描述人耳对声音的感知和分析过程，帮助人们更好地理解听觉系统的工作原理。
6.神经肌肉模型神经肌肉模型主要模拟神经系统如何控制肌肉的收缩和舒张过程。
这类模型对于研究运动控制、肌电信号处理等领域具有重要意义。
7.生物电模型生物电模型主要关注生物体内产生的电现象，如心电、脑电等。
这些模型可以帮助人们理解生物体内的电信号传播、神经元的电活动等生理过程。
生物物理学中蛋白质动力学和分子模拟研究
生物物理学中蛋白质动力学和分子模拟研究生物物理学是研究生命体系中生物体及其分子结构与功能之间相互关系的学科。
生物物理学在研究生物体中的基础分子如蛋白质、核酸等时，动力学是其研究的重要方向之一。
蛋白质是生物体内最重要的有机分子之一，也是最具功能性的分子。
因此，蛋白质动力学及分子模拟研究在生物物理学研究中具有重要的地位。
一、蛋白质动力学蛋白质动力学主要是描述蛋白质分子中的结构和步态在动力学条件下的变化过程。
主要研究蛋白质在非稳态条件下的动态行为，如其构象变化、折叠、解折叠、聚合等。
蛋白质结构是其功能的基础，而蛋白质动力学则揭示了蛋白质在生命过程中的动态变化过程。
蛋白质动力学研究基于分子动力学仿真和蛋白质结晶学等技术，可以通过计算机模拟来理解蛋白质的运动与结构演化。
二、分子模拟分子模拟是指利用计算机对具有分子结构的物质进行仿真的一种方法。
能够在计算机虚拟环境中对其进行可控、可重复的实验研究。
其应用广泛，包括研究有机化学、材料、药物等领域。
在生物领域，分子模拟技术可用于解析生物分子在不同环境下的构象变化、相互作用及动力学过程，揭示蛋白质分子间的交互作用方式，深入探究生物分子的结构、功能和性质。
三、蛋白质动力学仿真蛋白质动力学仿真是通过计算机模拟蛋白质在分子水平上的动态变化过程，即在体系中进行受力、扭曲和变形等行为。
分子动力学方法以牛顿运动定律为基础，模拟物质粒子在温度、压力等力学条件下的运动规律。
简而言之，蛋白质动力学仿真可以大大地缩短研究蛋白质动力学行为的周期，快速预测蛋白质结构的变化，以及蛋白质与其他生物体系统的相互作用。
此外，通过对大量计算机模拟数据的评估，可以优化能量表面，预测蛋白质的构象、稳定性和折叠动力学过程。
四、分子动力学仿真的应用生命科学中的分子动力学仿真多应用于生物大分子的结构和功能研究领域，这主要涉及到以下几个方面的应用：1）药物筛选及设计。
通过模拟蛋白质与药物之间的相互作用，发现新药物、解析药物作用机理及优化药物性质，加速药物研发流程。
生物物理学揭秘生命中的物理现象
生物物理学揭秘生命中的物理现象生物物理学是研究生物体内的物理现象和规律的学科，它的发展深化了对生命的理解。
本文将揭秘生命中一些重要的物理现象，从分子层面到组织层面，解析生物体内的奥秘。
一、分子层面的物理现象1. 扩散与渗透压生物体内众多分子通过扩散来完成物质交换。
扩散是由于分子热运动带来的无规则碰撞，从高浓度区域向低浓度区域传播。
而渗透压则是用于描述溶液中溶质引起的压强差异，通过渗透压的调节，细胞内外的物质交换得以平衡。
2. 蛋白质的折叠蛋白质是生物体内最重要的分子之一，它们的功能与其特定的结构紧密相关。
蛋白质折叠是指无序的氨基酸链在特定条件下经过各种静电相互作用、氢键和疏水效应等力的作用而形成的三维结构。
这种折叠是物理力学的产物，对于蛋白质的结构与功能至关重要。
3. 分子运动与膜通透性生物体内细胞膜和细胞器膜的通透性能够控制物质的进出。
这种通透性是由膜内分子的运动导致的，分子通过膜的扩散、溶解和转运等方式完成进出过程。
通过研究分子的运动与膜通透性的关系，我们能够更好地理解细胞内各种物质交换的方式和机制。
二、细胞层面的物理现象1. 细胞骨架的力学特性细胞骨架由微丝、中间丝和微管网络等构成，它们赋予细胞形状稳定性和机械支撑能力。
细胞骨架的力学特性与生物物理学密切相关，例如微丝的收缩与舒展能够影响细胞的形状变化和运动。
2. 细胞膜的流体性细胞膜是由脂质双层组成的，因此具有流体特性。
细胞膜的流动性使得细胞内外的物质交换成为可能。
研究细胞膜的流体性，有助于我们深入了解细胞表面的动态变化以及细胞信号传导等生理过程。
3. 离子通道与电位差细胞膜上存在各种离子通道，能够控制离子进出细胞。
这些离子通道的开闭与细胞膜上的电位差密切相关。
通过研究离子通道和电位差的相互作用，我们可以了解细胞内各种电生理现象，如神经传递和肌肉收缩等过程。
三、组织层面的物理现象1. 血液循环与体液动力学血液循环是通过心脏的泵压作用来驱动的，它与体液动力学密切相关。
生物物理书籍
生物物理书籍生物物理是研究生命体系中的物理现象和过程的学科领域，它既涉及生命体系的基本特征，又涉及物理学基础理论，是一门极其重要的跨学科学科。
生物物理的研究对象包括生物大分子、细胞器和生物膜等，研究方法则涵盖了各种物理学技术和实验手段，例如X射线晶体学、核磁共振、光学、电化学等。
本文将为你介绍一些经典的生物物理书籍，帮助你更深入地了解这个学科领域。
1.《生命的力量——生物物理学的故事》这本书是比尔·布赖森所写的一本科普作品，介绍了生物物理学诞生到今天的历程，讲述了众多科学家如何利用物理学的方法和技术来探索生命的本质。
非常适合初学者阅读，让你了解到生物物理学的发展时间轴和重要成就，同时也启发你去思考一些研究生命的基本问题。
2.《生物物理学――生命系统的架构》由彼得·纳尔逊教授所著的这本书，则深入讲述了生物物理学的基础知识，包括生物大分子的物理化学性质、蛋白质折叠、生物膜的结构和功能等。
本书不仅提供了深刻的理论解释，还与实验结果相结合，向读者展示了物理学方法在探索生命系统中的应用。
3.《分子生物物理学》由肯尼斯·艾默森教授所著的《分子生物物理学》，内容涉及蛋白质结构、基因转录和复制等基础研究领域。
尽管内容有些难度较大，但是该书具备很高的实用性和指导意义，对初学者和科研人员都是一本很好的参考书。
4.《细胞生物物理学》由Ira S. Cohen和Carlos Bustamante两位教授合著的这本书，则介绍了细胞生物物理学领域的研究进展，包括细胞器结构和功能、胞内运动以及细胞分裂等方面。
本书融合了物理学和生物学的原理，阅读该书有助于读者全面了解细胞及其相互作用。
5.《生物物理学导论》由霍华德·贝格教授所著的《生物物理学导论》，是一本资深学者推荐的生物物理学基础读物。
本书内容以简洁易懂为特点，介绍了生物物理学领域自然界和人工实验的观察和测量方案，旨在使读者全面了解生命物理学的概念和实践。
生物物理学
生物物理学一生物物理学的定义生物物理学（Biological Physics）是物理学与生物学相结合的一门交叉学科，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。
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二生物物理学的研究内容和现状(一) 生物物理学的研究内容生物物理学研究的内容十分广泛，涉及的问题则几乎包括生物学的所有基本问题。
由于生物物理学是一门正在成长着的边缘学科，其具体内容和发展方向也在不断变化和完善，它和一些关系特别密切的学科（生化、生理等）的界限也不是很明确。
现阶段，生物物理的研究领域主要有以下几个方面：1 分子生物物理。
分子生物物理是本学科中最基本、最重要的一个分支。
它运用物理学的基本理论与技术研究生物大分子、小分子及分子聚集体的结构、动力学，相互作用和其生物学性质在功能过程中的变化，目的在于从分子水平阐述生命的基本过程，进而通过修饰、重建和改造生物分子，为实践服务。
生物大分子及其复合物的空间结构与功能的关系是分子生物物理的核心问题。
自从50年代X射线衍射晶体分析法应用于核酸与蛋白质获得成功，奠定了分子生物学发展的基础，至今已有40余年历史。
在这段时期中，有关结构的研究大体上经历了3个主要阶段：①晶体结构的研究；②溶液中生物分子构象的研究；③分子动力学的研究。
分子构象随时间变化的动力学，分子问的特异相互作用，生物水的确切作用等是分子生物物理今后的重要课题。
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=
Ki [A]i
其中 K0 = 1
生物学角度
——功能
酵母双杂交技术（1989）
酵母双杂交技术的基本原理
DNA结合结 构域(DNA binding domain, 简称 为BD) 转录激活结构域 (transcriptionactivating domain，简称 AD区)
生物物理角度
• 基本原理：在靶蛋白与目标蛋白质经过特 异性相互作用后，用质谱技术对得到的蛋 白质复合体进行鉴定。 质谱技术：MALDI-TOF-MS LC-ESI-MS/MS
蛋白质芯片技术
蛋白质芯片, 又称蛋白质阵
列或蛋白质微阵列，是指以蛋白
质分子作为配基,将其有序地固
定在固相载体的表面形成微阵列； 用标记了荧光的蛋白质或其他它 分子与之作用，洗去未结合的成 分，经荧光扫描等检测方式测定 芯片上各点的荧光强度，来分析 蛋白之间或蛋白与其它分子之间 的相互作用关系。
——动RET）
energy transfer acceptor dye donor dye
donor dye acceptor dye absorbance emission absorbance emission
~2 to ~8 nm
[PA] [PA2] [PA2]
K1 = 2 = K2 =
[PA] [P][A]
[PA2]
[PA][A]
[PA2]
[P][A]2
=
[PA]+2[PA2]
[P]+[PA]+[PA2]
=
K1[A]+2K2[A]2 1+K1[A]+K2[A]2
三、一个大分子有n个配体结合点
i Ki [A]i
i=1 n
2. 3.
4. 5. 6.
7. 8. 9. 10. 11.
（二）DNA-蛋白质相互作用中的序列特异性 1、序列特异识别的结合能：依赖两种类型的相 互作用。一是多肽链与DNA大沟暴露的碱基之 间通过氢键和范德华力建立的联系；二是多肽链 中的碱性氨基酸与戊糖-磷酸骨架之间 的电荷联 系。 2、序列特异结合的结构基元：螺旋-转角-螺旋 （helix-turn-helix，HTH），锌指结构（zinc finger motif）
Koff 解离常数
=
Kon Koff
= K = 平衡常数（亲和力）
每个大分子上结合配体的平均数目：
= [PA] [P]+[PA]
=
K[P][A]
[P]+K[P][A]
=
K[A] 1+K[A]
二、一个大分子有2个配体结合点 每个大分子上结合配体的平均数目：
结合
[P] + [A]
结合 [PA] + [A] 结合 [P] + 2 [A]
物理化学角度
——反应原理
热力学平衡
热力学平衡
一、一个大分子有1个配体结合点
结合 [P] + [A] 解离 [PA] [P] + [A] 解离速率 = Koff [PA] 平衡时： Kon[P][A] = Koff [PA] [PA] [P][A] [PA] 结合速率 = Kon [P][A] Kon 结合常数
蛋白质分子的运动—— 功能、相互作用
§10
蛋白质的相互作用
• 生物大分子发挥生理功能所需的三个条件：分子 结构、分子运动和变化以及分子间的相互作用。 • 一、生物大分子相互作用的力： • 1. 非共价键的作用；离子键、氢键、范德华力、疏水
键。信息的传递及利用极大地依赖弱的非共价键。它们 不仅决定着生物大分子的三维结构，还决定着这些结构 如何与其它结构相互作用。
normalized absorbance
wavelength of light fluorescence intensity spFRET data for reversible interactions
time
Weiss S. Science, 283(1999)1676
SPR传感器技术
质谱技术鉴定蛋白质相互作用复合物
生物信息学研究蛋白质相互作用网络
第一部分习题：
1. 为什么说蛋白质是生命活动最重要的物质基础？蛋白质元素组 成有何特点？ 什么是肽、肽链和肽键？ 什么是蛋白质等电点（pI）？聚赖氨酸（poly Lys）在pH 7时 呈无规则线团，在pH 10时则呈α-螺旋；聚谷氨酸（poly Glu）， 在pH 7时呈无规则线团，在pH 4时则呈α-螺旋，为什么？ 举例说明几个主要分离纯化蛋白质方法的原理？ 超速离心机的转速为58000 r/min时，（1）计算角速度，以 每秒的弧度表示，（2）计算距离旋转中心6.2 cm处的离心力。 （3）此离心力相当于重力“g”的多少倍？ 蛋白质的一级结构包含哪些内容？了解蛋白质一级结构对于认 识其高级结构有什么意义？ 蛋白质的二级结构是如何产生的？研究二级结构的意义？ 说明X射线用于解析蛋白质空间结构的原理。 简述Anfinsen实验主要内容及说明的问题。 蛋白质折叠问题为什么受到重视？它与疾病有什么关系？ 生物分子间的作用力主要有哪些，各有什么特点?蛋白质相互 作用的主要特点?
HTH
HTH模体：最初 发现于λ噬菌体的阻 遏蛋白中，现发现 在很多原核及真核 DNA结合蛋白中存 在。由两个较短的α 螺旋与其间含Gly残 基的绞链组成。如 大肠杆菌的CAP蛋 白含一HTH结构域， HTH通过DNA双螺 旋大沟识别、结合 反向重复序列 TGTG/CACA
蛋白质相互作用的研究
• 2. 作用力特点：分子的结合与解离；
二、蛋白质—蛋白质相互作用： 1、蛋白质之间相互作用的结构模式：通 过蛋白质的模体或基元（motif）或结 构域而发生相互作用 α螺旋和β片层参与的特定组合 β发夹 β拱形 β-α-β模体 α-α模体
三、DNA—蛋白质相互作用：
（一） DNA-蛋白质相互作用的化学键 1、氢键:具有识别功能蛋白质的螺旋结构常 与DNA的大沟相互作用。 2、疏水键：暴露于大沟侧缘的T-CH3基团 是疏水性的，可与疏水氨基酸残基侧链相互 作用。 3、离子键：