生物物理学-单分子生物物理学+分子马达的补充39页PPT
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生物物理学-单分子生物物理学+分子马达的补充
9
微丝参与细胞运动
• 随着细丝的组合与分解提供细胞移动及改变形 状的力量。
10
2. 微管的组成
微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起 支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构 。微管 主要分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散。
11
（1）微管组成
微管蛋白 tubulin 组成，它以二聚体存在，
有一种男性不育症是由于精子没有活力造成的。这种病人同时还患 有慢性支气管炎，主要是因为是鞭毛和纤毛没有动力蛋白臂，不能排出 侵入肺部的粒子。
鞭毛的结构
鞭毛轴丝结构
18
纤毛、鞭毛由微管组成
• 鞭毛、纤毛均由成束的微管组成，以 9+2 的排 列方式，中间两个单体，外围 9 个双体。
鞭毛横切
19
Cilia on cells lining the respiratory tract
33
肌球蛋白V马达是一个二聚 体，包括16个多肽链，由三个 典型的功能部位组成，如图所示。 头部区域，包含微丝结合位点和 核苷酸活性位点；颈部区域，长 约24nm，由一段α螺旋上附以 六个钙调蛋白组成；尾部区域， 由两条卷曲的螺旋链组成，上面 没有钙调蛋白。
第五种肌球蛋白结构
34
实验上交臂模型（hand-over-hand）得到支持
16
（i）维持细胞形态，起支架作用 细胞中的微管就像混凝土中的钢筋一样，起支撑作用，
在培养的细胞中，微管呈放射状排列在核外，（+）端指 向质膜（图），形成平贴在培养皿上的形状。在神经细胞 的轴突和树突中，微管束沿长轴排列，起支撑作用，在胚 胎发育阶段为管帮助轴突生长，突入周围组织，在成熟的 轴突中，微管是物质运输的路轨。
微管主要分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散。肌动 蛋白纤维主要分布在细胞质膜的内侧。而中间纤维则分布在整 个细胞中。
微丝参与细胞运动
• 随着细丝的组合与分解提供细胞移动及改变形 状的力量。
10
2. 微管的组成
微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起 支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构 。微管 主要分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散。
11
（1）微管组成
微管蛋白 tubulin 组成，它以二聚体存在，
有一种男性不育症是由于精子没有活力造成的。这种病人同时还患 有慢性支气管炎，主要是因为是鞭毛和纤毛没有动力蛋白臂，不能排出 侵入肺部的粒子。
鞭毛的结构
鞭毛轴丝结构
18
纤毛、鞭毛由微管组成
• 鞭毛、纤毛均由成束的微管组成，以 9+2 的排 列方式，中间两个单体，外围 9 个双体。
鞭毛横切
19
Cilia on cells lining the respiratory tract
33
肌球蛋白V马达是一个二聚 体，包括16个多肽链，由三个 典型的功能部位组成，如图所示。 头部区域，包含微丝结合位点和 核苷酸活性位点；颈部区域，长 约24nm，由一段α螺旋上附以 六个钙调蛋白组成；尾部区域， 由两条卷曲的螺旋链组成，上面 没有钙调蛋白。
第五种肌球蛋白结构
34
实验上交臂模型（hand-over-hand）得到支持
16
（i）维持细胞形态，起支架作用 细胞中的微管就像混凝土中的钢筋一样，起支撑作用，
在培养的细胞中，微管呈放射状排列在核外，（+）端指 向质膜（图），形成平贴在培养皿上的形状。在神经细胞 的轴突和树突中，微管束沿长轴排列，起支撑作用，在胚 胎发育阶段为管帮助轴突生长，突入周围组织，在成熟的 轴突中，微管是物质运输的路轨。
微管主要分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散。肌动 蛋白纤维主要分布在细胞质膜的内侧。而中间纤维则分布在整 个细胞中。
分子马达
• 分子马达包括线性推进和旋转式两大类。
• 其中线性分子马达是将化学能转化为机械能，并 沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌 球蛋白（myosin）、驱动蛋白（kinesin）、DNA 解旋酶（DNA helicase）和RNA聚合酶(RNA polymerase)等。
• 旋转式分子马达工作时，类似于定子和转子之间 的旋转运动，比较典型的旋转式发动机有F1-ATP 酶。ATP酶是一种生物体中普遍存在的酶。
分子发动机运输模型
①在一次机械活动的循环中，发动机与轨道的结合点结合； ②在力的驱动下，发动机进行机械运动； ③发动机与结合点脱离； ④发动机回到原来的位置；开始新的循环。
分子马达运输的主要特点
分子发动机运行的方式
分子马达引导的 运输有两个主要 的特点:
(1)分子马达的运输 是单方向进行的， 一种发动机分子只 能引导一种方向的 运输。 (2)分子马达引导 的运输是逐步行进 而不像火车的轮子 是连续运行的。之 所以要逐步进行， 是因为分子发动机 要通过一系列的构 型变化才能完成行 进的动作。
总结与展望
• 分子马达作功原理及其能量转换机制的研究是一 个涉及生物、化学、物理等多学科的重要课 题．在近几年来，课题的研究取得很大进展：一 是实验手段日趋完善，实验结果越加精确．二是 课题的研究得到了多学科普遍重视，研究工作开 展活跃，并已取得一些重要成果，为进一步深入 研究打下了很好基础．但这些仅仅是初步的．研 究分子马达运动机制还有许多工作要做，存在着 许多挑战性多学科的问题有待解决．
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(一).肌球蛋白（myosin）
• 肌球蛋白约占总肌肉蛋白的1/3。它是分子量为480000的 高度不对称性分子。肌球蛋白分子分长棒形的尾部和两个 球形的头部两部分，故该种分子既有球蛋白又有纤维蛋白 的性质。
《分子动力学》PPT幻灯片PPT
5 6来自，c2 1，c 3
1 3
具体算法如下：
① 预测 t+h 时的r ,V , a, b 。
②
依赖r (t h)
评价力F (t h)
，计算ai
Fi m
。
③ 对预测值进行校正。
④ 重复①到③。
优点：小步长用 Gear 方法好，大步长用 Verlet 好
预测——校正需求大的存储量，即使增加 Gear 的级数也不会改善计算的精度。 因此对于长
• 原始形式的算法表述： • 〔1〕规定初始位置r0,r1 • 〔2〕计算第n步的r力in F1n2rinrin1h m 2 Fin
• 〔3〕计算第n+1步v 的in 位 置：r in 1 r in 1 2 h
计算机分子模拟方法
第三章、分子动力学方法
（a） 蛙跳形式 leap-frog form,
一、分子动力学方法根底
原理:计算一组分子的相空间轨道,
其中每个分 子各自服从牛顿运
动定H律 1 2
i
Pi2 m
i j
U
rij
mdri dt
pi
;
dPi dt
i j
F
rij
计算机分子模拟方法
第三章、分子动力学方法
• 计算元胞:立方体元胞
计算机分子模拟方法
第三章、分子动力学方法
• 边界条件:周期性边界条件
之，中。周期A 性(边x )界 条A ( 件x 的 n 数L 学)表示形n 式 为(n ：1,n2,n3)
A为任意可观测量，n为1,n任2,意n3 整数。 即令根本元胞完全等 同的重复无穷屡次， 当有一个粒子穿过根本MD元胞的六 方体外表时， 就让这个粒子以一样的速度穿过此外表对 面的外表重新进入该MD元胞内。
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具体算法如下：
① 预测 t+h 时的r ,V , a, b 。
②
依赖r (t h)
评价力F (t h)
，计算ai
Fi m
。
③ 对预测值进行校正。
④ 重复①到③。
优点：小步长用 Gear 方法好，大步长用 Verlet 好
预测——校正需求大的存储量，即使增加 Gear 的级数也不会改善计算的精度。 因此对于长
• 原始形式的算法表述： • 〔1〕规定初始位置r0,r1 • 〔2〕计算第n步的r力in F1n2rinrin1h m 2 Fin
• 〔3〕计算第n+1步v 的in 位 置：r in 1 r in 1 2 h
计算机分子模拟方法
第三章、分子动力学方法
（a） 蛙跳形式 leap-frog form,
一、分子动力学方法根底
原理:计算一组分子的相空间轨道,
其中每个分 子各自服从牛顿运
动定H律 1 2
i
Pi2 m
i j
U
rij
mdri dt
pi
;
dPi dt
i j
F
rij
计算机分子模拟方法
第三章、分子动力学方法
• 计算元胞:立方体元胞
计算机分子模拟方法
第三章、分子动力学方法
• 边界条件:周期性边界条件
之，中。周期A 性(边x )界 条A ( 件x 的 n 数L 学)表示形n 式 为(n ：1,n2,n3)
A为任意可观测量，n为1,n任2,意n3 整数。 即令根本元胞完全等 同的重复无穷屡次， 当有一个粒子穿过根本MD元胞的六 方体外表时， 就让这个粒子以一样的速度穿过此外表对 面的外表重新进入该MD元胞内。
[工学]第三章分子物理学ppt课件
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高级结构或 空间构象
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一级结构 二级结构 三级结构
四级结构
33
一、蛋白质的一级结构
定义： 蛋白质的一级结构指多
肽链中氨基酸的排列顺序 。 主要化学键：肽键
二硫键的位置属于一级 结构研究范畴。
34
一级结构是蛋白质空间构象和特异 生物学功能的基础。从肽链的一级结构 可以预测蛋白质的二级结构。在这个基 础上三级结构的预测，有相当的难度。
1）作为生物催化剂 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递
14
二蛋白质的分子组成
The Molecular Component of Protein 蛋白质的元素组成
主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量P或金属元素Fe、 Cu、Zn、Mn、Co、Mo，个别蛋白质还含 有I。
21 30
胰岛素的一级结构
35
二、蛋白质的二级结构
定义： 蛋白质分子中某一 段肽链的局部空间结构 ，即该段肽链主链骨架 原子的相对空间位置， 并不涉及氨基酸残基侧 链的构象 。
稳定因素： 氢键
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（一）肽单元 (peptide unit) 参与组成肽键的6个原子(Cα1、C、O
、N、H、Cα2)位于同一平面，又叫酰胺平 面或肽键平面。它是蛋白质构象的基本结 构单位。
即使极为简单的大肠杆菌（其体积约为2×10-12cm3)，也 含有3000多种蛋白质，1000多种核酸，还有1000多种其他 生物大分子和低分子的有机化合物。
生物大分子是生物大分子是一切生命形 式的基础切生命形式的基础。
5
三、在这样种类复杂，形态万千的生物体系中，人们必 须寻求生命状态的基本逻辑原理，这就是：
《生物物理》PPT课件
照片重构了病毒颗粒尾部的三维空间结构，从而开辟了分子生物学领域中
一个崭新的结构研究领域。其后相当一批生物大分子的结构，其中包括一
些膜蛋白，应用电子晶体学方法被确定下来。在这些成果中， Henderson
和Unwin于1975年发表的关于细菌视紫红质（BR）的7埃分辨率的工作是电
子晶体学上的一个里程碑，该工作第一次给出了膜整合蛋白的结构。1982
分辨率/nm 0.3 0.24 0.3 0.18 0.31 0.25 0.28 0.28 0.29 0.25 0.32
报道时间 1985 1992 1992 1992 1995 1995 1995 1996 1997 1997 1998
完整版课件ppt
3
蛋白质晶体的类型
由于分子之间相互作用的性质不同，蛋白分 子可以形成三种不同类型的晶体，即三维晶休、 二维晶体和二维晶垛(stacks of 2D crystals)。 其中，维系分子之间形成三维晶体的相互作用主 要来自亲水相互作用；而在二维晶体中，膜包埋 区域疏水相互作用是维系晶体结构的主要作用； 对二维晶垛，膜包埋区域仍是疏水作用，而层间 则是亲水作用。
年Klug因此获得了诺贝尔化学奖完。整版课件ppt
15
电子晶体学的发展
最近十年来，随着计算机图像处理技术、电子显微镜 技术及生物样品二维结晶技术的发展和完善，电子晶体学 已经发展成为一种X射线晶体学所不可替代的生物大分子 空间结构分析的有效手段。
Henderson等人于1990年把细菌视紫红质的研究提高到 了3.5埃的分辨率，并在此基础上提出了这种蛋白质的一 种原子模型。用体外重组方法生长的一些膜蛋白的二维晶 体，如细菌外膜的porin OmpF和 PhoE，植物捕获光能复 合体 LHC-II等，都获得了接近原子水平的空间结构。用 脂单层方法生长的水溶性蛋白质straptavidin的二维晶体， 也获得了3埃的高分辨率。
生物物理学单分子生物物理学分子马达的补充PPT课件
图 后其A染色体分离， 后期B两极延伸
26
27
马达蛋白和微管系统共同协作，使染色体分离
28
肌球蛋白以肌动蛋白丝作为运行的轨道。所有 的肌球蛋白都是由一个重链和几个轻链组成，并组 成三个结构和功能不同的结构域 ：头部、颈部和尾 部。
实验的观测技术方面，目前也达到了空间1纳 米分辨率和时间500毫秒分辨率的程度，并且能够连 续“偷窥”一个分子马达的步行长达100秒以上的时 间。
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微丝参与细胞运动
• 随着细丝的组合与分解提供细胞移动及改变形 状的力量。
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2. 微管的组成
微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起 支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构 。微管 主要分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散。
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（1）微管组成
微管蛋白 tubulin 组成，它以二聚体存在，
29
肌球蛋白家族
肌球蛋白II 肌球蛋白V 肌球蛋白VI
30
肌球蛋白II
Myosin II是构成肌纤维 的主要成分之一。由两个重 链和4个轻链组成，重链形成 一个双股α螺旋，一半呈杆状， 另一半与轻链一起折叠成两 个球形区域，位于分子一端， 球形的头部具有ATP酶活性。
myosin II结构模型
31
进化上高度保守。 分为 -微管蛋白 和 -微管蛋白
11
微管组成总结
• 直径：25 nm • 存在：整个细胞都有微小管，包含核。 • 组成：由 α,β两种微管蛋白 (tubulin) 组合
成。另有五十种以上的蛋白质会与微管蛋白 结合，影响微管的稳定Байду номын сангаас。
12
宽至13根原纤维
13
微管可装配成单管，二联管（纤毛和鞭毛中如图）， 三联管（ 中心粒和基体中）。
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马达蛋白和微管系统共同协作，使染色体分离
28
肌球蛋白以肌动蛋白丝作为运行的轨道。所有 的肌球蛋白都是由一个重链和几个轻链组成，并组 成三个结构和功能不同的结构域 ：头部、颈部和尾 部。
实验的观测技术方面，目前也达到了空间1纳 米分辨率和时间500毫秒分辨率的程度，并且能够连 续“偷窥”一个分子马达的步行长达100秒以上的时 间。
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微丝参与细胞运动
• 随着细丝的组合与分解提供细胞移动及改变形 状的力量。
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2. 微管的组成
微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起 支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构 。微管 主要分布在核周围, 并呈放射状向胞质四周扩散。
10
（1）微管组成
微管蛋白 tubulin 组成，它以二聚体存在，
29
肌球蛋白家族
肌球蛋白II 肌球蛋白V 肌球蛋白VI
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肌球蛋白II
Myosin II是构成肌纤维 的主要成分之一。由两个重 链和4个轻链组成，重链形成 一个双股α螺旋，一半呈杆状， 另一半与轻链一起折叠成两 个球形区域，位于分子一端， 球形的头部具有ATP酶活性。
myosin II结构模型
31
进化上高度保守。 分为 -微管蛋白 和 -微管蛋白
11
微管组成总结
• 直径：25 nm • 存在：整个细胞都有微小管，包含核。 • 组成：由 α,β两种微管蛋白 (tubulin) 组合
成。另有五十种以上的蛋白质会与微管蛋白 结合，影响微管的稳定Байду номын сангаас。
12
宽至13根原纤维
13
微管可装配成单管，二联管（纤毛和鞭毛中如图）， 三联管（ 中心粒和基体中）。
《分子生物工程》课件
05
分子生物工程的挑 战与未来发展
技术挑战与解决方案
技术挑战
分子生物工程技术在应用过程中面临着许多技术挑战，如基 因编辑技术的精确性、基因表达调控的复杂性以及细胞命运 决定的机制等。
解决方案
针对这些挑战，科研人员正在探索新的技术和方法，如开发 更精确的基因编辑工具、深入研究基因表达调控机制以及揭 示细胞命运决定的过程等。
生物能源领域
生物燃料
利用分子生物工程技术，开发新型生物燃料，替代化石燃料，减少碳排放。
生物质能
利用分子生物工程技术，实现生物质的高效转化和利用，提高能源利用效率。
04
分子生物工程的前 沿研究
基因编辑技术
基因编辑技术
CRISPR-Cas9系统是目前最常用 的基因编辑技术，它能够精确地
定位和修改生物体的基因组。
未来发展方向
随着分子生物工程技术的不断进步和 应用领域的拓展，未来发展方向将更 加多元化和个性化，如精准医疗、生 物制药、农业生物技术以及环境生物 技术等。
前景展望
分子生物工程技术将在未来继续发挥 重要作用，为人类带来更多的福祉和 创新。同时，需要加强科研合作和人 才培养，推动技术的可持续发展和广 泛应用。
医药领域
01
02
03
基因治疗
利用基因工程技术修复、 替换或增减人类基因，以 达到治疗疾病的目的。
药物研发
利用分子生物工程技术， 快速筛选和优化药物候选 物，提高药物研发效率。
诊断技术
基于分子生物工程技术， 开发新型诊断试剂和仪器 ，提高疾病诊断的准确性 和灵敏度。
农业领域
转基因作物
通过转基因技术改良作物 ，提高抗逆性、产量和品 质。
历史
《分子物理学》课件
展望分子物理学未来的发展方向与重
要研究方面，为学术界提供参考和启迪。 Nhomakorabea3
国内外研究进展
总结国内外分子物理学领域的最新研 究成果和发展趋势，促进学科交流与 合作。
应用前景
预测分子物理学在能源、材料、生物 科学等领域的重要应用前景，为工业 界的决策提供支持。
器件应用和能源转 化
将分子物理学应用于光伏、 电池等能源转化器件的设计 与优化。
分子与材料科学
分子在材料科学中的基础研究
研究分子的结构、性质和相互作用，为材料设计 与改良提供依据。
利用分子设计新材料
基于分子物理学原理，开发具有特定功能的新材 料，如智能材料和纳米材料。
发展趋势与展望
1
未来的发展
2
《分子物理学》PPT课件
# 分子物理学 PPT课件 ## 第一部分：概述 - 介绍分子物理学的定义和基本概念 - 分析分子的结构、属性和行为
分子物理学研究内容
分子光谱学
探究光和分子之间的相互作用，并应用于化 学分析和医学诊断。
分子机制研究
深入了解分子间相互作用和生物化学过程， 为新药物研发提供理论指导。
分子动力学
研究分子的运动和行为，解析化学反应和能 量转化过程。
生物分子物理学
探索生物分子的结构、功能和响应，推动生 物科学和医学领域的发展。
分子能量转移与传递
分子内能量转移
研究分子内部能量的传递与 转化机制，探索材料的储能 与释能特性。
分子间能量传递
分析分子之间的能量传递途 径与效率，为能源传输与储 存技术提供基础研究。