生物大分子谱学原理及应用汇编
生物分子的光谱学分析
生物分子的光谱学分析光谱学是一门研究物质在电磁波谱区吸收、发射、散射等现象的学科。
在生物科学领域，光谱学是一项重要的手段，可以帮助研究者了解生物分子的结构和功能。
本文将介绍几种常见的生物分子光谱学分析方法，包括红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱和紫外光谱。
一、红外光谱红外光谱是研究物质分子振动和转动的光谱学方法。
红外光谱图能够反映出不同波数下样品分子中的振动和转动状态，从而确定分子结构和化学键的类型。
在生物分子研究中，红外光谱技术广泛应用于蛋白质、核酸、多糖和其他生物分子的研究。
通过红外光谱，可以确定生物分子的结构、构象和组成。
例如，红外光谱可用来确定蛋白质的二级结构，通过测量蛋白质的频率区域来捕捉螺旋、折叠和延伸构象所产生的光谱特征。
同时，红外光谱还可以用来检测分子内的氢键以及某些氨基酸的含量。
这些信息对于了解蛋白质的折叠、稳定性和功能至关重要。
二、拉曼光谱拉曼光谱是一种反映物质分子振动和转动信息的非破坏性光谱学方法。
拉曼光谱通过测量样品与激光光束相互作用的散射光谱来研究样品的分子结构与化学键的类型。
与红外光谱不同，拉曼光谱使用可见或近红外激光与样品相互作用，故有更好的空间分辨率和更小的选型效应。
在生物分子研究中，拉曼光谱可用来确定蛋白质、核酸和多糖的三维结构、二级结构及其组成成分。
最近，拉曼光谱已成为生物分子高效直观的表征方法之一。
拉曼光谱可以消除流的影响，即对生物分子进行研究时分子固定位置不变时的分子振动行为，这与其他方法不同。
此外，由于可见和近红外光是拉曼光谱的激发源，所以样品的浓度不影响其结果，这使得拉曼光谱成为一种理想的组成分析技术。
三、荧光光谱荧光光谱是生物分子的激发发射光谱，指的是在样品受到辐射时，样品吸收光能量并排放出发光，常被用于研究DNA、RNA、蛋白质和细胞等生物大分子的结构、功能和活性。
荧光光谱是一种比较灵敏的分析技术，荧光分子对光的响应很敏锐。
在荧光光谱中，荧光发生最强的波长，也就是荧光峰的位置和强度是研究者需要关注的重点。
生物大分子分析方法的研究与应用
生物大分子分析方法的研究与应用随着生命科学的不断发展，生物大分子分析方法成为了众多生命科学领域的研究热点。
生物大分子如蛋白质、核酸等是生命体系在结构、功能、调控等方面的关键分子，因此开发高灵敏度、高分辨率、高通量的分析方法成为了度量生物大分子的重要手段之一。
本文将介绍生物大分子分析方法的研究方向、原理及应用。
一、质谱技术质谱技术是一种分子质量分析技术。
其原理是将样品中的分子离子化，并在电场中将其加速和分离，再根据它们的质量-电荷比分离和检测。
近年来，高分辨液相色谱质谱（LC-MS）技术已成为生物大分子分析领域不可或缺的手段。
该技术可用于研究生物分子如蛋白质、小分子代谢产物及其翻译后修饰结构等方面。
其优点在于具有高分辨率、高灵敏度、高速度和非破坏性等特点，而且可以广泛地应用于蛋白质组学、代谢组学等研究领域。
二、核磁共振技术核磁共振技术是生物大分子分析和结构研究常用的技术之一。
核磁共振技术可以在分子内部的核磁共振信号来确定原子及其电子环的位置、化学键形式、键长和键角。
对于蛋白质、核酸等大分子结构的确定，核磁共振技术在蛋白质、核酸的结构解析及其相互作用分析中具有重要的作用。
但其技术复杂性高、数据处理困难以及分子量限度大是该技术普及的主要难点。
三、表面等离子体共振技术表面等离子体共振技术又称SPR，是利用金属薄膜表面的等离子增强效应，采用光学传感技术来研究生物大分子相互作用的方法。
SPR技术以高灵敏度且可定量和动态检测生物大分子相互作用为优势。
该技术逐渐在生命科学中广泛应用，应用于蛋白质相互作用、分子识别、药效学等领域。
四、电泳技术电泳技术是将带电分子在电场作用下运动和分离的技术。
电泳技术早期主要应用于核酸和蛋白质的分离和纯化。
随着对蛋白质组学研究和其在疾病中的功能和作用的认识不断深入，电泳技术又包括了二维凝胶电泳、毛细管电泳、同位素激光分析等技术。
其中，二维凝胶电泳是根据蛋白质分子的等电点和分子量在凝胶中进行聚焦和分离，其准确性可用于检测原位在疾病进程中的蛋白质表达差异。
生物大分子的质谱分析
生物大分子的质谱分析随着生物学研究的深入，人们对大分子的研究越来越深入，其中质谱分析技术起到了举足轻重的作用。
质谱分析（Mass spectrometry，简称MS）是一种广泛应用于化学、医学、物理、生物学及其他相关领域的分析技术，简单地说，质谱分析就是利用对分子的质量和电荷进行测定的原理，对物质进行分析的一种方法。
质谱分析技术与其他分析方法相比，有许多优点，如快速、高敏感性、大信号动态范围、高分辨率、无需特殊前处理等，因此已经成为生物大分子分析中的重要手段。
什么是生物大分子生物大分子是指相对分子质量较大的生物分子大分子，如蛋白质、核酸、多糖等。
这些生物大分子在体内有着非常重要的生理功能，如蛋白质在细胞的生物信息传递和代谢过程中扮演着重要的角色，而核酸则是遗传信息的主要媒介。
因此，对生物大分子的研究对于展开生物学研究和发现治疗疾病的新方法有着至关重要的作用。
质谱分析技术在生物大分子研究中的应用1. 蛋白质分析蛋白质是生物体内形态最复杂、功能最多样的大分子之一。
现在常用的蛋白质质谱方法有常用的液相层析-质谱联用技术（LC-MS）、二甲基化标记技术等。
其中，液相层析-质谱联用技术可以将蛋白质通过柱层析技术进行分离，再进行质谱分析，其主要作用是用于鉴定蛋白质。
二甲基化标记技术是在蛋白质分析中的较为重要方法，其贯穿整个蛋白质分析过程，包括蛋白提取、纯化、消化、分离等。
2. 核酸分析核酸是生物大分子中的基本组成部分之一，可通过质谱分析了解其序列和结构，从而进一步探究其生命活动中的具体作用。
核酸质谱分析的方法主要是通过电喷雾质谱（ESI-MS）技术，即将核酸样品通过喷雾器喷雾后进入质谱仪中，并加上电荷，通过质量/荷比对核酸样品进行检测。
3. 多糖分析多糖指的是由多个糖组成的生物大分子，如淀粉质、纳豆菌多糖、黏多糖等。
多糖分析的方法有很多，常信用的方法有糖基化物谱质（SGS）、质谱成像（MSI）等。
其中，质谱成像可以提供高空间分辨率的多糖分布图像，为了研究多糖分布和生理功能之间的关系提供了有力的手段。
生物大分子的研究方法和测量技术
生物大分子的研究方法和测量技术是现代生物学研究的重要内容之一。
大分子是指高分子化合物的总称，包括蛋白质、核酸和多糖等。
研究大分子可以了解生物体的结构、功能和相互作用，探究生命科学的奥秘。
本文将介绍几种常用的生物大分子研究方法和测量技术。
一、X射线晶体学X射线晶体学是一种通过测量物体对X射线的散射模式来确定物体结构的方法。
在生物学中，X射线晶体学是研究蛋白质和其他生物大分子结构的重要手段。
这种方法的原理是将蛋白质或其他大分子结晶并放入X射线束中测量其对X射线的反射和散射情况。
通过解析散射模式，可以确定生物大分子的3D结构，了解其具体功能和相互作用机制。
目前，世界范围内已经解析了大量的生物大分子结构，为生命科学的研究提供了重要的支持。
二、核磁共振核磁共振是一种利用原子核的自旋来测定物质性质的物理技术。
在生物学中，核磁共振被广泛应用于研究蛋白质和其他大分子结构。
这种方法的原理是将蛋白质或其他大分子样品置于强磁场中，然后通过加入特定的干扰信号使得样品中的原子核发生共振。
通过测量原子核共振时向磁场加强的能量，可以分析样品的组成和结构。
核磁共振技术对于研究生物体的代谢和运动过程、分子生物学及其它生命科学领域都产生了关键性的作用。
三、电泳电泳是一种利用电场影响物质迁移的化学分析技术，广泛应用于生物学中。
在电泳中，通过将蛋白质或其他生物大分子穿过电场中的介质，可以根据它们的大小、形状和电荷的差异使它们在电场中发生迁移，从而实现分离。
通常电泳法是将生物大分子溶解在缓冲液中，涂于电泳器中的凝胶或聚丙烯酰胺凝胶电动输移的技术。
通过电泳的分离，可以研究某些特定蛋白质或其他生物大分子的组成和相互作用等生物学问题，为后续研究提供更多的信息。
四、质谱质谱是一种利用分子离子的质量和荷电量来鉴别和分析化合物的技术。
在生物学中，质谱被广泛应用于研究蛋白质和其他生物大分子。
这种方法的原理是将生物分子样品转化为气态，通过质谱仪对其进行分析，以得到样品分子的质谱图。
生物大分子的结构研究和分析
生物大分子的结构研究和分析生物大分子在生命活动中起着重要的作用，如蛋白质、核酸和多糖等。
其结构研究和分析是生物学、医学和生命科学等领域的重要研究内容。
本文将结合相关学科的知识，介绍生物大分子结构研究和分析的相关方法、技术和应用。
生物大分子的研究方法生物大分子的研究方法主要有X射线晶体学、核磁共振(NMR)、电子显微镜(EM)、质谱(MS)等。
其中，X射线晶体学是生物大分子结构研究中最为常用的方法。
X射线晶体学是以晶体为样品，通过晶体对X射线的衍射而解析晶体中原子排列的位置和结构的一种方法。
该方法因其高分辨率、高精度、高信噪比和非破坏性等特点，被广泛应用于生物大分子的结构研究中。
利用X射线衍射技术，可以得到生物大分子晶体的三维结构，从而了解其分子构型、亚单位组装、各部分间的联系以及生物功能等信息。
此外，核磁共振(NMR)也是生物大分子结构研究中常用的方法。
其运用原理是利用核磁共振现象作为探针来探测生物大分子结构，并将所得信息合成一个连贯的结构图。
与X射线晶体学不同，核磁共振技术可以研究非晶体状态下的生物大分子，包括蛋白质、核酸和多糖等。
此外，它还具有对生物大分子动态过程的研究和功能研究的优点。
电子显微镜(EM)可以提供大分子的结构表征，通过对大分子进行冷冻和切片，用电子显微镜进行成像后，可以得到其三维概貌或局部结构等信息。
由于它的分辨率仅次于X射线晶体学，因此也成为了研究生物大分子组装和超分子结构的工具之一。
质谱(MS)则是利用生物大分子的分子质量特征来对其结构进行研究的方法。
生物大分子的不同成分会分别产生不同的质谱峰，通过分析这些质谱峰的性质、数量和分布规律等信息，就能获得生物大分子的组成、结构和功能等重要信息。
质谱技术在研究生物大分子的化学、生物物理学及生物学等方面都有广泛应用。
生物大分子结构研究的技术生物大分子结构研究中，不同方法所需的样品处理和操作条件都不同，技术上也各有特点。
在X射线晶体学中，生物大分子需要制成晶体，然后进行X射线衍射，从而得到晶体中原子的结构信息。
常用分子生物学技术的原理及其应用
酵母双杂交系统的应用 分析已知蛋白之间的相互作用 对蛋白质功能域的分析 分析未知蛋白相互作用 绘制蛋白质相互作用系统图 在药物设计中的应用
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三 种 印 迹 技 术 的 比 较
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实时PCR技术原理 实时PCR技术原理 PCR
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(略 )
第六节 遗传修饰动物模型的建立及应用 The establishment and application of heredityhereditymodified animal model
一. 转基因技术
采用基因转移技术使目的基因整合入受精卵细胞或胚胎 干细胞，然后将细胞导入动物子宫，使之发育成个体。 干细胞，然后将细胞导入动物子宫，使之发育成个体。
医本<生物化学> 医本<生物化学>周爱儒 第六版
第二十二章 常用分子生物学技术的原理 及其应用
The Popular Technology in Molecular Biology: Principle and Application
第一节
分子杂交与印迹技术
Molecular Hybridization and Blotting 库
是指一个包含了 某一生物体全部DNA 某一生物体全部 序列的克相关基因的克隆与鉴定 Cloning and identification of disease relative gene
分子杂交(nucleic acid hybridization) 一. 分子杂交
不同来源的单链核酸经退火形成双链结构的过程。 不同来源的单链核酸经退火形成双链结构的过程。
DNA DNA DNA RNA
基础：核酸的变性与退火 基础：
生物大分子相互作用分析
四、BIAcore的一般分析流程
2. pH值选择（pH Scouting）
A 目的 使配体与芯片表面接近
B 如何选择合适的pH值？ 选择在pKa和蛋白质pI之间的某一pH值，用此pH值的NaAC稀释配体。
C 判断pH值合适的依据
四、BIAcore的一般分析流程
BIAcore C
BIAcore 3000
BIAcore Flexchip
BIAcore A100
BIAcore X100
BIAcore T100
二、BIAcore简介和工作原理
4. 其他品牌的分子互作分析仪
二、BIAcore简介和工作原理
5. BIAcore3000组件
光路和检测系统
IFC系统 芯片及卡盘
一、生物分子相互作用的研究
3. 大分子互作研究方法
A 酵母双杂交系统（THS） B 化学发光共振能量转移（BRET） C 双分子荧光互补（BIFC） D 生物分子相互作用分析（BIA） E 蛋白芯片（PC）
二、BIAcore简介和工作原理
1. BIA定义
BIA：Biomolecular Interaction Analysis 生物分子相互作用分析
三、BIAcore的应用领域
1. 免疫学检测、生化分析
2. 药物发现和筛选
3. 核酸/核酸、核酸/蛋白互作分析
4. 蛋白质分析和蛋白质组学
三、BIAcore的应用领域
1. 免疫学检测、生化分析
A 抗原识别、抗原决定簇 代替放射性免疫检测和ELISA
B 抗原抗体结合常数测定 T细胞识别抗原是免疫学研究的重点，分析抗原抗体结合常
4. 进样分析（Sample Injection）
生物大分子的分离与分析技术
生物大分子的分离与分析技术生物大分子是生命体系中不可或缺的组成部分，如DNA、RNA、蛋白质等。
它们的结构复杂，分子量高，充满了不同的功能和生物活性。
因此，对这些生物大分子的研究成为了当今生命科学领域的一个热点。
而要进行这样的研究，首先就需要对这些生物大分子进行分离与分析，以便更深入地了解其性质和功能。
分离技术1.凝胶电泳凝胶电泳是一种广泛应用于生物大分子分离与分析的技术。
其基本原理是将待分离的生物大分子样品被限制在凝胶基质中，然后通过电场将分子向着电极移动，根据大小、形态、电荷密度等特性将分子分离出来。
其中最常用的凝胶基质包括聚丙烯酰胺凝胶、琼脂糖凝胶和聚丙烯酰胺-琼脂糖双层凝胶等。
凝胶电泳可以有效分离DNA、RNA、蛋白质或其他生物大分子，且成本低、可重复性好，因此在生命科学研究中得到了广泛应用。
2.离心离心技术是一种通过重力势能的差异用于分离生物分子的技术。
在离心过程中，待分离的生物分子样品可被置于离心管中，借助离心机的高速旋转，生物分子会在离心管中沉淀或浮起来，从而在不同位置分离出来。
针对不同的生物分子，可选择不同的离心条件，如离心速度和时间等。
离心技术广泛应用于细胞分离以及蛋白质等生物分子纯化的过程中。
分析技术1.质谱分析质谱分析是一种用于分析生物分子共价和非共价结构的技术，主要是将待分析样品分子通过鉴定质量-电荷比（m/z）的德技术，得到该分子的分子量以及结构信息。
在生命科学中，常用的质谱分析技术包括飞行时间质谱、电喷雾质谱和基质辅助激光解吸电离质谱等。
质谱分析技术可进行非常精确的定量分析和离子结构分析，因此在生物分子研究的分析过程中得到了广泛应用。
2.核磁共振核磁共振（NMR）是一种常用于分析与结构生化过程相关的生物分子的技术。
通过将待分析样品暴露在恒定的磁场下，然后利用外界的电磁波辐射的方式来激发样品内原子的核自旋，进而和分析核自旋之间的相互作用信息，在检测器中得到相应的能谱，最终得到该分子的结构信息。
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1. 影响化学位移的因素
生物大分子谱学原理及 应用
陆永明
磬苑校区理工C楼B501
功能
调控 决定
结构
荧光光谱
圆二色谱 紫外-可见光谱
红外光谱
核磁共振波谱 质谱
………
第一章
核磁共振及其在生命科学 中的应用
自1945年观察到凝聚态物质的 NMR现象之后, 经过60多年的发展,NMR的研究领域和应用范围已 经从物理学延伸到化学、生物学、医学、材料科 学、信息学等几乎所有自然科学领域。 先后有 5 次诺贝尔奖授予了核磁共振研究工作 者 , 其 中 物 理 学 奖 两 次 (Rabi,1944 年 ;Bloch 和 Purcell,1952 年 ), 化 学 奖 两 次 (Ernst, 1991 年 ; W™ thrich等, 2002年),生理和医学奖一次(Lauterbur 和Mansfield, 2003年)。
从而使NMR信号观察要困难得多。如23Na自旋I＝3/2，
对人体成像也是常用的核。
如果将有自旋磁极的原子核置放于外加磁场中，原子核
一方面绕其自旋轴旋转，另一方面自旋轴又与外加磁场保
持一定夹角进动，称为拉莫尔（Larmor）进动。
B0
核磁共振的产生?
外加磁场
B0 自旋核 2I+1种取向 ΔE
H核
取向与外加磁场 相反
蛋白质数据库(PDB)收录的生物大分子结构中,用X射线晶体学、核磁共振波谱 学(NMR)和电子显微学(EM)方法测定的结构，2010.09
一. 核磁共振波谱学的基本原理
核自旋（spin)——自旋角动量
自旋角动量 I
大小—原子核、 质子、中子数 方向—自旋轴
h JI Ji I ( I 1) 2
m=-1/2
m= 1/2
2I+1种 能量状态
取向与外加磁场 一致
h E B0 2
N
E
m= -1/2
ΔE
S
m=1/2
核自旋 能级跃迁
电磁辐射
外加磁场 中的H核
∆E=hv 能级差
h B0 h 2
电磁辐射能量
B0 2
B0=2.3487T： (1H)=100MHz B0=9.3948T： (1H)=400MHz
• 同一种原子核，由于旋磁比相同，因而在相同外磁场下 只应有一个共振频率。
• 因为化学位移的大小与磁场强度成正比，为了避免化学 位移值随测定磁场的不同而变化，实际工作中常用一种 与磁场强度无关的，无量纲的值，来表示化学位移的大 小。实际工作中测量的都是相对的化学位移，即以某一 参考物的谱线为标准，最常用的参考物是四甲基硅 (CH3)4Si（简称TMS） 。 H ref H sam sam ref 6 10 ppm 106 ppm H0 0 高场低频，低场高频。其实这是对于两种不同的扫描方 式而言的，不要混淆。 • 决定化合物中某核的化学位移的主要因素为该核及近邻 核的轨道混合状态、电子密度及立体化学。除了结构因 素外，还与测定条件有关：（1）温度效应；（2）溶剂 效应（1H核>13C核）。 • 化学位移范围： 1H在0～10ppm， 13C在0～200ppm 。
Er Tm Yb Lu Fm Md No Lw
I=1/2的核是球对称的，无电四极矩，对NMR特别重
要，容易得到高分辨NMR谱和高质量的NMR图像。 如1H，13C，19F，31P，的，有电四极矩，因为电四极矩 与电场梯度相互作用相当强，对NMR干扰相当大，
I 0
自旋磁矩 原子核自旋运动产生的微观磁场
I
—磁旋比，磁矩与角动量之比（可查表） —约化普朗克常数
1.0545726 10 J s
34
奇偶规则：
质量数A 原子序数 只要二者不同时为偶数，I 0
或
质子数Z
I 0 不同时为偶数时， 中子数（或质量数）
如果上述各对参数均为偶数时，I＝0，叫“偶偶无NMR”。
质量数A 质子数Z 中子数N
I
例子
12C 16O 32S 4 20Ne 6 8 16 Ne2 10
1H 3He 13C 17O 0 2 6 8 31P 1 11B 15N 19F 15 H1 5 7 9 2H （2D） 10B 14N 1 5 7
偶数
奇数 奇数 偶数
偶数
偶数 奇数 奇数
偶数
奇数 偶数 奇数
0
1/2,，3/2， 5/2 1/2，3/2，5/2
1,2,3……
自然界共有约一百多种NMR核。
number of half-integer quadrupolar nuclei : 77 spin-3/2: 29 (e.g., 7Li,11B,23Na,39K,87Rb) spin-5/2: 22 (e.g., 27Al, 17O, 55Mn)
二. 核磁共振波谱学的基本参数
1H NMR
13C NMR
(一)、化学位移
• 实际化合物中的核（例如1H核），常与其它原子（如C、 O、N等）键合，导致不同化合物或基团中相应核的化学 环境不同，则磁环境相异。同时核外电子或键合电子倾 向于在垂直外加磁场H0的平面内作圆周运动，从而产生 一比例于H0的对抗性小磁场σ，σ称为屏蔽常数。此时 0 H 0 1 2 • 同一种核在分子中随观测核所在的化学环境改变，其共 振频率发生改变，将这种改变称为化学位移。
spin-7/2: 18
spin-9/2: 8
Most Abundant Nuclei: Spin 1/2 Half-integer Spin Integer Spin
H Li Be Na Mg K Ca Rb Sr Cs Ba Fr Ra
Sc
Ti
V
Cr
Mn Fe
Co Ni
Cu
Zn
B C N Al Si P Ga Ge As
O S Se
F Cl Br
Y La Ac
Zr Hf
Nb Mo Tc Ta W Re
Ce Th Pr Pa Nd U
Ru Rh Os Ir
Pd Ag Pt Au
Cd In Hg Tl
Dy Cf
Sn Pb
Ho Es
Sb Bi
Te Po
I At
He Ne Ar Kr Xe Rn
Pm Sm Eu Gd Tb Np Pu Am Cm Bk