生物物理学导论
生物力学导论
1.2 Historical background
Reading assignment Contributors to biomechanics G. Galilei, W. Harvey, R. Descartes, G.A.
matter as a whole Physiology – sciences which deal with normal
functions of living things or their organs Continuum mechanics in physiology System Biology, gene, cell, tissue, organ, organism
d a
b
c
f
e
Biomechanics to medicine
System analysis Rheology of biological tissues Mass transfer through membrane Interfacial phenomena Microcirculation
微觀
細胞生物力學
生長模型
生物分子力學
基因工程 (表現,治療)
Summary
Impact of biomechanics on continuum mechanics: vigorous renewal.
Biomechanics has moved from organ level, to tissue level and to cellular level.
生物物理学导论(生物能力学)
ln1 (XA)XAX 2A 2X 3A 3
对于稀溶液，式中的高次项可以忽略不计，上 可化简为
RTCA
这就是范特霍夫方程。
生物物理学导论（生物能力学）
离子平衡
渗透压可以看作将溶液中溶剂的化学势提高到 所要求的纯溶剂的化学势的力。当有一带电的 溶质时，有类似的情况存在。
假设膜隔离带有不同浓度电解质C+A-的两个小 室I和II，且只可透过一种符号的离子如正离子 C+ 。在平衡时，当一克分子这种正离子从I移II 时，自由能的变化为零；
生物物理学导论（生物能力学）
热力学观点的解释
当一克分于溶剂从室I移到 II时，自由能 的变化为
GsIIsI
式中，μIs和μIIs分别是溶剂在空I和II中的 化学势。
在平衡点 G0
生物物理学导论（生物能力学）
使用按克分子比xs(溶剂的克分子数与溶剂和溶质克 分子总数间的比)表达，在平衡点的自由能为
生物物理学导论-10
第五章 生物能力学 (3)
生物物理学导论（生物能力学）
5.5 被动传输和主动传输： 膜的通透性
跨膜传输
传输过程是生物功能的一个有机组成部份。 例如，能量转换过程就需要连续供应底物并连 续处理产物和废料。当无法使氧和底物(葡萄糖) 透过细膜和细胞器，并去除二氧化碳时，也就 不可能有呼吸。在细胞中，一个地方产生的 ATP，经常必须输送到另外的地方去；许多其 它中性的以及电荷的物质也需要传输，以完成 重要的处理功能。
生物物理学导论（生物能力学）
我们可将这一关系式用于溶质在溶液中的一维 简单扩散．若vi是一克分子溶质i 平均速度，则 以每单位时间每单位面积的克分子数表示的流 置为
Ji Civi
式中，Ci是以每单位体积的克分子数表示的溶 质 i 的浓度。速度vi 与驱动力相等而反号的力 F成正比：
定量生物物理学前沿导论
定量生物物理学前沿导论导论定量生物物理学是一门融合物理学和生物学的交叉学科，旨在通过物理学的方法和工具来研究生物学现象。
它以定量化的方式揭示生物系统内的物理规律和机制，从而深化我们对生命的理解。
本文将介绍定量生物物理学的前沿研究领域，讨论相关的重要问题和方法。
1. 生物分子的结构与功能生物分子是构成生物体的基本单位，其结构与功能密切相关。
定量生物物理学通过物理化学的方法，研究生物分子的结构、动力学和相互作用，以及它们在生物学过程中的功能。
其中，蛋白质结构预测、蛋白质-配体相互作用和蛋白质折叠等问题备受关注。
通过建立数学模型，定量生物物理学可以揭示蛋白质结构和功能之间的关系，为疾病治疗和药物设计提供理论基础。
2. 细胞力学与生物力学细胞力学和生物力学研究细胞和生物体内力的产生、传递和作用。
定量生物物理学通过测量和建模细胞内力的产生与传递，研究细胞骨架、细胞膜和细胞运动等问题。
例如，细胞内力的测量可以通过应用纳米力学实验技术，如光镊技术和原子力显微镜，来研究细胞的力学性质。
同时，通过建立数学模型，定量生物物理学可以解释细胞力学的行为，并预测细胞在不同环境下的响应。
3. 神经物理学与神经科学神经物理学研究神经系统的物理规律和机制，而神经科学则关注神经系统的结构和功能。
定量生物物理学在这两个领域发挥着重要作用。
它通过建立数学模型，揭示神经元网络的动力学和信息传递机制，以及神经元之间的相互作用。
神经元网络模型的研究可以帮助我们理解神经系统的信息处理和行为生成机制，从而推动神经科学的发展。
4. 系统生物学与生物网络系统生物学研究生物系统的整体性质和组织结构，生物网络研究生物体内复杂网络的拓扑结构和动力学行为。
定量生物物理学通过建立数学模型和计算模拟，揭示生物网络的结构和功能之间的关系，以及生物系统中的稳定性和可变性。
例如，通过分析基因调控网络的拓扑结构和动力学行为，我们可以更好地理解基因调控的原理和机制，以及遗传疾病的发生和发展。
S0933 生物物理导论(Introduction to biological physics) (0,3) S0935
S0933 生物物理導論(Introduction to biological physics) (0,3)DNA、RNA及蛋白質等生物大分子的功能與結構。
細胞，細胞器與細胞內重要生物分子簡介。
基因與基因體的研究簡介。
物理學的方法和技術在生物學中的應用。
機率與統計基礎。
能量、力與化學鍵、熵、溫度與自由能等物理概念在生物學中的基本應用。
生物體中的擴散、耗散及驅動現象。
生物高分子的構型與力學性質基礎，熵彈性Structures and functions of DNA, RNA and proteins. Introduction to cell, organelles and some important molecules inside cell. Applications of physical method and technique to biology. Fundamental of probability and statistics. Applications of physical concepts, such as energy, force, entropy, temperature and free energy, to biological system. Diffusion and dissipation in biomaterials. Conformation and mechanical property of biopolymers, entropic elasticity.S0935 科技英文(English for Science and Technology) (2,0)科技英文、英文科技報導摘要解析、英文科技報導摘要修訂、英文科技報導標題修訂、英文科技報導圖示摘要修訂Science and Technology Terms, Comprehension of Science and Technology Writing, Modifications of Science and Technology Abstracts, Modifications of Titles of Science and Technology Reports, Composing Graphic Abstracts of Science and Technology ReportS0955 細胞生物學概論(Introduction to Cell Biology) (3,0)生物能量與代謝，細胞膜，粒線體與有氧呼吸，葉綠體與光合作用，細胞與環境之交互作用，細胞質膜與膜運送功能，細胞骨骼與運動性，基因與基因組，基因表現與調控，基因複製與修復，細胞分裂，細胞訊息傳遞，癌症，免疫反應，細胞生物學研究方法Bioenergetics and metabolism, Cellular membranes, Chloroplast and photosynthesis, Cell-environment interactions, Membrane trafficking, Cytoskeleton and motility, Genes and genome, Gene expression and regulation, Gene replication and repair, Cell division, Cell signaling pathways, Cancer, Immunity, Methods in cell biologyS0980 光電材料概論(Introduction to optoelectronic materials) (0,2)電磁波性質，量子化學概念，分子能量量子化，分子間作用力與極化，螢光與磷光，雷射，發光二極體，太陽能電池，染料敏化太陽能電池。
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。
深入了解生物物理学的基本原理
深入了解生物物理学的基本原理生物物理学是一门研究生物体内物理过程的学科，通过研究生物体的结构、功能和相互作用等方面，探索生命的基本原理和现象背后的物理机制。
本文将深入讨论生物物理学的基本原理，介绍其在生物科学中的重要性和应用领域。
1. 生物物理学的定义和发展历程生物物理学是生物学和物理学的交叉学科，起源于19世纪末。
其主要研究内容包括生物体内的能量传递、结构与功能关系、生物与环境的相互作用等。
随着科技的进步和研究方法的改进，生物物理学的发展得到了极大的推动，成为了生物科学中不可或缺的一部分。
2. 生物物理学的基本原理2.1 生物体的结构与功能生物物理学研究生物体的结构与功能的关系，揭示了生物体内部的物理变化和相互作用是如何影响生物体的特定功能的。
例如，通过研究蛋白质的二级结构与其功能之间的关系，可以深入了解蛋白质的功能机制，为药物研发和疾病治疗提供理论基础。
2.2 能量传递与转化生物物理学研究生物体内能量的传递与转化过程。
从能量从环境中的吸收，到在生物体内的传递、储存和利用，生物物理学通过研究这些能量转化过程的物理机制，为生物体的生命活动提供了理论依据。
2.3 生物与环境的相互作用生物物理学研究生物与环境之间的相互作用，了解生物体如何适应不同的环境条件。
这不仅有助于我们理解生物的进化和适应，还对环境保护和生态学研究具有重要意义。
3. 生物物理学的应用领域3.1 生物医学研究生物物理学在生物医学研究中扮演着重要角色。
通过研究生物体内分子层面的物理变化和相互作用，生物物理学为药物研发、疾病诊断和治疗等提供了关键的信息和方法。
3.2 蛋白质研究与蛋白工程蛋白质是生物体内重要的功能分子，生物物理学为蛋白质的结构与功能研究提供了物理学原理和技术手段。
同时，生物物理学也为蛋白工程的研究和应用提供了理论基础。
3.3 生物材料与仿生学生物物理学研究生物界独特的材料和结构，可以为新材料的研发和设计提供灵感和指导。
生物物理学：1.第一章 生物物理学绪论
• 1944年的《医学物理》介绍生物物理内容 时，涉及面已相当广泛，包括听觉、色觉 、肌肉、神经、皮肤等的结构与功能（电 镜、荧光、X射线衍射、电、光电、电位、 温度调节等技术），并报道了应用电子回 旋加速器研究生物对象。
• 1943年E.薛定谔的讲演：“生命是什么”
• 用热力学和量子力学理论解释生命的本质引进了“ 负熵”概念，试图从一些新的途径来说明有机体的 物质结构、生命活动的维持和延续、生物的遗传 与变异等问题（见耗散结构和生物有序）。
2.生物物理学的学科意义
• 生物学
• 生物数学 生物物理学 生物化学 细胞生物 学 生理学 发育生物学
•
遗传学 放射生物学 分子生物学 生
物进化论 生态学 神经生物学
•
植物学 昆虫学 动物学 微生物学
病毒学 人类学 生物工程，心理学
• 在生物学方面被广泛认同甚至成为学科基础的主 要理论包括：达尔文提出的生物进化论；细胞学 说；孟德尔遗传学说；遗传密码和中心法则理论( 包括近年关于表观遗传和非编码RNA调控等重要 发展)；普列高津耗散结构理论（将生命看作自组 织化系统的理论）等。
• 细胞利用环境中饱和和不饱和脂肪酸与温度有关 。在15～20℃时利用油酸，而在20～25℃时则主 要利用亚油酸，从而提供了不同温度条件下控制 作物能量转换途径来提高作物的营养价值。70年 代末全球耗地为1.5×109公顷土地，其中盐碱地 占4×108公顷。能否利用某些好盐菌来改良土壤 ，尤其是具有视紫红质的好盐菌，借助它能将光
子样品。有时一种技术的出现将使生物物理问题的研究大 大改观。如 X射线衍射技术导致了分子生物物理学的出现 。因此虽然技术本身并不一定就代表生物物理，但它对生 物物理学的发展是非常关键的。
生物物理学的基本理论与方法
生物物理学的基本理论与方法生物物理学是生命科学和物理学的交叉领域，它通过物理学的基本理论和方法，揭示生命现象的本质和规律，探究生命活动的机制和过程。
生物物理学的基本理论和方法包括生物分子结构与功能、生物信号传递、生物膜结构与功能、生物能量转换、生物纳米技术等方面。
一、生物分子的结构与功能生物分子是生命的基本组成单元，包括蛋白质、核酸、多糖和脂质等。
生物分子的结构和功能紧密关联，理解生物分子结构对于揭示其功能机制至关重要。
生物分子的结构分析方法包括X射线衍射、核磁共振等。
另外，各种光谱学、色谱学、电泳学、质谱学等技术也广泛应用于生物分子结构研究。
通过对生物分子结构分析，可以揭示蛋白质的三级结构和功能区、核酸的结构和配对规律、膜蛋白的结构和通道等。
二、生物信号传递生命活动中的信号传递是通过一系列的信号转导过程完成的。
这些信号转导过程涉及到许多重要的分子机制，如离子通道、受体、激酶和磷酸酶等。
生物信号传递的基本理论包括信号转导通路、受体激活和信号转导激活机制等。
生物信号传递的方法包括细胞培养、蛋白质提取、酶标记检测和蛋白质结构解析等。
通过对生物信号传递的研究，可以揭示生命活动的调节机制和信号传递的网络结构等。
三、生物膜的结构与功能生物膜是细胞的重要组成部分，它包括各种膜蛋白、磷脂类、胆固醇等。
生物膜的结构和功能直接影响到细胞的代谢、信号传递以及免疫等生物学过程。
生物膜的结构分析方法包括X射线衍射、单分子层技术等。
同时，分子动力学模拟和计算机模拟也成为了揭示生物膜结构和功能的有力工具。
生物膜的功能主要涉及到它的通透性、可渗透性、识别性和承载性等。
四、生物能量转换能量转换是生物中的一个非常核心的过程，它包括光合作用、呼吸和发酵等。
能量转化的基本机制是通过氧化还原反应，在生命体内前后成立一个能量梯度。
生物能量转化的基本理论包括酶的反应动力学、ATP的合成机制和指示呼吸过程的各种指标。
生物能量转化的方法包括制备并寻找适合的酶、测量各种酶反应的速率等。
生物物理学导论1145页PPT
素铁蛋白)用
• 氢载体(如黄素蛋白和苯i6)替换。通过这样的
安排，或者经
• 由底物的还原(在呼吸电子传递约情况下)，或
者经由光诱导
• 的初级反应(在光合作用电于传递情况下)，被
电子载体传输
• 穿过膜的电子产生一电场，引起质子通过氢载
体或者从膜内
• 按照这一理论，解偶联剂格提供消除质
• 作。但是p对叶绿体或线粒体就不能作这
样的结论，离子线体
• 抗菌素的实验结果表明，不是完全没有
膜电位，就是逆向
• ATP酶只用哪梯度起作用。
• 光诱导三个类胡萝r素吸收带的红移(国5．40
M)，这是由于
• 通过电子传递以及质子梯度的膜电位成份，产
生了电位。这一
• 移动的电学起因可通过下述实验提供：将Kc?
在这种
• 研究中证明，被悯联的磷酸化的抑制剂仅当放
电子传递“激
• 励”时，才与悯联因子纳合。因此，在叶绿体
中，仅半加入辐射
• 防于时，抑制剂N—乙基顺丁烯二欣亚舷才抑
创允仑磷酸化。
• 而且，用氢的同位素质(”H)这类放射性示踪物
还可证实，抑
• 制剂与悯联因子的结合被光照显著提高。
• 虽然构象理论看来可以克服“化学的”
电位(B口使有
• 也很小)。除非破坏离子梯度的试剂(如尼日里
亚菌素)也存
• 在，绚氨雷素并不使结合成微囊休的三种膜个
的任何一种的
• ATP合成解悯联。在细菌制剂中，当存在可透
负离子(如硫
• 氰酸根负离子cNs—，它根容易透过细菌膜)时，
尼日里亚菌
• 这些结果意味老，细菌灼边向ATP酶也
生物物理学导论
如肌肉收缩时， Ca2+诱导Ca2+释放， 肌浆网(肌细胞内特化的内质网)释放出大 量Ca2+，从而导致细胞收缩。
这些Ca2+释放过程，是通过细胞器 （主要是内质网）膜上的Ca2+通道释放的， 称为Ca2+释放通道。
(1) Ryanodine敏感的Ca2+释放通道 骨骼肌的Ca2+释放通道对植物碱 Ryanodine高度敏感，现已纯化出Ryanodine受 体(RyR)，RyR存在于肌质网。RyR通道类似于 配体门控的Ca2+通道，电导较大。
生物物理学导论-13 神经生物物理(2)
§6.5.3.4 Ca2+通道
细胞内Ca2+浓度变化调节着细胞代谢、 基因表达等细胞共有的活动以及兴奋、 收缩、分泌等细胞不同反应，故Ca2+通道 愈来愈引起人们的重视。 Ca2+通道几乎普遍分布于各种组织 的细胞膜中。
§6.5.3.4.1 细胞膜上Ca2+通道
(1) 电压门控Ca2+通道 根据齐对膜电位变化的敏感性分为： L型(long-lasting): 电导大，衰减慢，强去极化激活 分布：兴奋－收缩偶联、分泌 T型(transient): 电导小，衰减快，弱去极化激活 分布：心肌与神经的起搏点活动以及重复发放
N型(non-longlasting non-transient): 电导介于L、T间
骨骼肌的收缩由电兴奋引起，从动作电位开始 到张力变化开始，约需20ms
动作电位 横管膜的去极化 Ca2+内流进入细胞 RyR通道活化 肌浆网释放Ca2+ 粗细肌丝相对滑动 肌肉收缩
Ca2＋诱导Ca2＋释放
§6.6.3 心肌细胞的电活动
生物物理学导论
1.1 生物物理学的形成与发展
首先，我们从讨论物理科学 与生物学之间的关系来明确生物 物理学的概念。
（1） 物理学的发展
物理学从哥白尼及加利路以来就逐渐明确它 的特点而成为一门精确的科学。它的威力就在于 它的精确性。物理学是进行精确定量测定，简炼 地概括性地给出事物的相互关系的学科。 早先人们努力致力于措述性科学(局限于叙 述现象和事实)，后来才发展成更精确的科学，当 称量刻度进入化学实验室时就结束了它的描述科 学阶段。
(4) 生物物理学的目标
生物物理学作为研究生物学的手段，不仅是描述 生命系统活动过程的物理化学基础，同时也从物 理学的概念来讨论生物体。 生物物理学将从为什么与怎样对生命系统来概括 出发，然后通过从分子水平直到更完整体系的水 平上，对这些体系中所发生的相互作用和过程的 观察来讨论怎样将物理学的理论与概念应用于这 些概括的系统中。最后，这些概括性再次从理论 生物角度进行讨论，希望能找到这样的概括在生 物学基本规律中的意义究竟是什么。
在细胞最外层的膜叫细胞质膜(或简称质膜)。 它形成一个具有选择性的屏障而保持了细胞的 化学完整性。后面我们将讨论正是由于膜上的 主动与被动传输过程，它的选择性不仅表现在 什么分子能进入或离开细胞，同时也表现在分 子进出细胞的速度上。 虽然也还有其他的方式物质能进入细胞，某些 游离细胞．例如阿米巴可以通过胞饮及吞噬这 两种方式把物质吞进细胞内。
第二章 生物的单位
2.1 细胞的含义
（1）细胞作为生物的基本单位
物理学家和化学究研究物质总是简单化和统一化 到量子力学范畴，认为物质的基本单元是原子。 人们要问这种原子的单位是否也存在于生物学中 呢？ 许多生物学课本中提出活细胞就是这种原子的单 位。 自从1665年Robert Hooke在木栓组织上发现“小 格子”以来，就建立了细胞概念，从此公认生命 具有一种细胞的结构。
生物物理学导论-06
1. 离子键和共价键
对极性分子, 例如NaCl蒸汽分子，可以把键 描述为一个正离子和一个负离子之间的静 电吸引。 解释象CH4这样的非极性分子就稍微复杂一 些。 对这两种类型的分子来说，化合价(每一个 原子所能结合的原子数)经常是一样的。例 如，在极性化合物K2O中, 氧和两个钾原子 结合，而在非极性化合物(C2H5)2O中, 氧和 两个乙烯基结合。
NaCl蒸汽的分子里 Na+和Cl- 之间的离子 键就是一例。在结晶 的氯化钠中，由于在 这种稳定的排列中出 现的是Na+和Cl-离子 的三维晶体结构，所 以不能说NaCl分子。 当两种离子之间的库 仑吸引力被它们的原 子核之间的排斥力平 衡的时候，势能曲线 出现最小值。
能量单位与换算
甲酸的二聚体
甲酸的二聚体(v)就是氢键的结果。在生物学中 支配蛋白质和核酸的三级结构的主要是氢键。
在DNA的结构里，已经看到它们是如何帮助复 制、转录和翻译等过程的。
4.3 强相互作用
分子是原子之间通过强相互作用或键结 合起来的。这些作用支配着生物大分子 的一级结构。 强相互作用的结合能大大超过了热能。
施于象原子或分子这样的小物体上的力是不 能直接测量的，但是我们可以测量能量。 例如，通过测量使键断裂所需的能量来计量 两个原于结合在一起的能量。 如果两个原子相互吸引，那么它们的相互作 用就代表着一定数量的势能，当原子与原子 互相接近到吸引力与排斥力相平衡的距离时， 这个势能达到最小值。
原子轨道的线性组合 MO C1A 1s C2B 1s
由于这个分子是完全对称的，所以C1必然等于 ±C2，因此我们得到两个可能的分子轨道(MO)：
生物物理学导论-07
2 激发能传递
共振传递是发生在量子力学水平上的分子相互 作用。激发是整个集合体的性质。描写该系统 的波函数是薛定锷方程的解：
H j E j j
式中哈密顿作用量有描述分子间相互作用的项。 只有当我们作某些简化时才可能有解，例如， 忽略分子间电子轨道的贡献或者只考虑辐射性 相互作用的电偶极子部分。
3 分子的激发模型
M. Kasha等建立了分子的激发模型，描述多聚体 内的快传递，忽略振动的相互作用。在这个模型 中，多聚体激发态的波函数是该多聚体内所有可 能的定域状态的线性组合，导致单值能级的劈裂， 分裂数等于偶联的单体的数目。 如，考虑一个单体A1和A2组成的二聚体；非定域 处理涉及一个基态(A1 · 2)和一个劈裂为两个能级 A 的激发态(A1 · 2)*。对两个定域状态(A1*+ A2)和 A (A1+ A2 *)来说， 波函数是Ψ1 * · 2和Ψ1 · 2 * ，它 Ψ Ψ 们的线性组合得到：
1 线光谱和带光谱
当量子态的能级确定和分立的时，吸收和发射谱 显示出清晰和强化的谱线或窄谱带。 在分子中存在着大量的不同能量的量子态的分裂 现象。结合在一起的原子的电子可以彼此之间， 以及与一个以上的原子核发生作用，结果使原来 的能级劈裂成大量的亚能级。 原子核彼此之间的相对运动、振动和转动对量子 态的分裂有影响。 非常大的不同能量的跃迁几率，使线光谱变成带 光谱。
d
1
max
0
3 10 9 2 max
式中ν是波数，单位：cm-1, Δν谱带的半宽度，α吸 收峰处的值。
吸收系数
吸收系数是由光密度用定义的克分子消 光系数：
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21世纪的化工企业的信条是五个“为了”和五个“关 心”（Five“care”and five “for”）： （1）为了社会而关心环保（Environmental care for the society）； （2）为了职工而关心安全、健康和福利（Safety care for the employee）； （3）为了顾客而关心质量、声誉和商标（Quality care for the customers）； （4）为了发展而关心创新（Innovation-care for the development）； （5）为了股东而关心效益（Profit-care for the stock holders）
3.3 在研究方法和手段上，更加重视尺度 效应
20世纪的化学已重视宏观和微观的结合。 21世纪将更加重视介乎两者之间的纳米尺 度（1-100 nm），并注意到从小的原子、 分子组装成大的纳米分子，以至微型分子 机器。
3.4 合成化学的新方法层出不穷
（1）合成化学始终是化学的根本任务，21 世纪的合成化学将从化合物的经典合成方 法扩展到包含组装等在内的广义合成，目 的在于得到能实际应用的分子器件和组装 体。 （2）合成方法的十化：芯片化，组合化， 模板化，定向化，设计化，基因工程化， 自组装化，手性化，原子经济化，绿色化。
21世纪化学的四大难题
（1）如何建立精确有效而又普遍适用的化 学反应的含时多体量子理论和统计理 论？ （2）如何确立结构和性能的定量关系？ （3）如何揭示生命现象的化学机理？ （4）如何揭示纳米尺度的基本规律 ？
化学的第一根本规律 --化学反应理论和定律
化学是研究化学变化的科学，所以化学反应理论 和定律是化学的第一根本规律。应该说，目前的 一些理论方法对描述复杂化学体系还有困难。 因此，建立严格彻底的微观化学反应理论，既要 从初始原理出发，又要巧妙地采取近似方法，使 之能解决实际问题，包括决定某两个或几个分子 之间能否发生化学反应？能否生成预期的分子？ 需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如 何在理论指导下控制化学反应？如何计算化学反 应的速率？如何确定化学反应的途径等，是21世 纪化学应该解决的第一个难题。
2.1 化学的一维定义
21世纪的化学是研究泛分子的科学。泛分 子的名词是仿照泛太平洋会议(Pan Pacific Conference), 泛美航空公司(Pan American Air Line)等提出的。泛分子是泛指21世纪化 学的研究对象。它可以分为以下10个层次：
泛分子的科学的10个层次
21世纪物理学的难题
(1) 四个作用力场的统一问题，相对论和 量子力学的统一问题。 (2) 对称性破缺问题。 (3) 占宇宙总质量90%的暗物质是什么的 问题。 (4) 黑洞和类星体问题。 (5) 夸克禁闭问题。
21世纪生物学的重大难题
21世纪生物学的重大难题是： （1） 后基因组学 （2） 蛋白质组学 （3） 脑科学 （4） 生命起源
在世纪之交，中国和世界各国政府都更加重视国家 目标，在加强基础研究的同时，要求化学更多地来 改造世界，更多地渗透到与下述10个门类的科学的 交叉和融合：（1）数理科学（2）生命科学（3） 材料科学（4）能源科学（5）地球和生态环境科学 （6）信息科学（7）纳米科学技术（8）工程技术 科学（9）系统科学（10）哲学和社会科学。这是 化学发展成为研究泛分子的大化学的根本原因。所 以培养21世纪的化学家要有宽广的知识面，多学科 的基础。
2.4 化学的四维定义
化学是用Z方法研究X对象的Y内容以达到W 目的的科学。 化学的目的和其它科学技术一样是认识世 界和改造世界，但现在应该增加一个“保 护世界”。化学和化学工业在保护世界而 不是破坏地球这一伟大任务中要发挥特别 重要的作用。造成污染的传统化学向绿色 化学的转变是必然的趋势。
3 21世纪化学研究的六大趋势
艾滋病毒HIV是一个生物大分子，其活性部位， 形似环糊精，大小与C60十分接近，它们可以形成超 分子。因此，C60可以抑制艾滋病毒HIV。 环糊精分子还可作为主体，把其它小分子包在里 面，又可作为客体，插入Zr(HPO4)2(H2O)晶体的结构 层之间，组装成复杂的超分子体系。
（6）高分子层次。 （7）生物分子(biomolecules)层次。 （8）纳米分子和纳米聚集体层次棗： 例如碳纳米管、纳米金属、微乳、胶束、反胶 束、气溶胶、纳米微孔结构、纳米厚度的膜、固 体表面的有序膜、单分子分散膜等。 （9）原子和分子的宏观聚集体层次棗： 例如固体、液体、气体、等离子体、溶液、熔 融体、胶体、表面、界面等。
2 21世纪化学的定义和内涵
2.1 化学的一维定义 21世纪的化学是研究泛分子的科学。泛分 子的名词是仿照泛太平洋会议(Pan Pacific Conference), 泛美航空公司(Pan American Air Line)等提出的。泛分子是泛指21世纪化 学的研究对象。它可以分为以下10个层次：
核，高聚物的单体，蛋白质的氨基酸，
DNA的A，C，G，T。 高级结构单元，
如蛋白质的αhelix，βsheet等。
（4）分子层次棗：研究分子层次的问题有如 分子周期律，单分子光谱，单分子监 测和控制，分子的激发态，吸附态等。
（5）超分子层次棗：超分子是二个分子通过非共价键 的分子间作用力结合起来的物质微粒。 例如环糊精［γ-CD］是一个分子，形似花盆 ,它 的尺度略大于C60的直径，可以把C60包进去，生成1:1 和2:1的超分子。
（1）原子层次棗。例如近来受到重视的碱金 属原子的Bose-Einstein凝聚态。 （2）分子片层次棗。分子片是指组成分子的 碎片： 一价分子片：CH3，OH，Mn(CO)5， Co(CO)4， 二价分子片：CH2，NH，Fe(CO)4，Ru(PR3)4，
三价分子片：CH，Co(CO)3等。
（3）结构单元层次棗。例如芳香化合物的母
3.6 分析化学已发展成为析科学
分析化学已吸收了大量物理方法、生物学方法、 电子学和信息科学的方法，发展成为分析科学， 应用范围也大大拓宽了。 分析方法的十化：微型化、芯片化、仿生化、在 线化、实时化(real time)、原位化(in situ)， 在体化(in vivo)、智能化信息化，高灵敏化，高 选择性化，单原子化和单分子化。 单分子光谱、 单分子检测，搬运和调控的技术受到重视。 分离和分析方法的连用，合成和分离方法的连用， 合成、分离和分析方法的三连用。
（10）复杂分子体系及其组装体的层次： (ⅰ) 复合和杂化分子材料。 (ⅱ) 分子器件，例如在金丝尖端装上经过巯 基化修饰的单层碳纳米管（SWCNT），可以作为M 的针尖。又如分子导线、分子开关、分子探针、 分子芯片、分子晶体管等。 (ⅲ)分子机器，如分子马达在UV光下，能通过 4种同分异构体进行旋转，又如分子计算机等。 (ⅳ) 宏观组装器件如燃料电池，太阳能电池 等。
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21世纪科学研究中的难题
科学研究始于提出问题。 科学问题的提出、 确认和解决是科学发展的动力。20世纪最 伟大的数学家Hilbert 在1900年提出23个 数学难题。每一个难题的解决，就诞生一 位世界著名的数学家。现在2000年世界数 学家协会提出七大数学难题，筹集了700万 美元，悬赏100万美元给每一个难题的解决 者。
3.2 理论和实验更加密切结合
1998年诺贝尔化学奖授予W.Kohn和J.A. Pople。 颁奖公告说：“量子化学已经发展成为广大化学 家所使用的工具，将化学带入一个新时代，在这 个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体 系的性质。化学不再是纯粹的实验科学了”。所 以在21世纪，理论和计算方法的应用将大大加强， 理论和实验更加密切结合。
1 科学的定义
一门科学的定义至少有三个属性
1 整体和局部性 2 发展性 3 定义的多维性
1.1 整体和局部性
科学是一个复杂的知识体系, 为了便于研究，首先 把它分成自然科学、技术科学和社会科学三大块。 在自然科学中，又有许多分法。 (1) 传统的分法是： 数学、物理、化学、天文、地理、生物等一级 学科。 (2) 近来又有分成： 物质科学、生命科学、地球科学、信息科学、材 料科学、能源科学、生态环境科学、纳米科学、认 知科学，系统科学等。
2.2 化学的二维定义
化学是研究X对象的Y内容的科学。 具体地说，就是：化学是研究原子、分子片、结 构单元、分子、高分子、原子分子团簇、原子分 子的激发态、过度态、吸附态、超分子、生物大 分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和 不同复杂程度的聚集态和组装态，直到分子材料、 分子器件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁 和组装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌， 物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和调 控的作用机制，以及上述各方面的规律，相互关 系和应用的自然科学。
(3)研究其它各种酶催化反应的机理。酶对 化学反应的加速可达100亿倍，专一性达 100%。如何模拟天然酶，制造人工催化剂， 是化学家面临的重大难题。 (4)充分了解分子的电子、振动、转动能级， 用特定频率的光脉冲来打断选定的化学 键——选键化学的理论和实验技术。
（3）化学实验室的微型化和超微型化：节 能、节材料、节时间、减少污染。 （4）从单个化合物的合成、分离、分析及 性能测试的手工操作方法，发展到成千上 万个化合物的同时合成，在未分离的条件 下，进行性能测试，从而筛选出我们需要 的化合物（例如药物）的组合化学方法。
3.5 造成污染的传统化学向绿色化学的转 变是必然的趋势
1.3 定义的多维性
一门科学的定义，按照从简单到详细的程度可以 分为： (1) 一维定义或X定义，X是指研究的对象。 (2) 二维定义或XY定义。Y是指研究的内容。 (3) 三维定义或XYZ定义。Z是指研究方法。 (4) 四维定义或WXYZ定义，W是指研究的目的。 (5) 多维定义或全息定义。一门科学的全息定义 还要说明它的发展趋势、与其他科学群的交叉、 世纪难题和突破口等等。这样才能对这门科学有 全面的了解。