生物物理技术章优秀课件
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《生物物理》PPT课件
膜蛋白的晶体学研究
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1
生物大分子结构研究的方法概况
(1)X－光晶体衍射（X－ray）：这是目前生物 大分子结构解析最有效的一种方法，它有赖于 高度有序的三维晶体的获得。
(2)核磁共振（NMR）：这种方法已成功地用于 菌视紫质及有机溶剂中细菌F1F0－ATP酶的F0膜 功能区的C单元的结构解析。
结晶包括两个连续的过程：成核和晶体生长。成核过程是一 个可逆的过程。当晶核长大到一定程度时，它将进一步不可逆 地长大，形成一个新相，进而形成稳定的晶体。
从微观角度而言，每一个分子具有六个自由度，三个水平和 三个旋转自由度，它们通过有序的堆积使体系的熵减少。在蛋 白经过有序堆叠形成晶体的同时，相邻分子间形成新键，进而 降低体系的自由能，这是形成结晶的驱动力。
触面积来形成结晶。
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9
膜蛋白三维结晶需要分子伴侣：
2).添加剂
在很多情况下，中性或带电的双亲小分子能改善膜蛋白 的三维结晶或是其结晶所必需。
在光合作用反应中心的结晶中，添加剂的加入使得与反 应中心相互作用的去污剂的数量减少。在膜孔蛋白的结晶中， 辛基寡聚还氧乙烯的加入可减慢结晶的速度。苯脎脒定的加 入使得菌视紫质在含OG的溶液的溶解增多。异丙醇的加入可 增大菌视紫质的晶体尺度。而且有些添加剂能自身结晶从而 为膜蛋白的结晶形成晶核表面。
细胞色素C氧化酶与单克隆抗体Fv片段的共晶生长，得到 了紫红色的2mm长，直径为0.6mm四棱晶体。在这一个2.8埃分 辨率的结构中，发现所有的极性相互作用都是由Fv片段介导 的 ，细胞色素C氧化酶不直接参与相互作用。该结果说明： Fv片段对膜蛋白的结合，增加了它的极性表面，促使膜蛋白 的三维结晶。
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
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1
生物大分子结构研究的方法概况
(1)X－光晶体衍射（X－ray）：这是目前生物 大分子结构解析最有效的一种方法，它有赖于 高度有序的三维晶体的获得。
(2)核磁共振（NMR）：这种方法已成功地用于 菌视紫质及有机溶剂中细菌F1F0－ATP酶的F0膜 功能区的C单元的结构解析。
结晶包括两个连续的过程：成核和晶体生长。成核过程是一 个可逆的过程。当晶核长大到一定程度时，它将进一步不可逆 地长大，形成一个新相，进而形成稳定的晶体。
从微观角度而言，每一个分子具有六个自由度，三个水平和 三个旋转自由度，它们通过有序的堆积使体系的熵减少。在蛋 白经过有序堆叠形成晶体的同时，相邻分子间形成新键，进而 降低体系的自由能，这是形成结晶的驱动力。
触面积来形成结晶。
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9
膜蛋白三维结晶需要分子伴侣：
2).添加剂
在很多情况下，中性或带电的双亲小分子能改善膜蛋白 的三维结晶或是其结晶所必需。
在光合作用反应中心的结晶中，添加剂的加入使得与反 应中心相互作用的去污剂的数量减少。在膜孔蛋白的结晶中， 辛基寡聚还氧乙烯的加入可减慢结晶的速度。苯脎脒定的加 入使得菌视紫质在含OG的溶液的溶解增多。异丙醇的加入可 增大菌视紫质的晶体尺度。而且有些添加剂能自身结晶从而 为膜蛋白的结晶形成晶核表面。
细胞色素C氧化酶与单克隆抗体Fv片段的共晶生长，得到 了紫红色的2mm长，直径为0.6mm四棱晶体。在这一个2.8埃分 辨率的结构中，发现所有的极性相互作用都是由Fv片段介导 的 ，细胞色素C氧化酶不直接参与相互作用。该结果说明： Fv片段对膜蛋白的结合，增加了它的极性表面，促使膜蛋白 的三维结晶。
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
生物物理学 第1章
氨基酸结构通式
天然氨基酸均为L-氨基酸
除甘氨酸外，所有天然氨 基酸都具有旋光性。
氨基酸在水溶液及结晶状 态时都以兼性离子 氨基酸所带有的正、负电 荷数目恰好相同，此时溶 液的pH称为该氨基酸的等 电点，以pI表示。
氨基酸的分类
根据R的结构不同：脂肪族氨基酸、芳香 族氨基酸、杂环族氨基酸、杂环亚氨基 酸 根据侧链R的极性：非极性和极性氨基酸。 非极性氨基酸有Gly、Ala、Val、Leu、 Ile、Met、Phe、Try、Pro等， 极性氨基酸: Ser、Thr、Cys、Tyr、 Gln、Asn、His、Lys、Arg等。
国际纯粹与应用生物物理学联合会（简称IUPAB） 我国已于1982年参加了这个组织。从国际生物物理学 会成立到现在，虽然只有30多年的历史， 生物物理学作为一门独立学科的发展是十分迅速的。 美、英、俄、日等许多国家在高等学校中设有生物物 理专业， 有的设在物理系内，有的设在生物系内，也有的设在 工程技术类的院校。目前发达国家均投入很大的力量 致力于这门学科的研究工作。
蛋白质结构
蛋白质的空间构象-一级结构
蛋白质是由各种氨基酸通过 肽键--CO--NH-(peptidebond)连接而成的多 肽链， 组成蛋白质分子的各多肽链 常以二硫键相互连接，形成 特定的结构。 蛋白质分子中的肽链的数目、 多肽链之间连接方式和部位、 二硫键的数目和位置及氨基 酸的数目、种类和顺序，称 为蛋白质的一级结构 (primary structure)。
N.威纳关于生物控制论的论点；前者用热力学和量子力 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）。后者认为生物的控制过程，包含着信息的接收、 变换、贮存和处理。 他们论述了生命物质同样是物质世界的一个组成部分， 既有它的特殊运动规律，也应该遵循物质运动的共同的 一般规律。这就沟通了生物学和物理学两个领域。现已 在生物的各个层次，以量子力学和统计力学的概念和方 法进行微观和宏观的系统分析。
生物物理技术-1课件
激发三重态：分子吸收能 量，电子自旋不再配对， 为三重态，称为激发三 重态，以T1，T2….表示。
基态：电子自旋配对， 多重度=2s+1=1，为单 重态，以S0表示。
三重态能级低于单重态 （Hund规则）
（二）荧光光谱与吸收光谱
荧光光谱术：
又称荧光分光光度术，属于光谱技术中的一种发 射光谱术。其原理是电磁波和物质作用后，物质首先 吸收电磁波的能量，然后再重新发射电磁波。激发波 段在100-800nm之间，相当于紫外与可见光波段。
三、荧光光谱仪与主要参量
（一）荧光光谱仪 （二）荧光分光光度术中的参量
（一）荧光光谱仪
凡是用于研究 光的吸收、发 射和散射的强 度与波长关系 的仪器，均称 之为光谱仪或 分光光度计。 这些仪器通常 都是由光源、 单色器、样品 室、检测器和 显示器等5个基 本单元组成。
1、激发光源
在紫外-可见光区，可供荧光激发用的光源很多包括：钨灯，碘钨灯， 氢灯，氘灯，汞灯，氙灯等。主要根据光源稳定性和强度选择光源。
溶液粘度
旋转弛豫时间rotational relaxation time —
（二）荧光分光光度术中的参量
4、荧光寿命 （Fluorescence liftime --） 荧光衰减为原来激发时最大荧光强度的1/e所需要的时间
I = I0e-kt , =1/k 表示分子处于激发态时间的长短（平均值），约ns级。
1） 荧光强度的定义：在一定激发波长(λex)作用下，发射的 荧光强弱。
F=Ia 2） =发射光子数/吸收光子数
Lambert-Beer定律：
Ia=I0-I，I=I010-εcL
F = I0(1-10-εcL )
{当C很低时F= I0εcL ，
基态：电子自旋配对， 多重度=2s+1=1，为单 重态，以S0表示。
三重态能级低于单重态 （Hund规则）
（二）荧光光谱与吸收光谱
荧光光谱术：
又称荧光分光光度术，属于光谱技术中的一种发 射光谱术。其原理是电磁波和物质作用后，物质首先 吸收电磁波的能量，然后再重新发射电磁波。激发波 段在100-800nm之间，相当于紫外与可见光波段。
三、荧光光谱仪与主要参量
（一）荧光光谱仪 （二）荧光分光光度术中的参量
（一）荧光光谱仪
凡是用于研究 光的吸收、发 射和散射的强 度与波长关系 的仪器，均称 之为光谱仪或 分光光度计。 这些仪器通常 都是由光源、 单色器、样品 室、检测器和 显示器等5个基 本单元组成。
1、激发光源
在紫外-可见光区，可供荧光激发用的光源很多包括：钨灯，碘钨灯， 氢灯，氘灯，汞灯，氙灯等。主要根据光源稳定性和强度选择光源。
溶液粘度
旋转弛豫时间rotational relaxation time —
（二）荧光分光光度术中的参量
4、荧光寿命 （Fluorescence liftime --） 荧光衰减为原来激发时最大荧光强度的1/e所需要的时间
I = I0e-kt , =1/k 表示分子处于激发态时间的长短（平均值），约ns级。
1） 荧光强度的定义：在一定激发波长(λex)作用下，发射的 荧光强弱。
F=Ia 2） =发射光子数/吸收光子数
Lambert-Beer定律：
Ia=I0-I，I=I010-εcL
F = I0(1-10-εcL )
{当C很低时F= I0εcL ，
09生物物理技术1章
与产生吸收和发射的基团数成正比 强度常用谱线下的面积表示，只有在谱线很尖锐 的情况下才能近似地用谱线高度代表强度.
宽度
半高宽(L/2) 谱线两侧斜率最大的两点之间的 宽度表示，如图中的L. 导数谱 宽度由激发态寿命所决定,能使 谱线加宽的因素随环境、物理状 态和运动状况而改变, 根据宽度可 以了解运动、动力学和相互作用.
一、电磁波谱 二、能级与跃迁 三、谱的产生及主要参数 四、波谱测量
一、电磁波谱 电磁波(电磁辐射) 传播着的交变电磁场
波长(l)
频率(u) 波数(s)
电磁辐射的粒子性(光子) E=hv=hc/ l h=6.626×10-34J· s. 光量子的能量与频率(波长)有关
电磁波谱
各种电磁波按其波长(或频率、能量)可顺序排列
生物控制论与生物信息论研究内容
对感觉信息的处理机制、神经网络 脑的活动在语言、思维、运动控制、内环境稳定 性控制方面的研究 各种无损伤成像术对脑智能活动的研究 免疫调控机制与模拟 信息分子的识别机制 基因信息的表达与调控机制及其模拟 大型生物系统的模型建立与系统辨识 非线性理论在信息科学中的应用
理论生物物理研究内容 微观
紫外线、可见光 价电子 紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱、旋光 色散、圆二色技术 红外线 分子的振动与转动 红外吸收光谱 微波 电子自旋运动 电 子自旋共振技术 射频 原子核的自旋运动 核 磁共振技术
位置 用波长、频率或波数表示
表征某种吸收或发射基团的特征跃迁 可以据此辨认基团或化合物的存在
强度
利用计算机快速运算的能力，把实验中原来 属于时间和距离等的函数，转换成为一般波谱 的频率函数.
好处：等于对很宽范围的各种频率同时取样，而区
别于一般波谱仪扫描时，每一时刻只对一种频 率取样，其速度显然要快得多. 傅立叶变换除能节省时间外还能大大提 高信噪比.
生物物理学PPT课件
研究细胞和组织的力学、电学和光学 等物理性质，以及它们在细胞分裂、 迁移和肿瘤生长等方面的作用。
生物物理学的重要性
促进生物学和物理学的发展
生物物理学的发展推动了生物学和物理学领域的理论和技术进步， 促进了两个学科的交叉融合。
医学与健康的应用
生物物理学在医学和健康领域有着广泛的应用，如医学影像技术、 放射治疗、药物研发和康复工程等。
02
它利用物理学的理论和方法来研 究生物系统的结构和功能，以及 生物分子之间的相互作用和能量 转换等。
生物物理学的研究领域
生物大分子结构与功能
研究生物大分子的结构和动力学性质， 以及它们在细胞代谢、信号转导和基 因表达等方面的功能。
细胞与组织的物理性质
生物系统的信息传递
研究生物系统中信息的传递和加工， 包括神经系统的电信号传递、视觉系 统的光信号转导和基因表达的调控机 制等。
信号转导途径
信号转导途径包括G蛋白偶联受体 介导的信号转导、酶联受体介导的 信号转导和离子通道受体介导的信 号转导等。
信号转导的调节
信号转导受到多种因素的调节，包 括磷酸化、去磷酸化、泛素化等。
细胞骨架与细胞运动
细胞骨架的组成
细胞骨架由微管、微丝和 中间纤维组成，对维持细 胞形态和结构具有重要作 用。
神经网络的信号传递
总结词
神经网络的信号传递是神经生物物理学的重要研究内容， 它涉及到突触传递、神经元之间的信息交流和神经网络的 整合作用等。
总结词
神经网络的信号传递对于神经系统的高效工作至关重要， 它涉及到学习、记忆、注意等多种认知过程。
详细描述
突触是神经元之间信息传递的关键结构，通过突触前膜释 放神经递质，与突触后膜上的受体结合，引发突触后电位 或动作电位，实现信息的传递。
生物物理技术的PPT
1.3 Alamar Blue 法
原理： 此试剂的主要成分是一种氧化还原指示剂其在氧化状态下呈现紫蓝色无荧 光性，而在还原状态下，转变为呈粉红或红色荧光的还原产物，其吸收峰为530－ 560nm。在细胞增殖过程中，细胞内NADPH/NADP、 FADH/FAD、 FMNH/FMN和
NADH/NAD的比值升高，处于还原环境。摄入细胞内的染料被这些线粒体酶还原后释
产生的甲臜产物不溶于水，需被溶解后才能检测。生成的甲瓒不易
充分溶解。测试后的细胞不能继续培养。
图2.MTT处理后的显微图像
图3. Morteza等用此法检测到不同浓度SPIONs处理下心 脏细胞，脑细胞，肾细胞数量的变化
1.2
CCK-8试剂盒法
原理： WST-8是一种类似MTT的化合物，在电子耦合试剂存在的情况下，
是大分子, 只有靶细胞膜完全被破坏后才能释放出来，不能较早的反
映细胞的存活状况。影响因素较多, 例如, 培养基、测定环境的温度、 p超顺磁性 纳米颗粒等不同纳米颗粒对PC 12细胞 后细胞活力的变化。
3. 针对细胞凋亡的检测（形态学观察）
在荧光显微镜下，吖啶橙染色后，活细胞核染色质呈现均匀分 布的黄绿色荧光, 胞质呈橘红色荧光，而凋亡细胞核染色质的黄绿 色荧光浓聚在核膜内侧。
图7.台盼蓝染色后的显微图像
4.3 乙酰氧甲基钙黄绿素和溴化乙锭
原理： 乙酰氧甲基钙黄绿素，是电中性的酯分子，可以通过扩
散进入细胞，一旦进入细胞就会被酯酶转化为带绿色荧光的钙黄
绿素分子。相反，若细胞损坏或死亡，本身不能渗透进入细胞的 溴化乙锭与核酸结合，可激发发红色荧光，在495nm出激发，乙酰
氧甲基钙黄绿素和溴化乙锭分别在515nm、635nm荧光信号最明显。
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：
生物物理学导论-11 PPT资料共45页
化看来是可能
• 的。这一因素就是已经提到过的悯联园子(5．4
节)，它做联
• 悯联因子已在纪粒体及叶绿 • 体和细菌市发现并分离出来。很可能，
从腆上去林佃联因子，
• 就会抑制A Lf的形成，而电了传递仍可
在这种腹k进行。当
• 把提纯的侗联因子送N到去空了的限系统
时，磷酸化作用被
• 恢复。
• 电子传说诱导构象变化的证抿来自这样nt研究，
然对单价窝子的
• 渗透显示出较大的阻力。K‘和Nal只有低
的渗透值，G]—也
• 有同样情况。这就是为何在自光合细菌
结合成宝泡的膜(裁色体)中，获取质子比 叶绿体的类囊体少的线故。
PH梯废和膜电位
• 会产生这样的问题： ATP通过 • ATP朗的逆向作用酌合成，只是由于P2“f的PH
梯度项产生
• 的呢，抑或膜电位项也可完成这一任务。离子
• 砌后，外侧K‘浓度等于内侧R’浓度，就可利m
这一技术按
• 伏特表示的膜电位，通过式(5．31)来校淮吸收
带位移。在一
• 些光合作用细菌的色素细胞中，已由此测定出
光诱导的蜡电
• 位(由于电子传递穿址膜)为420毫伏，光诱导的
稳态电位
• 表5．4i；出了一些测丛PT”r的咆绍协和1d1组
份的实骆
• 结果，并与在同一实验小实际测定的合成适员
• 的预测化学计算，到目前为止未能被实
验证实)，但这一理论
• 至少可以对部份偶联机理提供正确的解
释就足以证明，更完
• 全的讨论是合理的。
质子移位
• 在光诱导的电子传递期间有可逆的质子
获
• 取过程，这是在叶绿体服中发现的，现
在这已是一个普遍现象
• 的。这一因素就是已经提到过的悯联园子(5．4
节)，它做联
• 悯联因子已在纪粒体及叶绿 • 体和细菌市发现并分离出来。很可能，
从腆上去林佃联因子，
• 就会抑制A Lf的形成，而电了传递仍可
在这种腹k进行。当
• 把提纯的侗联因子送N到去空了的限系统
时，磷酸化作用被
• 恢复。
• 电子传说诱导构象变化的证抿来自这样nt研究，
然对单价窝子的
• 渗透显示出较大的阻力。K‘和Nal只有低
的渗透值，G]—也
• 有同样情况。这就是为何在自光合细菌
结合成宝泡的膜(裁色体)中，获取质子比 叶绿体的类囊体少的线故。
PH梯废和膜电位
• 会产生这样的问题： ATP通过 • ATP朗的逆向作用酌合成，只是由于P2“f的PH
梯度项产生
• 的呢，抑或膜电位项也可完成这一任务。离子
• 砌后，外侧K‘浓度等于内侧R’浓度，就可利m
这一技术按
• 伏特表示的膜电位，通过式(5．31)来校淮吸收
带位移。在一
• 些光合作用细菌的色素细胞中，已由此测定出
光诱导的蜡电
• 位(由于电子传递穿址膜)为420毫伏，光诱导的
稳态电位
• 表5．4i；出了一些测丛PT”r的咆绍协和1d1组
份的实骆
• 结果，并与在同一实验小实际测定的合成适员
• 的预测化学计算，到目前为止未能被实
验证实)，但这一理论
• 至少可以对部份偶联机理提供正确的解
释就足以证明，更完
• 全的讨论是合理的。
质子移位
• 在光诱导的电子传递期间有可逆的质子
获
• 取过程，这是在叶绿体服中发现的，现
在这已是一个普遍现象
生物物理学导论 (2) ppt课件
开始可以假定为很低，所以实际的自由 能变化有一更大的负值。
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24
反应(5.11)通过二磷酸甘油酸与ADP的磷 酸化偶联，并形成磷酸甘油酸和ATP：
由于这一反应有大约7千卡／克分子的标 准自由能变化，因而它可以向右进行，
且两个反应的偶联保证了使用磷酸甘油 酸氧化的自由能变化来合成ATP。从葡萄 糖和果糖合成蔗糖是一个ATP的水解过程， 这一过程与合成反应相偶联。
光合作用单位
光合作用从光的吸收开始。
在所有发生光合作用生物中，被光合色素吸收 的光引起色素聚合体的激发，激发能量转移到 所谓反应中心(实际发生转换为化学能的地方)。
光合色素的聚合体连同反应中心合在一起，称 为光合作用单位。
在高等植物中，一个光合作用单位的大小约为 每个反应中心200至400个叶绿素分子；在光合 细菌中，这一大小为每个反应中心50个细菌叶 绿素分子。
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33
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34
载色体
原核光合作用生物(蓝—绿藻和光合作用细 菌）的光合作用器也嵌在膜状结构中，在 这些生物里，这种膜状结构延伸到整个细 胞。在破碎细胞中，常常可以发现膜碎片， 它们形成直径从300至500埃的封闭微囊， 这些微囊称为载色体或裁色组分。
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35
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36
直到所有反应物的浓度达到使Ga和Gb都
为0的值为止。
释放的自由能将以热的形式耗散，唯一的结 果将是溶液温度的升高。
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21
如果反应A ⇆ P + Q形成的物质P不允许 进入溶液，而是直接用于反应P + B ⇆ R 以形成R，则这两个反应是偶联的，且总
自由能为Ga和Gb的代数和。
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24
反应(5.11)通过二磷酸甘油酸与ADP的磷 酸化偶联，并形成磷酸甘油酸和ATP：
由于这一反应有大约7千卡／克分子的标 准自由能变化，因而它可以向右进行，
且两个反应的偶联保证了使用磷酸甘油 酸氧化的自由能变化来合成ATP。从葡萄 糖和果糖合成蔗糖是一个ATP的水解过程， 这一过程与合成反应相偶联。
光合作用单位
光合作用从光的吸收开始。
在所有发生光合作用生物中，被光合色素吸收 的光引起色素聚合体的激发，激发能量转移到 所谓反应中心(实际发生转换为化学能的地方)。
光合色素的聚合体连同反应中心合在一起，称 为光合作用单位。
在高等植物中，一个光合作用单位的大小约为 每个反应中心200至400个叶绿素分子；在光合 细菌中，这一大小为每个反应中心50个细菌叶 绿素分子。
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33
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34
载色体
原核光合作用生物(蓝—绿藻和光合作用细 菌）的光合作用器也嵌在膜状结构中，在 这些生物里，这种膜状结构延伸到整个细 胞。在破碎细胞中，常常可以发现膜碎片， 它们形成直径从300至500埃的封闭微囊， 这些微囊称为载色体或裁色组分。
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35
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36
直到所有反应物的浓度达到使Ga和Gb都
为0的值为止。
释放的自由能将以热的形式耗散，唯一的结 果将是溶液温度的升高。
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21
如果反应A ⇆ P + Q形成的物质P不允许 进入溶液，而是直接用于反应P + B ⇆ R 以形成R，则这两个反应是偶联的，且总
自由能为Ga和Gb的代数和。
生物物理学导论ppt课件
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16
我国生物物理学的发展战略
• 1)我国生物物理学的发展的基本原则 • 2)生物物理学重点发展方向 • 3)我国生物物理学的中、近期战略目标
和前沿课题
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17
1)我国 生物物理学的发展的基本原则
• 首先，生物物理学是物理学和生物学结 合的产物，是生命科学(包括医学和农学 在内)各领域进一步发展的必然趋势，也 是人类向生命现象学习并加以改造、再 应用于实践的实际需要所决定的一门学 科。因此从战略高度明确这门学科的必 要性和重要意义，并给予支持，促使其 迅速发展至关重要。
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10
2)膜与细胞生物物理
• 膜与细胞生物物理是仅次于分子生物物理的另一 个重要领域，是把分子生物物理中所获得的知识 应用于活细胞的自然延伸，其中又以膜生物物理 研究更为活跃。生命过程中的能量、物质和信息 的转换都在膜与细胞中具体体现，外界物理因素 (包括光、高能辐射、电磁场等等)的作用机制、微 观生物流变学的研究也都有赖于这一领域的进展。 医学与农业中的许多实际问题，例如疾病过程、 药物与毒物作用、细胞免疫机制、极端环境(高低 逼、不同盐戏度)下农作物的改变与良种的选择等 等都与此领域密切相关。
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26
③感官与神经生物物理
• 感官与神经生物物理，既需从微观，也 需要从宏观角度加以研究。主要内容应 为神经递质、受体与离子通道的研究； 感觉信息加工的神经生物学研究；脑的 高级功能、行为和神经机制；神经系统 的计算理论与模型的研究，以及神经信 号和脑活动的物理测量技术研究。
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学在内的自然科学走向大统的理论框架开辟了道路。
各种生物学实验的研究也离不开衍射、光谱、波谱、
相关主题
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如果样品中含有两种吸收物X和Y，如何测其 浓度
可在两个不同波长下测吸收度，得
A1 1X[X]1Y[Y] A2 2X[X]2Y[Y]
3. 化学反应的检测
如果化学反应中的一种反应物在反应过程 中其浓度随之改变，则分光光度法可用于研究 这种反应. 这在研究酶反应中是经常应用的一 种方法（例）.
4. 分光光度滴定
注意从学习过的应用实例中总结如何发现 问题分析并加以解决问题，以及解决问题时思 路拓展的方法.
芳香氨基酸的紫外吸收光谱
研究蛋白质结构时常需了解蛋白质与其可 电离的氨基酸侧链解离时的pK值，这些值常能 说明氨基酸在蛋白质中所处的位置，因为解离 将使其中某一种氨基酸基团的谱改变. 一般来说， 可滴定基团(如酪氨酸的OH基、组氨酸的咪唑 环、半胱氨酸SH基)带电时，λmax与ε值增大. （例）
5. 构象研究
大分子在不同条件下的溶液构象研究 是分子生物学中的一项重要课题. 利用构象 改变时吸收谱的变化可以作为一种研究手 段. 如前面提到极端pH条件下蛋白质的变 性，就常表现在吸收度的变化上.
可定义差摩尔吸收系数Δε为：
ΔA =Δεcl
环境的改变可用多种方法，但溶剂组 成与pH的改变给出的信息最多. （例）
二、临床应用举例
1. 人血液不同成分吸收光谱探讨 2. 肝脏占位性病变患者血清-L-岩
藻糖甙酶活性测定及其临床意义
1. 人血液不同成分吸收光谱探讨
（中华物理医学杂志，1998，20（1）： 26）
DNA在不同温度下A260逐渐变大，被称为增 色性，这是由于二条多核苷酸链连续分离，以致 DNA中碱基不再堆积而造成的.
用这种方法可以研究温度、pH、离子强度 和外加小分子对DNA稳定性的影响. DNA的一些 重要性质即用此法解释.（例）
Hale Waihona Puke 6. 结合研究小分子与蛋白质结合，如一种酶的基质与 酶活性部位的结合常使活性部位中（或附近） 的吸收基团产生光谱变化.这种变化常由于结 合使基团暴露于溶剂或该区极性受影响所致. 把所观察到的变化和改变溶剂所得结果比 较，，可得到活性部位结构的信息.（例）
结果
分组
HCC 血管癌 肝囊肿 良性病变 转移肝癌 非HCC恶 性肝肿瘤
例数
101 58 15 11 11 7
AFU活性 AFU阳性 例数
625.6
82
阳性率 81.2
329.9
8
13.8
334.0
2
13.3
308.2
0
0
322.7
1
9
305.7
0
0
第二章 小 结
吸收光谱术的物理基础、吸收光谱仪的基本 构成、吸收光谱术的基本应用
研究方法：
对已确诊的203例各种肝SOL患者及50名正 常人血清-L-岩藻糖甙酶(AFU)活性进行测定， 以寻找AFP以外的HCC生物标记物.
试剂：
对硝基苯基--L-岩藻糖吡喃甙(pNP --L – fuco) 对硝基酚(pNP)
仪器：721型分光光度计
原理：
pNP --L-fuco被AFU水解产生pNP在波 长为405nm处有吸收峰
300 300 275 232 275
290
415 425 350 280 340
415
415
540
540
575
2. 肝脏占位性病变患者血清-L-岩藻糖甙 酶活性测定及其临床意义
（中华医学检验杂志，1990，13（1） ： 2） 杨甲梅等
问题的提出：为什么要做这项研究？
随着现代影像诊断技术的发展,肝脏占位性病 变(SOL)的发现日渐增多,但是对其定性诊断比较困 难,尤其是甲胎蛋白(AFP)阴性肝细胞癌(HCC)与肝 脏其它SOL的鉴别诊断更是亟待解决的课题.
1ml反应体系：
0.25ml 血清、 0.25ml 4mmmol/L pNP --L-fuco 0.5ml 0.2mol/l ph5.2 醋酸缓冲液 混合后，37 ℃ 60min 加中止液 室温 4000r/min；15min 取上清比色
以每毫升血清中的AFU将底物pNP -L-fuco水解释放的pNP的量为相应酶活 性单位，另外做出pNP的标准曲线.
7. 差光谱应用
研究生物大分子溶液时，光谱对环境条件的依 赖性常常很小，但这种微小差别却能说明大分子 的构象变化. 这时通常用双光束，吸收谱仪直接 测定不同环境条件引起的差异，而不是对每一样 品分别测量. 其具体办法是将一个样品放在参比 光路中，而将另一个放在样品光路中. 这时谱仪 对二者之差作出反应，所得之谱即称为差光谱.
一、基本应用
1. 根据吸收光谱确定物质 2. 浓度测定 3. 化学反应的检测 4. 分光光度滴定 5. 构象研究 6. 结合研究 7. 差光谱应用
1. 根据吸收光谱确定物质
许多物质都有其自身的特征吸收光谱.因 此根据吸收光谱可以辨认溶液中是否含有某 种特定物质.
附表中为生物医学研究中常见的各种物 质在中性pH下的吸收峰与摩尔吸收系数之值.
林上忠、陈荣、许少锋
问题的提出：为什么要做这项实验？
近年来激光照射血液治疗方法在国内外逐步应 用于临床,如有报道激光照射血液治疗可抗缺氧,纠 正脂代谢异常,对血液流变学性质,血液的力学和微 循环有改善作用,对机体免疫功能有调节作用等.
这些变化应与血液中的红细胞、血红蛋白、 血小板、淋巴细胞等成份吸收激光照射的能 量有关，人血液中不同成份的吸收光谱曲线 有差异，吸收峰位也不相同，因此在激光照 射血液治疗疾病时，选择不同波长的激光治 疗不同类型的疾病，使相应的细胞或生物分 子活化，对于提高疗效是有利的.
如何设计实验
选择测量对象 分离 测量
结果 1. 全谱 2. 峰位
血清吸收光谱
血浆吸收光谱
血红蛋白吸收光谱
白蛋白吸收光谱
红细胞吸收光谱
淋巴细胞吸收光谱
血小板吸收光谱
血清 血浆 血红 白蛋 红细 淋巴 血小
(nm)
蛋白 白 胞 细胞 板
220 220 215 210 210 215 240
测量时可以作出全谱，或者测不同波长 下吸收度之比(例).
2. 浓度测定
测出吸收度A，则在ε已知的条件下即可算 出浓度.
c A l
为避免非线性因素的影响，应先用标准样 品做一条校正曲线，然后测量样品吸收度，在 校正曲线中直接读出浓度.
有些不易测吸收的物质可通过化学反应使其转 变为易测物质之后再行测定（例）.
可在两个不同波长下测吸收度，得
A1 1X[X]1Y[Y] A2 2X[X]2Y[Y]
3. 化学反应的检测
如果化学反应中的一种反应物在反应过程 中其浓度随之改变，则分光光度法可用于研究 这种反应. 这在研究酶反应中是经常应用的一 种方法（例）.
4. 分光光度滴定
注意从学习过的应用实例中总结如何发现 问题分析并加以解决问题，以及解决问题时思 路拓展的方法.
芳香氨基酸的紫外吸收光谱
研究蛋白质结构时常需了解蛋白质与其可 电离的氨基酸侧链解离时的pK值，这些值常能 说明氨基酸在蛋白质中所处的位置，因为解离 将使其中某一种氨基酸基团的谱改变. 一般来说， 可滴定基团(如酪氨酸的OH基、组氨酸的咪唑 环、半胱氨酸SH基)带电时，λmax与ε值增大. （例）
5. 构象研究
大分子在不同条件下的溶液构象研究 是分子生物学中的一项重要课题. 利用构象 改变时吸收谱的变化可以作为一种研究手 段. 如前面提到极端pH条件下蛋白质的变 性，就常表现在吸收度的变化上.
可定义差摩尔吸收系数Δε为：
ΔA =Δεcl
环境的改变可用多种方法，但溶剂组 成与pH的改变给出的信息最多. （例）
二、临床应用举例
1. 人血液不同成分吸收光谱探讨 2. 肝脏占位性病变患者血清-L-岩
藻糖甙酶活性测定及其临床意义
1. 人血液不同成分吸收光谱探讨
（中华物理医学杂志，1998，20（1）： 26）
DNA在不同温度下A260逐渐变大，被称为增 色性，这是由于二条多核苷酸链连续分离，以致 DNA中碱基不再堆积而造成的.
用这种方法可以研究温度、pH、离子强度 和外加小分子对DNA稳定性的影响. DNA的一些 重要性质即用此法解释.（例）
Hale Waihona Puke 6. 结合研究小分子与蛋白质结合，如一种酶的基质与 酶活性部位的结合常使活性部位中（或附近） 的吸收基团产生光谱变化.这种变化常由于结 合使基团暴露于溶剂或该区极性受影响所致. 把所观察到的变化和改变溶剂所得结果比 较，，可得到活性部位结构的信息.（例）
结果
分组
HCC 血管癌 肝囊肿 良性病变 转移肝癌 非HCC恶 性肝肿瘤
例数
101 58 15 11 11 7
AFU活性 AFU阳性 例数
625.6
82
阳性率 81.2
329.9
8
13.8
334.0
2
13.3
308.2
0
0
322.7
1
9
305.7
0
0
第二章 小 结
吸收光谱术的物理基础、吸收光谱仪的基本 构成、吸收光谱术的基本应用
研究方法：
对已确诊的203例各种肝SOL患者及50名正 常人血清-L-岩藻糖甙酶(AFU)活性进行测定， 以寻找AFP以外的HCC生物标记物.
试剂：
对硝基苯基--L-岩藻糖吡喃甙(pNP --L – fuco) 对硝基酚(pNP)
仪器：721型分光光度计
原理：
pNP --L-fuco被AFU水解产生pNP在波 长为405nm处有吸收峰
300 300 275 232 275
290
415 425 350 280 340
415
415
540
540
575
2. 肝脏占位性病变患者血清-L-岩藻糖甙 酶活性测定及其临床意义
（中华医学检验杂志，1990，13（1） ： 2） 杨甲梅等
问题的提出：为什么要做这项研究？
随着现代影像诊断技术的发展,肝脏占位性病 变(SOL)的发现日渐增多,但是对其定性诊断比较困 难,尤其是甲胎蛋白(AFP)阴性肝细胞癌(HCC)与肝 脏其它SOL的鉴别诊断更是亟待解决的课题.
1ml反应体系：
0.25ml 血清、 0.25ml 4mmmol/L pNP --L-fuco 0.5ml 0.2mol/l ph5.2 醋酸缓冲液 混合后，37 ℃ 60min 加中止液 室温 4000r/min；15min 取上清比色
以每毫升血清中的AFU将底物pNP -L-fuco水解释放的pNP的量为相应酶活 性单位，另外做出pNP的标准曲线.
7. 差光谱应用
研究生物大分子溶液时，光谱对环境条件的依 赖性常常很小，但这种微小差别却能说明大分子 的构象变化. 这时通常用双光束，吸收谱仪直接 测定不同环境条件引起的差异，而不是对每一样 品分别测量. 其具体办法是将一个样品放在参比 光路中，而将另一个放在样品光路中. 这时谱仪 对二者之差作出反应，所得之谱即称为差光谱.
一、基本应用
1. 根据吸收光谱确定物质 2. 浓度测定 3. 化学反应的检测 4. 分光光度滴定 5. 构象研究 6. 结合研究 7. 差光谱应用
1. 根据吸收光谱确定物质
许多物质都有其自身的特征吸收光谱.因 此根据吸收光谱可以辨认溶液中是否含有某 种特定物质.
附表中为生物医学研究中常见的各种物 质在中性pH下的吸收峰与摩尔吸收系数之值.
林上忠、陈荣、许少锋
问题的提出：为什么要做这项实验？
近年来激光照射血液治疗方法在国内外逐步应 用于临床,如有报道激光照射血液治疗可抗缺氧,纠 正脂代谢异常,对血液流变学性质,血液的力学和微 循环有改善作用,对机体免疫功能有调节作用等.
这些变化应与血液中的红细胞、血红蛋白、 血小板、淋巴细胞等成份吸收激光照射的能 量有关，人血液中不同成份的吸收光谱曲线 有差异，吸收峰位也不相同，因此在激光照 射血液治疗疾病时，选择不同波长的激光治 疗不同类型的疾病，使相应的细胞或生物分 子活化，对于提高疗效是有利的.
如何设计实验
选择测量对象 分离 测量
结果 1. 全谱 2. 峰位
血清吸收光谱
血浆吸收光谱
血红蛋白吸收光谱
白蛋白吸收光谱
红细胞吸收光谱
淋巴细胞吸收光谱
血小板吸收光谱
血清 血浆 血红 白蛋 红细 淋巴 血小
(nm)
蛋白 白 胞 细胞 板
220 220 215 210 210 215 240
测量时可以作出全谱，或者测不同波长 下吸收度之比(例).
2. 浓度测定
测出吸收度A，则在ε已知的条件下即可算 出浓度.
c A l
为避免非线性因素的影响，应先用标准样 品做一条校正曲线，然后测量样品吸收度，在 校正曲线中直接读出浓度.
有些不易测吸收的物质可通过化学反应使其转 变为易测物质之后再行测定（例）.