生物物理课件 01.生物物理导论 生物物理学的物理学基础
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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 ，
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。
生物物理学导论1145页PPT
• 布：在膜两侧，电子裁体(如细胞色素和非血红
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
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 ppt课件
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。
PPT课件
18
• 其次，在规划中应抓住起主导作用的领 域重点加以支持。这些领域将带动其它 部分，而将为整个学科的长远发展奠定 坚实的基础。即使在这些领域内也应考 虑我国经济力量及其它条件，抓重点， 分主次，逐步发展，有所为，有所不为。
生物物理学导论
PPT课件
1
生物物理学
• 什么是生物物理？生物物理研究的内容 是什么？
• 生物物理学是用物理学的理论、原理和 实验方法研究生命科学中的问题。也就 是研究生命物质的物理性质、生命过程 的物理和物理化学规律以及物理因素对 生物系统作用机制的科学，是物理学和 生物学相结合而产生的一门边缘学科。
PPT课件
25
• 细胞内的蛋白输运；细胞骨架的研究； 活细胞及其中物质的动态变化研究；外 界物理因素(光、各种波长电磁辐射、压 力、温度等)对生物膜结构与能量传输关 系的研究等等。同时，对膜与细胞在疾
病等不利环境下的变化及其纠正的研究，
以及对人工膜在医学、农业和工业中的 应用研究应给予足够的重视。
PPT课件
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
以时间分辨的荧光、红外、激光拉曼等技术开展溶
液构象与动力学研究；开展分子间相互作用，特别
是生物分子间识别作用的研究和蛋白质折叠过程的
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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18
• 其次，在规划中应抓住起主导作用的领 域重点加以支持。这些领域将带动其它 部分，而将为整个学科的长远发展奠定 坚实的基础。即使在这些领域内也应考 虑我国经济力量及其它条件，抓重点， 分主次，逐步发展，有所为，有所不为。
生物物理学导论
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1
生物物理学
• 什么是生物物理？生物物理研究的内容 是什么？
• 生物物理学是用物理学的理论、原理和 实验方法研究生命科学中的问题。也就 是研究生命物质的物理性质、生命过程 的物理和物理化学规律以及物理因素对 生物系统作用机制的科学，是物理学和 生物学相结合而产生的一门边缘学科。
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25
• 细胞内的蛋白输运；细胞骨架的研究； 活细胞及其中物质的动态变化研究；外 界物理因素(光、各种波长电磁辐射、压 力、温度等)对生物膜结构与能量传输关 系的研究等等。同时，对膜与细胞在疾
病等不利环境下的变化及其纠正的研究，
以及对人工膜在医学、农业和工业中的 应用研究应给予足够的重视。
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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
以时间分辨的荧光、红外、激光拉曼等技术开展溶
液构象与动力学研究；开展分子间相互作用，特别
是生物分子间识别作用的研究和蛋白质折叠过程的
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。
生物物理学的基础知识
生物物理学的基础知识生物物理学是一门研究生物体与物理之间关系的学科，它探讨了生命现象及其机制。
这个学科可以分为两个层面：分子层面和细胞层面。
在分子层面，生物物理学主要探讨生物分子的结构和功能；在细胞层面，生物物理学则研究生物细胞的物理性质和功能。
本文将介绍生物物理学的基础知识，主要涉及细胞膜、蛋白质、DNA等方面的内容。
细胞膜细胞膜是包裹细胞的一层薄膜,它分离了细胞内部和外部环境。
细胞膜由磷脂双层和一些膜蛋白组成。
磷脂双层由两层互相平行的磷脂分子构成，它们的疏水性使得它们会自然排列成一个双层。
膜蛋白则嵌入在磷脂双层中，它们负责控制物质的运输和信号转导。
细胞膜的疏水性使得它不容易让溶剂通过，这就形成了一个物理屏障。
细胞如何通过屏障来实现物质运输呢？这就要依靠膜蛋白了。
膜蛋白可以在膜上形成通道，从而让水分子和离子等物质通过。
这个过程叫做扩散，它遵循着浓度梯度方向，从高浓度到低浓度。
膜蛋白还可以通过被激活来完成特定的任务，比如把一些离子从细胞内部转运到细胞外部。
这个过程叫做转运，它可以用来维持细胞内外环境的平衡，同时也是许多药物的靶点。
蛋白质蛋白质是细胞中最重要的分子之一。
它们构成了细胞内的骨架、肌肉、酶和激素等重要组分。
这些蛋白质均由氨基酸构成，有些重要的氨基酸如Lys、Asp和Arg等具有荷电性，会在蛋白质的折叠过程中决定蛋白质的形态和性质。
蛋白质的折叠是生物物理学中一个重要的研究领域。
蛋白质的折叠决定它们的功能,如果蛋白质折叠不正确，它们的功能也会受到影响,比如引起肌肉无力、多发性硬化和帕金森氏症等疾病。
DNADNA是细胞遗传的基础。
DNA由四种碱基、糖和磷酸组成，可以形成双螺旋结构。
基因是DNA中编码蛋白质的单位。
这些基因以一定的顺序排列到染色体中，组成个人的基因组。
DNA的空间结构也是生物物理学中一个重要的研究领域。
DNA在细胞内缠绕起来形成染色体。
染色体的组合方式是非常有序的，不同的染色体在细胞周期不同的阶段有不同的状态，这些状态的变化是由很多基因共同控制的。
生物物理课1-2
生物膜的基本组成
细胞内膜系统：
与原核细胞不同， 真核细胞具有复 杂的内膜系统， 即细胞质中有许 多膜性细胞器 (membranebound organelle)。
细胞内膜系统：线粒体
线粒体(mitochondria)是真核细胞的能量转换系统。线 粒体具有高度特异化的两层膜结构，即外膜(outer membrane)和内膜(inner membrane)，其直径约1m。 线粒体外膜含有大量的孔道蛋白(porin), 它们穿越磷脂 双分子层形成大的水溶性的通道。这些通道对于分子量小 于10kd的分子是自由通透的。 线粒体内膜以高度折叠的形式形成嵴(cristae)状结构， 以增加总的内表面积。线粒体内膜蛋白质的含量很高，按 重量计算，蛋白质约占70％，脂类约占30％。 内膜上的 许多蛋白质是与其能量转换功能相关的，一组是呼吸链电 子传递酶复合体，其功能是引导电子有序地从一个载体蛋 白传递到另一个载体蛋白；另一组是ATP合成酶复合体， 用于催化ATP的合成。
Spectrin molecules from human red blood cells
Each spectrin heterodimer consists of two antiparallel polypeptide chains.
Spectrin-based cytoskeleton on the cytoplasmic side of the human red blood cell membrane
细胞内膜系统：溶酶体
溶酶体(lysosome)是细胞内主要的消化系统，内含大量 的酸性水解酶(包括磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖苷 酶等)，用于把多肽、多糖、多聚核苷酸、糖脂等水解成单 体。
溶酶体内水解酶的最适pH值为5，这个低pH值微环境 是由溶酶体膜上的质子ATP酶维持的。
《生物物理课》课件
生物物理在环境保护领域的应用前景
1 2
生态毒理学
研究环境污染对生态系统的物理和化学影响，评 估环境风险和制定相应的环境保护策略。
生态修复
利用生物物理的方法和技术，修复受损的生态系 统，提高生态系统的稳定性和可持续性。
3
Байду номын сангаас
资源利用与可持续发展
研究如何合理利用自然资源，实现经济、社会和 环境的可持续发展，例如能源利用和废物处理等 。
生物系统的信息传递和调控
研究生物体内信息传递和调控的机制，如光合作用、听觉、触觉等 感知觉的物理过程，以及神经系统的信息处理和传递。
生物物理的应用
医学影像技术
药物设计和筛选
利用X射线、超声、磁共振等物理手段进行 医学影像诊断，为临床治疗提供重要依据 。
通过研究药物与生物大分子的相互作用， 利用计算机模拟等技术进行药物设计和筛 选，提高药物研发的效率和成功率。
01
02
03
细胞膜电学特性
细胞膜具有选择通透性， 能够控制带电粒子进出细 胞，维持细胞内外电荷平 衡。
跨膜电位
细胞膜内外存在的电位差 ，是细胞进行生物电活动 的基础，对维持细胞正常 功能具有重要意义。
离子通道
细胞膜上存在各种离子通 道，控制特定离子的通透 性，参与细胞的兴奋传导 和信息传递过程。
细胞的电磁场
生物系统的物理规律
生物系统的力学规律
生物力学
研究生物体内力学规律的科学 ，主要关注生物运动、器官功 能和生长等方面的力学特性。
骨骼力学
骨骼是生物体内重要的力学结 构，其设计和功能与生物的运 动和生存密切相关。
肌肉力学
肌肉是生物体内实现运动和功 能的关键组织，其力学特性和 工作机制对生物的运动和行为 至关重要。
生物与生理的物理化学基础课件
6
平衡态热力学
• 热力学的基本概念 • 热力学第一定律 • 热力学第二定律
7
1.1平衡态热力学
热现象是与温度有关的、使物质性质发生改变的基本现象。 从微观上看，热现象是组成物体的微粒做一种永不停息的、 无规则的热运动的结果。 人们对热现象不断地分析、归纳，总结出热现象的宏观理 论——热力学。
• 热力学是研究热现象的宏观理论。 • 经典热力学是唯象的理论。
（1）容量性质状态函数 此类参数的数值与系统中物质的量成正比，即整个系统的 容量性质状态参数的数值，是系统各部分该参数数值的总 和。例如，一杯水的体积是各部分体积的总和，所以体积 是容量性质状态参数。其他如质量、热容量等也均是容量 性质状态参数。
（2）强度性质状态函数 此类参数的数值与系统中物质的量无关，即整个系统的强 度性质状态参数的数值与系统各部分该参数的数值相同。 例如，一杯水的温度与水的数量无关，各部分水的温度与 整杯水的温度是同一数值，所以温度是强度性质状态参数。 其他如压力、比容、密度等等亦是强度性质状态参数。
• 相互作用能主要指系统内部具有克服粒子间相互 作用力所形成的粒子位能，也称系统的内位能， 它是比容和温度的函数；
17
• 系统的热力学能是其质量、温度和比容的 函数，也是一个状态函数，通常用U表示， 单位为焦耳（J）。
U=f(m,T,v)
• 由此可见，热力学能具有以下性质：
（1）系统的状态一定时，其热力学能是一单值 函数；
10
•在热力学的研究中，作为研究对象的物质及 其发生变化的范围必需作出明确的规定。此
范围称之为系统，而在系统以外、与系统密 切相关且影响所及的部分称之为环境。
•系统与环境的关系：三类系统
孤立系统，与环境无能量和物质的交换；
平衡态热力学
• 热力学的基本概念 • 热力学第一定律 • 热力学第二定律
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1.1平衡态热力学
热现象是与温度有关的、使物质性质发生改变的基本现象。 从微观上看，热现象是组成物体的微粒做一种永不停息的、 无规则的热运动的结果。 人们对热现象不断地分析、归纳，总结出热现象的宏观理 论——热力学。
• 热力学是研究热现象的宏观理论。 • 经典热力学是唯象的理论。
（1）容量性质状态函数 此类参数的数值与系统中物质的量成正比，即整个系统的 容量性质状态参数的数值，是系统各部分该参数数值的总 和。例如，一杯水的体积是各部分体积的总和，所以体积 是容量性质状态参数。其他如质量、热容量等也均是容量 性质状态参数。
（2）强度性质状态函数 此类参数的数值与系统中物质的量无关，即整个系统的强 度性质状态参数的数值与系统各部分该参数的数值相同。 例如，一杯水的温度与水的数量无关，各部分水的温度与 整杯水的温度是同一数值，所以温度是强度性质状态参数。 其他如压力、比容、密度等等亦是强度性质状态参数。
• 相互作用能主要指系统内部具有克服粒子间相互 作用力所形成的粒子位能，也称系统的内位能， 它是比容和温度的函数；
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• 系统的热力学能是其质量、温度和比容的 函数，也是一个状态函数，通常用U表示， 单位为焦耳（J）。
U=f(m,T,v)
• 由此可见，热力学能具有以下性质：
（1）系统的状态一定时，其热力学能是一单值 函数；
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•在热力学的研究中，作为研究对象的物质及 其发生变化的范围必需作出明确的规定。此
范围称之为系统，而在系统以外、与系统密 切相关且影响所及的部分称之为环境。
•系统与环境的关系：三类系统
孤立系统，与环境无能量和物质的交换；