生物分子的相互作用

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§4.4 氢键
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氢键相对强度比较弱，一般在40kJ/mol以 下，而共价键一般都是数百kJ/mol。单个氢键 很容易被热扰动所破坏，但它们数量很大，故 在稳定水结构和蛋白、核酸结构方面都有极其 重要的意义。
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广义的范德华力：偶极相互作用、诱导相互 作用、色散相互作用 狭义的范德华力：色散相互作用
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两个非极性分子之间也存在相互的吸引，这 种吸引主要是色散相互作用。 一个非极性分子没有永久偶极矩，但由于电 子的运动，他可以有一个瞬时非零的偶极矩，但 在测量的时间间隔内平均偶极矩为零。这种瞬时 偶极矩诱导相邻分子产生诱导偶极矩，从而在分 之间产生相互吸引。 London推出，两分子将色散相互作用的近似 表达式：
§4.5 水化作用和疏水相互作用
§4.5.1 离子的水化作用
盐溶于水后发生了明显的物理变化。 •CaCl2溶于水后，盐溶液的比热比水小 •NaCl2溶于水后，总体积缩小 离子水化模型：
•I区：初级水化层，与阳离子结合在一起作 整体移动，数目取决于阳离子种类
•II区：无结构水，结构程度最小
•III区：体积水，正常的微晶结构水
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§4.1.2 δ键与π键
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§4.1.3 共轭分子与离域π键 共轭分子是有机分子中一类最为重要的的分子， 其特征为分子中有离域的π键（大π键） 共轭分子的特点： 1. 交替排列的单键和双键
2. 整体性
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§4.1 共价键
原子通过共有电子对而结合的化学键，叫共价键。 由于电子的微观属性，共价键的形成不能简单的 用库仑静电相互作用来说明，只有用量子力学处理， 才能给出合理解释。
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§4.1.1 原子轨道
量子力学中，我们采取一个函数表示描写 粒子的波，称为波函数。 处于原子核的中心对称势场中的电子稳态 波函数，或电子波函数的空间分布ψ称为原子 轨道。 |ψ|2dτ表示电子在体元dτ内的出现几率， 故|ψ|2为几率密度，或称电子云密度。
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§4.5.2 疏水相互作用
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中性分子或基团在电场E的作用下，产生的诱 导偶极矩μi为： μi ＝αE 诱导偶极子在电场中具有的电势能为：
U= －μi· E＝－αE2
α为介质的极化率
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§4.2.5 短程排斥相互作用 前面我们讨论的电相互作用可以形成稳定 化势能或去稳定化势能。而短程排斥作用总是 去稳定性的。 原子中心为带正电荷的原子核，在其周围 环绕着轨道电子云。当原子结合成分子后，无 论其结构如何复杂，总存在一个带负电的电子 外壳。当两个分子过分接近时，则围绕着分子 的电子云相互作用，产生斥力，这个斥力来自 库仑力。
q U 3 ( r ) r
y q r θ +q’ -q’
x
μ
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§4.2.3 偶极—偶极相互作用
1 3( 1 r )( 2 r ) U 3 [ 1 2 ], 2 r r
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第四章 生物分子的相互作用
生物分子中原子或基团间、分子与分子间存在各 种相互作用，用化学语言说，就是存在各种主键（共 价键）和次级键（库仑力、极化力、氢键和疏水键）， 对确定生物分子的结构和功能产生影响。
主键：强相互作用，热稳定
次级键：弱相互作用，单独或少数次级键将由热 运动而被破坏。但大量次级键决定生物大分子的空间 结构，既可保持稳定性，又有较大的灵活易变性。
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通过求解Schrodinger方程，可知不同的原子轨道 可用一组量子数表示： 主量子数n: n=1, 2, 3, ……
K,L,M, ……
角量子数l: l=0, 1, 2, 3,…… s, p, d, f, …… 轨道磁量子数ml: ml=-l, -l+1, …, 0 , …, l-1, l 自旋量子数s: s=1/2 自旋磁量子数ms: ms=-1/2, 1/2
3. “键的平均化“ 4. 稳定性 5. pπ轨道彼此平行
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§4.2 静电相互作用
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§4.2.1 电荷—电荷相互作用
q1q2 q1q2 F 3 r , U= r r

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§4.2.2 电荷—偶极相互作用
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由于分子的形状和大小各不相同，还没有全 面的理论来处理短程相互作用。但讨论几个一般 性的特征还是可能的。
上面讨论的各种吸引相互作用都可以写成依 赖于距离的相互作用能的形式： UA= －A/ra 是中A、a为取决于不同相互作用的特定常数，根 据前面讨论，a在1－6之间，而A则包含由介电系 数和极化率等。 类似的，可以写出短程相互作用能为： UB＝+B/rb 式中B和b为常数，b可用分子束散射实验测 定，B由原子或基团的半径和确定。
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当分子距离很近时，总相互作用能为：
B A Ut b a r r
对r求微分并致结果为0，得到分子的平衡位置
bB r0 ( ) aA A a U t 0 a (1 ) r0 b
1 ba
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UB
0 U
r0
Ut
U0
l r
r μ1
μ2
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§4.2.4 电场诱导相互作用 以上讨论的相互作用，都涉及电荷的非对称分 布，即正、负电荷的重心不重合，由于正负电荷吸 引而在电场中储存能量。 正负电荷重心重合的中性分子或基团，在外电 场的诱导下，亦会出现极化现象，从而形成诱导偶 极子。诱导偶极子与电场相互作用而储存能量，这 种相互作用称为电场的诱导相互作用。 电场的诱导相互作用包括电荷－诱导偶极相 互作用和偶极－诱导偶极相互作用。
3 I1I 2 1 U 1 2 6 2 I1 I 2 r
I1, I2为两个分子的电离能，α1, α2为两个分子的极化 率
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色散力一般比较弱，但在非极性分子间，这种相互作 用占主导地位。 以下两个效应可以使色散相互作用得到加强： 1. 累加效应：一个分子可以有多个瞬时偶极矩，他 们都可以诱导另一个分子产生一个偶极矩，总的 相互作用是一种累加效应。 2. 位相效应：当两个分子相同时，具有相同的固有 频率，故瞬时偶极矩能够精确的同位相，从而产 生最大的相互作用。即，色散相互作用倾向于把 类似的分子拉到一起，产生稳定由相同亚单位组 成的大分子。
UA
Ut=UA+UB
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在平衡位置，考虑短程排斥后， 原来的UA乘以一个修正系数（1-a/b） 就可以得到修正。 上面假定只有一个吸引作用，若 有两个或更多的吸引力，则UA= －A/ra 有更多的项。
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§4.3 色散相互作用
早在1873年，Van der Waals就注意到在物质 的聚集态中，分子间存在一种远比化学键弱的吸 引力，这种引力是导致实际气体不完全符合理想 气体定律的原因之一，后人因此把分子间的引力 称为范德华力。