1、生物物理學(xué)蔡 祿2005.3緒論緒論一、什么是生物物理學(xué)？一、什么是生物物理學(xué)？(Biophysics)確切定義難以回答，原因有三：確切定義難以回答，原因有三：第一：學(xué)科跨度大。包括數(shù)學(xué)、物理、信息及技術(shù)等第一：學(xué)科跨度大。包括數(shù)學(xué)、物理、信息及技術(shù)等第二：從事背景不同，切入點差別較大第二：從事背景不同，切入點差別較大第三：學(xué)科間交叉、重疊較大，界限不明第三：學(xué)科間交叉、重疊較大，界限不明簡明定義：簡明定義：“生物物理學(xué)是物理學(xué)與生物學(xué)相互結(jié)合產(chǎn)生的一門交生物物理學(xué)是物理學(xué)與生物學(xué)相互結(jié)合產(chǎn)生的一門交叉學(xué)科，它是研究生命物質(zhì)的物理性質(zhì)、生命過程的物理與物理叉學(xué)科，它是研究生命物質(zhì)的物理性質(zhì)、生

2、命過程的物理與物理化學(xué)規(guī)律以及物理因素對生命系統(tǒng)作用機(jī)制的一門新興學(xué)科。化學(xué)規(guī)律以及物理因素對生命系統(tǒng)作用機(jī)制的一門新興學(xué)科。生物物理學(xué)產(chǎn)生的背景：生物物理學(xué)產(chǎn)生的背景：1、研究復(fù)雜運動的生命現(xiàn)象是以研究簡單運動的物理學(xué)為基礎(chǔ)的、研究復(fù)雜運動的生命現(xiàn)象是以研究簡單運動的物理學(xué)為基礎(chǔ)的2、諸如核能利用、輻射、污染、人口問題等需要物理學(xué)規(guī)律的應(yīng)、諸如核能利用、輻射、污染、人口問題等需要物理學(xué)規(guī)律的應(yīng)用用3、生命現(xiàn)象極端復(fù)雜，需要各相關(guān)學(xué)科工作者協(xié)同工作、生命現(xiàn)象極端復(fù)雜，需要各相關(guān)學(xué)科工作者協(xié)同工作二、生物物理學(xué)的發(fā)展二、生物物理學(xué)的發(fā)展1、過去、過去1.1 自然科學(xué)各門類之間的關(guān)系自然科學(xué)各門類

3、之間的關(guān)系 最早，各門類界限不明顯，統(tǒng)稱最早，各門類界限不明顯，統(tǒng)稱“自然哲學(xué)家自然哲學(xué)家” 逐漸地，誕生了物理、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)等獨立學(xué)科。逐漸地，誕生了物理、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)等獨立學(xué)科。 強(qiáng)調(diào)學(xué)科差異對學(xué)科發(fā)展起了重要推動作用，同時也不應(yīng)該忽略各學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)科差異對學(xué)科發(fā)展起了重要推動作用，同時也不應(yīng)該忽略各學(xué)科間的聯(lián)系?？崎g的聯(lián)系。 所謂所謂“交叉學(xué)科交叉學(xué)科”、“邊緣學(xué)科邊緣學(xué)科”意即如此意即如此 物理物理+化學(xué)化學(xué)物理化學(xué)物理化學(xué) 化學(xué)化學(xué)+生物生物生物化學(xué)生物化學(xué) 生物生物+物理物理生物物理生物物理1.2 早期的生物物理學(xué)早期的生物物理學(xué) 17世紀(jì)，世紀(jì)，Kirch

4、er描述過生物發(fā)光現(xiàn)象描述過生物發(fā)光現(xiàn)象 da vinci研究過鳥的飛行問題研究過鳥的飛行問題 18世紀(jì)，世紀(jì)，Galvani研究了肌肉收縮與電刺激的關(guān)系研究了肌肉收縮與電刺激的關(guān)系 19世紀(jì)，世紀(jì)，Mayer研究熱、功與生理過程關(guān)系，建立了能量守恒定律研究熱、功與生理過程關(guān)系，建立了能量守恒定律 Helmholtz研究了肌肉收縮，測定了神經(jīng)脈沖的傳導(dǎo)速度研究了肌肉收縮，測定了神經(jīng)脈沖的傳導(dǎo)速度但這一時期的研究受到物理學(xué)理論、實驗技術(shù)的制約，總體水平很低。但這一時期的研究受到物理學(xué)理論、實驗技術(shù)的制約，總體水平很低。1.3 近代生物物理學(xué)近代生物物理學(xué) 20世紀(jì)世紀(jì),物理學(xué)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展物

5、理學(xué)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展(相對論、量子力學(xué)、相對論、量子力學(xué)、基本粒子理論、凝聚態(tài)物理、非平衡統(tǒng)計物理基本粒子理論、凝聚態(tài)物理、非平衡統(tǒng)計物理)，奠定，奠定了生物物理發(fā)展的理論基礎(chǔ)。一些物理技術(shù)了生物物理發(fā)展的理論基礎(chǔ)。一些物理技術(shù)(X-射線，射線，NMR，透射電鏡，透射電鏡，AFM，激光，圖像技術(shù)，激光，圖像技術(shù))給生物物理學(xué)發(fā)展給生物物理學(xué)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的手段。提供了強(qiáng)有力的手段。 除了理論和技術(shù)條件外，一些具有遠(yuǎn)見卓識的科學(xué)家的推除了理論和技術(shù)條件外，一些具有遠(yuǎn)見卓識的科學(xué)家的推動對生物物理學(xué)的發(fā)展也起到了重要的作用。動對生物物理學(xué)的發(fā)展也起到了重要的作用。2、現(xiàn)在、現(xiàn)在2.1 國外生物

6、物理學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀國外生物物理學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀(jì)世紀(jì)50年代，美、日、英、蘇相繼建立了年代，美、日、英、蘇相繼建立了“生物物理學(xué)生物物理學(xué)會會”，許多著名高校都設(shè)立了，許多著名高校都設(shè)立了“生物物理系生物物理系”、“分子生分子生物物理系物物理系”。美國許多名校將。美國許多名校將“生理系生理系”改名為改名為“生理與生理與生物物理系生物物理系”，“生物化學(xué)系生物化學(xué)系”改名為改名為“生物化學(xué)與生物生物化學(xué)與生物物理系物理系”。 “國際生物物理聯(lián)合會國際生物物理聯(lián)合會”(International Union for Pure and Applied Biophysics, IUPAB)，成立于，成立

7、于1961年，年，3年年1次學(xué)術(shù)次學(xué)術(shù)大會。大會。2.2 國內(nèi)生物物理學(xué)的發(fā)展國內(nèi)生物物理學(xué)的發(fā)展 1958年，中科院生物物理所成立標(biāo)志著我國開始發(fā)展這門學(xué)年，中科院生物物理所成立標(biāo)志著我國開始發(fā)展這門學(xué)科。幾乎同時，中國科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、北京大學(xué)、中國科。幾乎同時，中國科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、北京大學(xué)、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院、北京醫(yī)科大學(xué)、上海醫(yī)科大學(xué)、北京農(nóng)業(yè)大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)院、北京醫(yī)科大學(xué)、上海醫(yī)科大學(xué)、北京農(nóng)業(yè)大學(xué)相繼成立了生物物理專業(yè)或教研室。相繼成立了生物物理專業(yè)或教研室。 1980年，全國生物物理學(xué)會正式成立年，全國生物物理學(xué)會正式成立 1982年，我國正式加入年，我國正式加入IUPAB 19

8、85年，年，“生物物理學(xué)報生物物理學(xué)報”創(chuàng)刊創(chuàng)刊 下設(shè)下設(shè)11個專業(yè)委員會：個專業(yè)委員會： 分子生物物理學(xué)、膜與細(xì)胞生物物理、感官與神經(jīng)生物物理、分子生物物理學(xué)、膜與細(xì)胞生物物理、感官與神經(jīng)生物物理、生物信息論與控制論、理論生物物理、光生物物理、環(huán)境生生物信息論與控制論、理論生物物理、光生物物理、環(huán)境生物物理、生物流變學(xué)、生物物理儀器與技術(shù)、自由基生物學(xué)物物理、生物流變學(xué)、生物物理儀器與技術(shù)、自由基生物學(xué)和生物數(shù)學(xué)。和生物數(shù)學(xué)。 我國開始建立生物物理學(xué)科的時間和其它各國相差不遠(yuǎn)，包我國開始建立生物物理學(xué)科的時間和其它各國相差不遠(yuǎn)，包含的分支也和國際現(xiàn)狀相近。雖然在各領(lǐng)域（生物大分子結(jié)含的分支也

9、和國際現(xiàn)狀相近。雖然在各領(lǐng)域（生物大分子結(jié)構(gòu)、膜生物物理、視覺與神經(jīng)生物物理、理論生物物理等）構(gòu)、膜生物物理、視覺與神經(jīng)生物物理、理論生物物理等）做出了很好的工作，但和發(fā)達(dá)國家相比，差距很大。做出了很好的工作，但和發(fā)達(dá)國家相比，差距很大。2.3 生物物理學(xué)在近代生命科學(xué)中的地位生物物理學(xué)在近代生命科學(xué)中的地位 物理學(xué)的理論和技術(shù)對生命科學(xué)的沖擊物理學(xué)的理論和技術(shù)對生命科學(xué)的沖擊使生物學(xué)面貌發(fā)生了根本改變，分子生使生物學(xué)面貌發(fā)生了根本改變，分子生物學(xué)的出現(xiàn)是近代生物學(xué)發(fā)展史上的一物學(xué)的出現(xiàn)是近代生物學(xué)發(fā)展史上的一件劃時代的大事，這是物理和生物學(xué)相件劃時代的大事，這是物理和生物學(xué)相互促進(jìn)啟發(fā)的典型

10、事例。正是物理學(xué)家互促進(jìn)啟發(fā)的典型事例。正是物理學(xué)家Crick和生物學(xué)家和生物學(xué)家Watson在晶體物理學(xué)在晶體物理學(xué)家夫蘭克林、威爾金斯關(guān)于家夫蘭克林、威爾金斯關(guān)于DNA晶體結(jié)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，密切合作提出了正確構(gòu)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，密切合作提出了正確的的DNA雙螺旋模型。在這一時代，許多雙螺旋模型。在這一時代，許多其他杰出的物理學(xué)家如薛定諤、德爾布其他杰出的物理學(xué)家如薛定諤、德爾布呂克、呂克、Gamow等在認(rèn)識遺傳物質(zhì)等在認(rèn)識遺傳物質(zhì)DNA、破譯遺傳密碼等過程中都起了重要作用。破譯遺傳密碼等過程中都起了重要作用。 一些生物物理技術(shù)如：一些生物物理技術(shù)如：NMR、電鏡、電鏡、中子衍射、圓二色（

11、中子衍射、圓二色（CD）、紅外、拉曼、）、紅外、拉曼、熒光光譜等技術(shù)及相應(yīng)的計算與分析方熒光光譜等技術(shù)及相應(yīng)的計算與分析方法，并結(jié)合其它分子生物學(xué)和生物化學(xué)法，并結(jié)合其它分子生物學(xué)和生物化學(xué)的手段，產(chǎn)生了在分子水平深入研究生的手段，產(chǎn)生了在分子水平深入研究生命現(xiàn)象的現(xiàn)代生物學(xué)科。命現(xiàn)象的現(xiàn)代生物學(xué)科。3、未來、未來 20世紀(jì)的生物物理學(xué)成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，許多領(lǐng)域還有許世紀(jì)的生物物理學(xué)成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，許多領(lǐng)域還有許多亟待解決的問題。如：基因組計劃后的生物信息學(xué)分多亟待解決的問題。如：基因組計劃后的生物信息學(xué)分析、生物大分子動態(tài)結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測、膜蛋白構(gòu)象的高析、生物大分子動態(tài)結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測、膜蛋白構(gòu)象的

12、高分辨率測定等。分辨率測定等。 20世紀(jì)，生命科學(xué)一再細(xì)分為許多分支學(xué)科，從最初的世紀(jì)，生命科學(xué)一再細(xì)分為許多分支學(xué)科，從最初的解剖學(xué)、生理學(xué)、藥理學(xué)、病理學(xué)，到陸續(xù)出現(xiàn)的組織解剖學(xué)、生理學(xué)、藥理學(xué)、病理學(xué)，到陸續(xù)出現(xiàn)的組織學(xué)、遺傳學(xué)、胚胎學(xué)、生物化學(xué)、免疫學(xué)、病理生理學(xué)，學(xué)、遺傳學(xué)、胚胎學(xué)、生物化學(xué)、免疫學(xué)、病理生理學(xué)，進(jìn)而從與物理和化學(xué)的結(jié)合出現(xiàn)了分子生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、進(jìn)而從與物理和化學(xué)的結(jié)合出現(xiàn)了分子生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生物物理學(xué)、分子遺傳學(xué)。生物物理學(xué)、分子遺傳學(xué)。21世紀(jì)生命科學(xué)各科間的界世紀(jì)生命科學(xué)各科間的界限將逐漸消失。人們常說的限將逐漸消失。人們常說的21世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)是世紀(jì)是

13、生命科學(xué)的世紀(jì)是指各學(xué)科在共同攻克生命過程的機(jī)理及其應(yīng)用中將發(fā)揮指各學(xué)科在共同攻克生命過程的機(jī)理及其應(yīng)用中將發(fā)揮重大作用，而不是依靠某一門學(xué)科就能解決一切問題。重大作用，而不是依靠某一門學(xué)科就能解決一切問題。 21世紀(jì)，物理學(xué)也會在與生物學(xué)交叉過程中得到進(jìn)一世紀(jì)，物理學(xué)也會在與生物學(xué)交叉過程中得到進(jìn)一步完善和新生。步完善和新生。 三、生物物理學(xué)各領(lǐng)域簡介三、生物物理學(xué)各領(lǐng)域簡介(一一)分子生物物理分子生物物理 是生物物理學(xué)中最基本和最重要的分支，運用物理學(xué)理是生物物理學(xué)中最基本和最重要的分支，運用物理學(xué)理論與技術(shù)研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、溶液構(gòu)象及其動力學(xué)過程，論與技術(shù)研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、溶液構(gòu)

14、象及其動力學(xué)過程，分子間的相互作用、物理性質(zhì)的變化與生物學(xué)功能的關(guān)系。分子間的相互作用、物理性質(zhì)的變化與生物學(xué)功能的關(guān)系。目的在于從分子水平闡明生命過程的機(jī)理。目的在于從分子水平闡明生命過程的機(jī)理。 生物大分子及其復(fù)合物的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系研究是生物大分子及其復(fù)合物的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系研究是其核心問題。核酸、蛋白質(zhì)等大分子的結(jié)構(gòu)是其行使生物功其核心問題。核酸、蛋白質(zhì)等大分子的結(jié)構(gòu)是其行使生物功能的基礎(chǔ)。能的基礎(chǔ)。X-射線晶體衍射技術(shù)起重要作用，結(jié)構(gòu)的空間分射線晶體衍射技術(shù)起重要作用，結(jié)構(gòu)的空間分辨率及研究對象的復(fù)雜化等方面取得了長足進(jìn)展，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)辨率及研究對象的復(fù)雜化等方面取得了長足進(jìn)展，

15、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)指數(shù)増長（指數(shù)増長（PDB）。如轉(zhuǎn)錄因子、）。如轉(zhuǎn)錄因子、DNA聚合酶、聚合酶、RNA聚合聚合酶結(jié)構(gòu)的獲得是典型的例子。酶結(jié)構(gòu)的獲得是典型的例子。 X-射線晶體衍射技術(shù)要求得到穩(wěn)定的大分子晶體，這射線晶體衍射技術(shù)要求得到穩(wěn)定的大分子晶體，這和活體的狀態(tài)顯然有一定差距。和活體的狀態(tài)顯然有一定差距。20世紀(jì)世紀(jì)70年代，發(fā)展了年代，發(fā)展了NMR技術(shù)，利用分子間的相互作用，通過測定分子間的距技術(shù)，利用分子間的相互作用，通過測定分子間的距離來測定結(jié)構(gòu)。離來測定結(jié)構(gòu)。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代，結(jié)構(gòu)研究進(jìn)入動力學(xué)階段。生物年代，結(jié)構(gòu)研究進(jìn)入動力學(xué)階段。生物大分子結(jié)構(gòu)大分子結(jié)構(gòu) 動力學(xué)研究已經(jīng)成為當(dāng)前

16、分子生物物理動力學(xué)研究已經(jīng)成為當(dāng)前分子生物物理研究的主要趨勢。研究的主要趨勢。 近年來，形成了一門新的分支近年來，形成了一門新的分支結(jié)構(gòu)生物學(xué)。結(jié)構(gòu)生物學(xué)。目的是滿足生物分子結(jié)構(gòu)研究快速發(fā)展的需求，引目的是滿足生物分子結(jié)構(gòu)研究快速發(fā)展的需求，引導(dǎo)結(jié)構(gòu)研究從單純描述向功能研究如：分子相互作導(dǎo)結(jié)構(gòu)研究從單純描述向功能研究如：分子相互作用、蛋白質(zhì)折疊、結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究等。用、蛋白質(zhì)折疊、結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究等。(二二) 膜與細(xì)胞生物物理膜與細(xì)胞生物物理 研究膜的分子動力學(xué)研究膜的分子動力學(xué),如膜脂運動、構(gòu)象，膜蛋白如膜脂運動、構(gòu)象，膜蛋白運動與構(gòu)象，膜脂與膜蛋白相互作用，細(xì)胞識別機(jī)運動與構(gòu)象，膜脂與

17、膜蛋白相互作用，細(xì)胞識別機(jī)制與信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)系，通道蛋白構(gòu)象及其離子制與信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)系，通道蛋白構(gòu)象及其離子通透機(jī)制，細(xì)胞內(nèi)蛋白運輸，細(xì)胞骨架，細(xì)胞通訊通透機(jī)制，細(xì)胞內(nèi)蛋白運輸，細(xì)胞骨架，細(xì)胞通訊等等。等等。(五五) 理論生物物理理論生物物理 是運用理論物理學(xué)研究生命現(xiàn)象的一個領(lǐng)域，包是運用理論物理學(xué)研究生命現(xiàn)象的一個領(lǐng)域，包括量子生物學(xué)和分子動力學(xué)等微觀方面的研究，也括量子生物學(xué)和分子動力學(xué)等微觀方面的研究，也包括對進(jìn)化、遺傳、生命起源、腦的功能以及生物包括對進(jìn)化、遺傳、生命起源、腦的功能以及生物系統(tǒng)的復(fù)雜性等宏觀方面的研究。系統(tǒng)的復(fù)雜性等宏觀方面的研究。(三三) 感官與神經(jīng)生物物理感

18、官與神經(jīng)生物物理 研究內(nèi)容為神經(jīng)遞質(zhì)、受體與離子通道、感覺信研究內(nèi)容為神經(jīng)遞質(zhì)、受體與離子通道、感覺信息加工的神經(jīng)生物學(xué)、腦的高級功能和行為及其神息加工的神經(jīng)生物學(xué)、腦的高級功能和行為及其神經(jīng)機(jī)制、神經(jīng)系統(tǒng)的計算理論與模型以及神經(jīng)信號經(jīng)機(jī)制、神經(jīng)系統(tǒng)的計算理論與模型以及神經(jīng)信號和腦活動的物理測量技術(shù)研究等。和腦活動的物理測量技術(shù)研究等。(四四) 生物控制論與生物信息學(xué)生物控制論與生物信息學(xué) 綜合生物學(xué)知識實驗結(jié)果提出信息加工處理、調(diào)綜合生物學(xué)知識實驗結(jié)果提出信息加工處理、調(diào)控原理、構(gòu)建模型等?？卦?、構(gòu)建模型等。(六六) 光生物物理光生物物理 主要研究可見光和紫外線生物學(xué)作用的光物理機(jī)制，主要

19、研究可見光和紫外線生物學(xué)作用的光物理機(jī)制，包括光合作用的原初過程，視紫紅質(zhì)原初過程及其包括光合作用的原初過程，視紫紅質(zhì)原初過程及其與菌紫質(zhì)的比較研究，光動力學(xué)作用，生物發(fā)光以與菌紫質(zhì)的比較研究，光動力學(xué)作用，生物發(fā)光以及激光生物物理研究。及激光生物物理研究。(七七) 輻射生物物理輻射生物物理 著重研究電離輻射及各種非電離輻射對生物體系作著重研究電離輻射及各種非電離輻射對生物體系作用的原初過程以及對生物大分子和細(xì)胞的作用機(jī)理。用的原初過程以及對生物大分子和細(xì)胞的作用機(jī)理。 在輻射作用機(jī)制中，自由基的產(chǎn)生及其作用又是一在輻射作用機(jī)制中，自由基的產(chǎn)生及其作用又是一個重要方面，而且自由基的作用還涉及正

20、常生理和個重要方面，而且自由基的作用還涉及正常生理和病理過程，因此又形成了自由基生物學(xué)和醫(yī)學(xué)這樣病理過程，因此又形成了自由基生物學(xué)和醫(yī)學(xué)這樣一個分支。一個分支。 此外，不同波段電磁波及不同強(qiáng)度的電場和磁場的此外，不同波段電磁波及不同強(qiáng)度的電場和磁場的效應(yīng)不同，細(xì)胞本身也產(chǎn)生電磁輻射，需要從作用效應(yīng)不同，細(xì)胞本身也產(chǎn)生電磁輻射，需要從作用機(jī)理上研究，這是生物電磁學(xué)的任務(wù)。機(jī)理上研究，這是生物電磁學(xué)的任務(wù)。(八八) 生物力學(xué)和生物流變學(xué)生物力學(xué)和生物流變學(xué) 生物力學(xué)是在原有的生理學(xué)、解剖學(xué)等一般描述生物力學(xué)是在原有的生理學(xué)、解剖學(xué)等一般描述的基礎(chǔ)上，運用現(xiàn)代力學(xué)理論和方法對生物體結(jié)構(gòu)、的基礎(chǔ)上，運

21、用現(xiàn)代力學(xué)理論和方法對生物體結(jié)構(gòu)、功能、受力、運動給出量值關(guān)系的規(guī)律描述。其內(nèi)功能、受力、運動給出量值關(guān)系的規(guī)律描述。其內(nèi)容包括生物流體力學(xué)（如呼吸力學(xué)、肺循環(huán)力學(xué)、容包括生物流體力學(xué)（如呼吸力學(xué)、肺循環(huán)力學(xué)、細(xì)胞分裂與膜形成的力學(xué)及植物的生理流動等）、細(xì)胞分裂與膜形成的力學(xué)及植物的生理流動等）、生物固體力學(xué)（如骨力學(xué)、軟組織力學(xué)、關(guān)節(jié)力學(xué)、生物固體力學(xué)（如骨力學(xué)、軟組織力學(xué)、關(guān)節(jié)力學(xué)、運動生物力學(xué)、血管力學(xué)、創(chuàng)傷力學(xué)）和其它生物運動生物力學(xué)、血管力學(xué)、創(chuàng)傷力學(xué)）和其它生物力學(xué)問題（如昆蟲與鳥類飛行、鞭毛蟲的運動，聽力學(xué)問題（如昆蟲與鳥類飛行、鞭毛蟲的運動，聽覺與視覺系統(tǒng)的力學(xué)性質(zhì)）。覺與視覺

22、系統(tǒng)的力學(xué)性質(zhì)）。 生物流變力學(xué)著重研究機(jī)體及其組成的流變性以及生物流變力學(xué)著重研究機(jī)體及其組成的流變性以及生命過程的各種流變現(xiàn)象。包括血液流變、血管與生命過程的各種流變現(xiàn)象。包括血液流變、血管與器官流變、血栓形成等。器官流變、血栓形成等。(九九) 生物物理技術(shù)生物物理技術(shù) 生物學(xué)各領(lǐng)域都需要開發(fā)各種先進(jìn)的物理生物學(xué)各領(lǐng)域都需要開發(fā)各種先進(jìn)的物理技術(shù)技術(shù),其中特別是大分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)象動力學(xué)其中特別是大分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)象動力學(xué)研究所能需的研究所能需的X射線衍射晶體分析、同步射線衍射晶體分析、同步輻射、多維輻射、多維NMR、時間分辨的波譜技術(shù)和、時間分辨的波譜技術(shù)和光譜技術(shù)（如熒光、拉曼和圓二色光譜技光

23、譜技術(shù)（如熒光、拉曼和圓二色光譜技術(shù)）、新型顯微技術(shù)（如掃描探針顯微術(shù)、術(shù)）、新型顯微技術(shù)（如掃描探針顯微術(shù)、原子力顯微鏡、近場光學(xué)顯微術(shù)）等。所原子力顯微鏡、近場光學(xué)顯微術(shù)）等。所以生物物理技術(shù)始終是生物物理中不可缺以生物物理技術(shù)始終是生物物理中不可缺少的組成部分。少的組成部分。第一部分第一部分 分子生物物理分子生物物理 Chapter 1 The Structural Essentials of Proteins 蛋白質(zhì)是一類結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的生物大分子，是生命活動的蛋白質(zhì)是一類結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的生物大分子，是生命活動的主要承擔(dān)者，是生命現(xiàn)象的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。主要承擔(dān)者，是生命現(xiàn)象的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。2

24、0種氨基酸按種氨基酸按不同順序排列產(chǎn)生長達(dá)數(shù)千氨基酸的多肽鏈。生物界中蛋不同順序排列產(chǎn)生長達(dá)數(shù)千氨基酸的多肽鏈。生物界中蛋白質(zhì)種類估計白質(zhì)種類估計1010 1012數(shù)量級，蛋白質(zhì)順序的多樣性是其數(shù)量級，蛋白質(zhì)順序的多樣性是其生物功能多樣性和種屬特異性的基礎(chǔ)。生物功能多樣性和種屬特異性的基礎(chǔ)。1. Biological function of proteins 其功能主要有催化功能、運輸功能、營養(yǎng)儲存功能、收縮和其功能主要有催化功能、運輸功能、營養(yǎng)儲存功能、收縮和運動功能、結(jié)構(gòu)功能、防御功能和調(diào)控功能。運動功能、結(jié)構(gòu)功能、防御功能和調(diào)控功能。（1）催化功能：）催化功能：蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)最主要的生

25、物學(xué)功能是作蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)最主要的生物學(xué)功能是作為體內(nèi)各種生化反應(yīng)的催化劑為體內(nèi)各種生化反應(yīng)的催化劑酶。酶。 具有催化功能的生物大分子有兩類：蛋白質(zhì)，稱為具有催化功能的生物大分子有兩類：蛋白質(zhì)，稱為Enzyme；另一類是核酸，稱為另一類是核酸，稱為Ribozyme。（2）運輸功能：）運輸功能：某些蛋白質(zhì)具有運輸功能。某些蛋白質(zhì)具有運輸功能。 脊椎動物的血紅細(xì)胞和非脊椎動物的血藍(lán)蛋白在呼吸過程中脊椎動物的血紅細(xì)胞和非脊椎動物的血藍(lán)蛋白在呼吸過程中起運輸氧的功能。起運輸氧的功能。 細(xì)胞色素起電子傳遞體的功能。細(xì)胞色素起電子傳遞體的功能。 血液中脂蛋白隨血液流動輸送脂從肝到其它器官。血液中脂蛋白隨

26、血液流動輸送脂從肝到其它器官。 跨膜蛋白結(jié)合葡萄糖分子、氨基酸分子或其它物質(zhì)并轉(zhuǎn)運他跨膜蛋白結(jié)合葡萄糖分子、氨基酸分子或其它物質(zhì)并轉(zhuǎn)運他們跨膜。們跨膜。（3）營養(yǎng)儲存功能：）營養(yǎng)儲存功能：有一類蛋白質(zhì)具有儲存氨基酸的功能，用有一類蛋白質(zhì)具有儲存氨基酸的功能，用作幼體生長發(fā)育的營養(yǎng)。如麥、谷和稻中的種子蛋白，蛋類作幼體生長發(fā)育的營養(yǎng)。如麥、谷和稻中的種子蛋白，蛋類中的卵清蛋白，乳中的酪蛋白等。中的卵清蛋白，乳中的酪蛋白等。（4）收縮和運動功能：）收縮和運動功能： 肌動蛋白和肌球蛋白行使生物體收縮、肌動蛋白和肌球蛋白行使生物體收縮、變形和運動功能。微管中的微管蛋白和鞭毛與纖毛中的動力變形和運動功能

27、。微管中的微管蛋白和鞭毛與纖毛中的動力蛋白共同作用推動細(xì)胞運動。蛋白共同作用推動細(xì)胞運動。（5）結(jié)構(gòu)功能：）結(jié)構(gòu)功能：蛋白質(zhì)的另一個主要功能是作為有機(jī)體的機(jī)構(gòu)蛋白質(zhì)的另一個主要功能是作為有機(jī)體的機(jī)構(gòu)成份。成份。 膠原纖維是主要的細(xì)胞結(jié)構(gòu)蛋白，參與結(jié)遞組織和骨骼作為膠原纖維是主要的細(xì)胞結(jié)構(gòu)蛋白，參與結(jié)遞組織和骨骼作為機(jī)體的支架。機(jī)體的支架。 細(xì)胞膜里的片層結(jié)構(gòu)如細(xì)胞膜、線粒體、葉綠體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞膜里的片層結(jié)構(gòu)如細(xì)胞膜、線粒體、葉綠體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等都是由蛋白質(zhì)和脂類組成。都是由蛋白質(zhì)和脂類組成。 皮革幾乎就是純的膠原蛋白。皮革幾乎就是純的膠原蛋白。 頭發(fā)、指甲和羽毛主要由角蛋白組成。頭發(fā)、指甲和羽毛

28、主要由角蛋白組成。 絲纖維和蜘蛛網(wǎng)的主要成份是絲纖蛋白絲纖維和蜘蛛網(wǎng)的主要成份是絲纖蛋白(fibroin)（6）防御功能）防御功能 免疫球蛋白免疫球蛋白(immunoglobulin)或抗體或抗體(antibody)能識別外來能識別外來細(xì)菌或病毒，具有免疫功能。細(xì)菌或病毒，具有免疫功能。 纖維原蛋白和凝血酶是凝血蛋白，血管受到傷害時，可保纖維原蛋白和凝血酶是凝血蛋白，血管受到傷害時，可保護(hù)血液的流失。護(hù)血液的流失。（7）調(diào)控功能：）調(diào)控功能：有些蛋白可調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、分化及遺傳信息有些蛋白可調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、分化及遺傳信息的表達(dá)。的表達(dá)。 如組蛋白、阻遏蛋白如組蛋白、阻遏蛋白(repressor)、

29、DNA聚合酶、聚合酶、RNA聚合聚合酶等。酶等。2、Chemical structure of proteins 蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)大致可以分為如下幾個層次蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)大致可以分為如下幾個層次: 一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)(primary structure) 二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)(secondary structure) 超二級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)(supersecondary structure或或motif) 結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域(domain) 三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure) 四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)(quarternary structure)2.1 蛋白質(zhì)分子的基本結(jié)構(gòu)單位蛋白質(zhì)分子的基本

30、結(jié)構(gòu)單位氨氨基酸基酸 氨基酸是蛋白質(zhì)分子的基本結(jié)構(gòu)氨基酸是蛋白質(zhì)分子的基本結(jié)構(gòu)單位。單位。 自然界有自然界有100多種氨基酸，但組成多種氨基酸，但組成蛋白質(zhì)的只有蛋白質(zhì)的只有20種。種。 所有氨基酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)形式極為所有氨基酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)形式極為相似：中間為相似：中間為碳原子（碳原子（C） 。它以共價鍵形式一側(cè)與氨基（它以共價鍵形式一側(cè)與氨基（-NH2）相連，另一側(cè)與羧基（）相連，另一側(cè)與羧基（-COOH）相連。它的第三個鍵總）相連。它的第三個鍵總與與H相連。相連。20種氨基酸的區(qū)別在種氨基酸的區(qū)別在于各自有不同的于各自有不同的R基團(tuán)。在中性基團(tuán)。在中性溶液中，羧基失去一個質(zhì)子而帶溶液中，羧基失

31、去一個質(zhì)子而帶負(fù)電，氨基得到一個質(zhì)子而帶正負(fù)電，氨基得到一個質(zhì)子而帶正電，而成為帶有雙重電荷的兼性電，而成為帶有雙重電荷的兼性離子。離子。氨基酸按照其側(cè)鏈氨基酸按照其側(cè)鏈R基團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)可以分為非極性脂肪鏈的、基團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)可以分為非極性脂肪鏈的、芳香鏈的（一般為非極性的）、極性帶正電的和帶負(fù)電的。芳香鏈的（一般為非極性的）、極性帶正電的和帶負(fù)電的。2.2 肽和肽鍵肽和肽鍵 氨基酸間由肽鍵連接成多肽氨基酸間由肽鍵連接成多肽鏈。鏈。 肽鍵由第一個氨基酸的羧基肽鍵由第一個氨基酸的羧基和第二個氨基酸的氨基通過和第二個氨基酸的氨基通過脫水反應(yīng)形成。脫水反應(yīng)形成。 第一氨基酸的第一氨基酸的C原子、原子、

32、COOH的的C及及O原子、第二原子、第二氨氨基酸的基酸的HN2的的N及及H原子、原子、 C原子幾乎處于同一平面內(nèi)，原子幾乎處于同一平面內(nèi)，稱為酰胺平面。稱為酰胺平面。C-N鍵稱為鍵稱為肽鍵。肽鍵。 蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。 右手型螺旋模型a. 螺旋線上只示出-碳原子; b.只示出骨干氮(N), -碳原子和羧基碳c. 整個螺旋 -折疊結(jié)構(gòu)a. 平行 -折疊結(jié)構(gòu)b.反平行 -折疊結(jié)構(gòu)-轉(zhuǎn)角中的回折類型a. 類型Ib.類型II 3. The structure of proteins 每一種蛋白質(zhì)都有自己特定的空間結(jié)構(gòu)，稱為每一種蛋

33、白質(zhì)都有自己特定的空間結(jié)構(gòu)，稱為“構(gòu)象構(gòu)象”。 蛋白質(zhì)二級結(jié)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈借助于氫鍵沿一維方向排列成具有周期性的空間結(jié)構(gòu)。主要有：構(gòu)是指多肽鏈借助于氫鍵沿一維方向排列成具有周期性的空間結(jié)構(gòu)。主要有： -螺旋，螺旋，-折疊、折疊、 -轉(zhuǎn)角等。轉(zhuǎn)角等。相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元組合在一起，彼此相互作用，排列成規(guī)則的、相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元組合在一起，彼此相互作用，排列成規(guī)則的、在空間上能夠辨認(rèn)的二級結(jié)構(gòu)組合體，并充當(dāng)三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，在空間上能夠辨認(rèn)的二級結(jié)構(gòu)組合體，并充當(dāng)三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，稱為超二級結(jié)構(gòu)。稱為超二級結(jié)構(gòu)。常見的幾種超二級結(jié)構(gòu)常見的幾種超二級結(jié)構(gòu)a. -loop- b. - - c. -

34、 loop- d. Rossmann折疊，折疊，e、f、g. “希臘鑰匙希臘鑰匙”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同酶中成為骨架結(jié)構(gòu)的平行式在不同酶中成為骨架結(jié)構(gòu)的平行式-折疊片折疊片a. -桶狀結(jié)構(gòu)桶狀結(jié)構(gòu) b.馬鞍形結(jié)構(gòu)馬鞍形結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域介于二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間，多肽鏈在超二級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域介于二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間，多肽鏈在超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊成緊密的近乎球狀的結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)域。的基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊成緊密的近乎球狀的結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)域。對只有單個結(jié)構(gòu)域的蛋白，結(jié)構(gòu)域就是三維結(jié)構(gòu)。對多結(jié)構(gòu)對只有單個結(jié)構(gòu)域的蛋白，結(jié)構(gòu)域就是三維結(jié)構(gòu)。對多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)，結(jié)構(gòu)域與結(jié)構(gòu)域之間以松散的肽段連接起來，組域蛋白質(zhì)，

35、結(jié)構(gòu)域與結(jié)構(gòu)域之間以松散的肽段連接起來，組裝成蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。裝成蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)是指亞基與亞基之間通過疏水蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)是指亞基與亞基之間通過疏水相互作用，結(jié)合成為有序排列的空間結(jié)構(gòu)。相互作用，結(jié)合成為有序排列的空間結(jié)構(gòu)。Chapter 2 2-D crystal and structural reconstruction 從上一節(jié)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的學(xué)習(xí)，我們不難知道，生從上一節(jié)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的學(xué)習(xí)，我們不難知道，生物物質(zhì)與非生物物質(zhì)的區(qū)別就在于其空間結(jié)構(gòu)對功能的極端物物質(zhì)與非生物物質(zhì)的區(qū)別就在于其空間結(jié)構(gòu)對功能的極端重要性?？梢哉f：沒有特定的空間結(jié)構(gòu)就沒有復(fù)

36、雜的生物大重要性?？梢哉f：沒有特定的空間結(jié)構(gòu)就沒有復(fù)雜的生物大分子功能。分子功能。 隨著計算機(jī)圖象處理技術(shù)、電子顯微鏡技術(shù)及生物樣品二隨著計算機(jī)圖象處理技術(shù)、電子顯微鏡技術(shù)及生物樣品二維結(jié)晶技術(shù)的發(fā)展，電子晶體學(xué)已經(jīng)成為維結(jié)晶技術(shù)的發(fā)展，電子晶體學(xué)已經(jīng)成為X-射線晶體學(xué)不可射線晶體學(xué)不可取代的生物大分子空間結(jié)構(gòu)分析的有效手段。取代的生物大分子空間結(jié)構(gòu)分析的有效手段。1、電鏡（、電鏡（EM）工作原理）工作原理 電子顯微鏡是根據(jù)電子光學(xué)原理，用電子束和電子透鏡代電子顯微鏡是根據(jù)電子光學(xué)原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學(xué)透鏡，使物質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)在非常高的放大倍數(shù)替光束和光學(xué)透鏡，使物質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)在

37、非常高的放大倍數(shù)下成像的儀器。電子顯微鏡按結(jié)構(gòu)和用途可分為透射式電子下成像的儀器。電子顯微鏡按結(jié)構(gòu)和用途可分為透射式電子顯微鏡（顯微鏡（TEM）和掃描式電子顯微鏡（）和掃描式電子顯微鏡（SEM）等。）等。 電子顯微鏡的分辨能力以它所能分辨的相鄰兩點的最小間電子顯微鏡的分辨能力以它所能分辨的相鄰兩點的最小間距來表示。距來表示。 sin/61. 0:n分辨率為 提高分辨率的最有效方法是縮短光源的波長，電子波長計算提高分辨率的最有效方法是縮短光源的波長，電子波長計算公式：公式： 可見，只要提高加速電壓可見，只要提高加速電壓V就可以得到短波長的電子波，分就可以得到短波長的電子波，分辨率也就相應(yīng)得到提高

38、。辨率也就相應(yīng)得到提高。 電鏡對于電子束通道（即鏡筒內(nèi)腔）的真空度要求很高，鏡電鏡對于電子束通道（即鏡筒內(nèi)腔）的真空度要求很高，鏡筒部分真空的好壞是決定電鏡能否正常工作的關(guān)鍵之一。因筒部分真空的好壞是決定電鏡能否正常工作的關(guān)鍵之一。因為在電鏡中，高速電子與氣體的相互作用，會使高速電子散為在電鏡中，高速電子與氣體的相互作用，會使高速電子散射而偏離直線軌道，所以要使鏡筒中的殘余氣體盡量地減少射而偏離直線軌道，所以要使鏡筒中的殘余氣體盡量地減少以保證電子的自由行程。以保證電子的自由行程。 電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)雖已遠(yuǎn)勝于光學(xué)顯微鏡，但電子顯微電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)雖已遠(yuǎn)勝于光學(xué)顯微鏡，但電子顯微鏡因需在

39、真空條件下工作，所以很難觀察活的生物，而且電鏡因需在真空條件下工作，所以很難觀察活的生物，而且電子束的照射也會使生物樣品受到輻照損傷。其他的問題，如子束的照射也會使生物樣品受到輻照損傷。其他的問題，如電子槍亮度和電子透鏡質(zhì)量的提高等問題也有待繼續(xù)研究。電子槍亮度和電子透鏡質(zhì)量的提高等問題也有待繼續(xù)研究。12.25/ V埃 TEM由電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）、電源電由電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）、電源電路和電路控制系統(tǒng)（包括電子槍高壓電路和電路控制系統(tǒng)（包括電子槍高壓電源、控制線路電源等）和真空系統(tǒng)三部源、控制線路電源等）和真空系統(tǒng)三部分組成。其工作原理如下：分組成。其工作原理如下： TEM常用熱陰極電子槍來

40、獲得電子束常用熱陰極電子槍來獲得電子束作為照明源。熱陰極（如發(fā)夾形鎢絲）作為照明源。熱陰極（如發(fā)夾形鎢絲）發(fā)射的電子在陽極加速電壓（一般發(fā)射的電子在陽極加速電壓（一般50100kV）的作用下，高速地穿過陽極孔，）的作用下，高速地穿過陽極孔，被聚光鏡會聚成很細(xì)的電子束照明樣品。被聚光鏡會聚成很細(xì)的電子束照明樣品。透過樣品的電子束強(qiáng)度取決于樣品微區(qū)透過樣品的電子束強(qiáng)度取決于樣品微區(qū)的厚度、平均原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)或位的厚度、平均原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)或位相的差別，經(jīng)物鏡聚焦放大在其像平面相的差別，經(jīng)物鏡聚焦放大在其像平面上形成一幅反映樣品微觀特征的高分辨上形成一幅反映樣品微觀特征的高分辨的透射電子像，然

41、后再經(jīng)中間鏡進(jìn)一步的透射電子像，然后再經(jīng)中間鏡進(jìn)一步放大，投射到熒光屏上，透射電子的強(qiáng)放大，投射到熒光屏上，透射電子的強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換為人眼直接可見的光強(qiáng)度分度分布轉(zhuǎn)換為人眼直接可見的光強(qiáng)度分布，或由照像底片感光記錄，從而得到布，或由照像底片感光記錄，從而得到一幅具有一定襯度的高放大倍數(shù)的圖像。一幅具有一定襯度的高放大倍數(shù)的圖像。 SEM由電子光學(xué)系統(tǒng)（包括電子槍、陽極板、磁由電子光學(xué)系統(tǒng)（包括電子槍、陽極板、磁透鏡和掃描線圈）、真空系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)所組成。透鏡和掃描線圈）、真空系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)所組成。由柵極電子槍所發(fā)射出來的電子束，在加速電壓由柵極電子槍所發(fā)射出來的電子束，在加速電壓的作用下，經(jīng)過三

42、個電磁透鏡的作用，匯聚成一的作用下，經(jīng)過三個電磁透鏡的作用，匯聚成一個直徑細(xì)小到個直徑細(xì)小到50的電子束。在末透鏡上部掃描線的電子束。在末透鏡上部掃描線圈的作用下，使電子在樣品表面做光柵式掃描，圈的作用下，使電子在樣品表面做光柵式掃描，并激發(fā)出各種物理信號。由于并激發(fā)出各種物理信號。由于SEM主要是觀察樣主要是觀察樣品的形貌，故通常以二次電子成像。因為二次電品的形貌，故通常以二次電子成像。因為二次電子是從樣品的近表層激發(fā)出來的，其信號強(qiáng)弱對子是從樣品的近表層激發(fā)出來的，其信號強(qiáng)弱對表面起伏很敏感。二次電子被收集器收集并轉(zhuǎn)換表面起伏很敏感。二次電子被收集器收集并轉(zhuǎn)換成光子進(jìn)入閃爍體經(jīng)光電倍增管放

43、大和視頻放大成光子進(jìn)入閃爍體經(jīng)光電倍增管放大和視頻放大器放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號，可調(diào)制顯像管的柵極器放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號，可調(diào)制顯像管的柵極成像，由于鏡筒中的掃描線圈和顯像管共用一個成像，由于鏡筒中的掃描線圈和顯像管共用一個掃描發(fā)生器，所以兩者的掃描速度嚴(yán)格同步，樣掃描發(fā)生器，所以兩者的掃描速度嚴(yán)格同步，樣品上的逐點信號差異就逐點的反應(yīng)到熒光屏。品上的逐點信號差異就逐點的反應(yīng)到熒光屏。2、蛋白質(zhì)晶體、蛋白質(zhì)晶體2.1 晶體的類型晶體的類型 二維晶體二維晶體(膜蛋白的二維晶體鑲嵌在一個連續(xù)的脂雙層膜蛋白的二維晶體鑲嵌在一個連續(xù)的脂雙層膜內(nèi)膜內(nèi)) 二維晶垛二維晶垛(某些情況下，二維晶體表面會外沿，生

44、長出某些情況下，二維晶體表面會外沿，生長出新的二維晶體，即二維晶垛）新的二維晶體，即二維晶垛） 三維晶體（利用去垢劑溶液使蛋白插入一個去垢劑微三維晶體（利用去垢劑溶液使蛋白插入一個去垢劑微團(tuán)，去垢劑團(tuán)，去垢劑蛋白微團(tuán)可以和水溶性蛋白一樣形成三維蛋白微團(tuán)可以和水溶性蛋白一樣形成三維晶體）晶體）2.2 蛋白質(zhì)的二維結(jié)晶化蛋白質(zhì)的二維結(jié)晶化 對高度有序的理想樣品，利用對高度有序的理想樣品，利用X射線衍射方法可獲射線衍射方法可獲得原子級分辨率的三維有序結(jié)構(gòu)。但對太小的晶得原子級分辨率的三維有序結(jié)構(gòu)。但對太小的晶體、膜蛋白和單體蛋白分子，信息太弱，體、膜蛋白和單體蛋白分子，信息太弱， X射線射線衍射方法

45、不能使用。由于電子與物質(zhì)的相互作用衍射方法不能使用。由于電子與物質(zhì)的相互作用遠(yuǎn)較遠(yuǎn)較X射線強(qiáng)，所以電子衍射被用來測定薄膜晶體射線強(qiáng)，所以電子衍射被用來測定薄膜晶體的結(jié)構(gòu)。電子顯微術(shù)成像條件十分苛刻，如足夠的結(jié)構(gòu)。電子顯微術(shù)成像條件十分苛刻，如足夠高的電鏡分辨率、樣品厚度小于高的電鏡分辨率、樣品厚度小于100埃等。第一個埃等。第一個獲得二維結(jié)晶的蛋白是細(xì)菌視紫紅質(zhì)（獲得二維結(jié)晶的蛋白是細(xì)菌視紫紅質(zhì)（BR）。）。 目前，二維結(jié)晶常用的方法有：利用除垢劑使膜目前，二維結(jié)晶常用的方法有：利用除垢劑使膜蛋白在脂雙層中重組；借助蛋白在脂雙層中重組；借助LB( Langmuir-Blodgett)膜（有機(jī)分

46、子在水面展成的單分子層）膜（有機(jī)分子在水面展成的單分子層）實現(xiàn)生物大分子在脂單層膜上的二維有序化排列。實現(xiàn)生物大分子在脂單層膜上的二維有序化排列。3、電鏡圖像的三維重建、電鏡圖像的三維重建 電子顯微像實際上就是看投影像，如何從物體的投影像轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw像？這就涉及電子顯微像實際上就是看投影像，如何從物體的投影像轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw像？這就涉及電鏡的圖像三維重構(gòu)問題。電鏡的圖像三維重構(gòu)問題。 一般認(rèn)為，如果一個物體的三維圖像用函數(shù)一般認(rèn)為，如果一個物體的三維圖像用函數(shù)f(x,y,z)表征，其表征，其TEM的二維投影像由的二維投影像由s(x,y)表征，則以下關(guān)系成立：表征，則以下關(guān)系成立： 即二維投影含有一定的

47、三維結(jié)構(gòu)信息。如果采用適當(dāng)?shù)姆椒ò哑渲械娜S信息提即二維投影含有一定的三維結(jié)構(gòu)信息。如果采用適當(dāng)?shù)姆椒ò哑渲械娜S信息提取出來，就可能進(jìn)行三維重建。當(dāng)然要回收足夠多的三維信息，需要一系列不同取出來，就可能進(jìn)行三維重建。當(dāng)然要回收足夠多的三維信息，需要一系列不同方向的二維投影。方向的二維投影。 從二維投影實現(xiàn)三維重建方法很多，適用于從二維投影實現(xiàn)三維重建方法很多，適用于TEM的是傅利葉變換。的是傅利葉變換。a、傅利葉變換、傅利葉變換 三維重建的目的是得到三維重建的目的是得到f(x,y,z)，如能得到，如能得到F(x,y,z)，則可通過傅利葉變換得到則可通過傅利葉變換得到f(x,y,z)。 電鏡的

48、二維圖像相當(dāng)于電鏡的二維圖像相當(dāng)于s(x,y)，通過傅利葉變換得到，通過傅利葉變換得到S(x,y)，如果可建立如果可建立S(x,y)和和F(x,y,z)的關(guān)系，則問題可以解決。的關(guān)系，則問題可以解決。 dzzyxfyxs),(),(aaiwxdxexfwF)()(aaxideFxf)(21)(Chapter 3 X-射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析1. 1. 晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點陣晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點陣 X X射線衍射分析是獲得有關(guān)生物大分子三維空間結(jié)構(gòu)信息的得射線衍射分析是獲得有關(guān)生物大分子三維空間結(jié)構(gòu)信息的得力工具。它作用的對象是晶體。力工具。它作用的對象是晶體。 晶體晶體是由在空

49、間排列得很有規(guī)律的微粒（原子、離子、分子等）是由在空間排列得很有規(guī)律的微粒（原子、離子、分子等）組成的。組成的。 晶體中微粒的排列按一定的方式不斷重復(fù)出現(xiàn)，這種性質(zhì)叫做晶體中微粒的排列按一定的方式不斷重復(fù)出現(xiàn)，這種性質(zhì)叫做晶體結(jié)構(gòu)的周期性晶體結(jié)構(gòu)的周期性。晶體結(jié)構(gòu)的周期性可以通過點陣的性質(zhì)反。晶體結(jié)構(gòu)的周期性可以通過點陣的性質(zhì)反映出來。映出來。 在我們研究晶體的幾何結(jié)構(gòu)時，如果將晶體中的微粒抽象為幾在我們研究晶體的幾何結(jié)構(gòu)時，如果將晶體中的微粒抽象為幾件學(xué)中的點，無數(shù)這樣的點在空間按一定的重復(fù)規(guī)律排列而成件學(xué)中的點，無數(shù)這樣的點在空間按一定的重復(fù)規(guī)律排列而成的幾何圖形就叫做的幾何圖形就叫做點陣

50、點陣。更確切地說，凡一組點按連結(jié)其中任。更確切地說，凡一組點按連結(jié)其中任何兩點的向量進(jìn)行平移后而能復(fù)原者即為點陣。那么點陣中的何兩點的向量進(jìn)行平移后而能復(fù)原者即為點陣。那么點陣中的每一個點就叫做陣點。每一個點就叫做陣點。從點陣的定義可知從點陣的定義可知：點陣應(yīng)由無窮多個：點陣應(yīng)由無窮多個陣點組成，每個陣點都應(yīng)處于相同的環(huán)境；在平移方向兩鄰近陣點組成，每個陣點都應(yīng)處于相同的環(huán)境；在平移方向兩鄰近陣點的距離應(yīng)相同，這樣點陣在平移后才能復(fù)原。陣點的距離應(yīng)相同，這樣點陣在平移后才能復(fù)原。點陣有直線點陣，平面點陣和空間點陣之分。點陣有直線點陣，平面點陣和空間點陣之分。直線點陣就是等距離分布在一條直線上的

51、無限點列，其中任意兩相鄰陣直線點陣就是等距離分布在一條直線上的無限點列，其中任意兩相鄰陣點所確定的向量為點所確定的向量為OAOA，并用，并用a a表示之，表示之，a a稱為素向量，稱為素向量，a a稱為周期。稱為周期。在平面點陣中任選三個不共線的點在平面點陣中任選三個不共線的點O O、A A、B B，由此即可確定兩個向量，由此即可確定兩個向量OA=OA=a a，OB=OB=b b，以，以a a和和b b為邊可以畫出一個平行四邊形，這樣的平行四邊形為邊可以畫出一個平行四邊形，這樣的平行四邊形可作平面點陣的單位。因為整個平面點陣可以看成是所選定的單位在同可作平面點陣的單位。因為整個平面點陣可以看成

52、是所選定的單位在同一平面上平移而成。一平面上平移而成。由于構(gòu)成平行四邊形的兩個向量的取法是多種多樣的，因而平面點陣的由于構(gòu)成平行四邊形的兩個向量的取法是多種多樣的，因而平面點陣的單位也是多種多樣的，如圖單位也是多種多樣的，如圖1(a)1(a)。平面點陣按照確定的單位（平行四邊形）劃分之后稱為平面格子，如圖平面點陣按照確定的單位（平行四邊形）劃分之后稱為平面格子，如圖1(b)1(b)。圖1 空間點陣分布在三維空間。平行六面體可作為空間點陣的空間點陣分布在三維空間。平行六面體可作為空間點陣的“單位單位”，因為整個空間點陣可以看成是所選定的單位在空，因為整個空間點陣可以看成是所選定的單位在空間平移而

53、成的間平移而成的( (圖圖2(a)2(a)。 空間點陣按照確定的單位（平行六面體）劃分之后稱為空間空間點陣按照確定的單位（平行六面體）劃分之后稱為空間格子，圖格子，圖2(b)2(b)就是按確定的單位劃分的空間格子。就是按確定的單位劃分的空間格子?？臻g格子空間格子在晶體中叫晶格，空間點陣的單位在晶體中叫晶胞在晶體中叫晶格，空間點陣的單位在晶體中叫晶胞，晶胞可，晶胞可視為晶體結(jié)構(gòu)的最小單位。晶胞的大小用晶胞參數(shù)（即晶棱視為晶體結(jié)構(gòu)的最小單位。晶胞的大小用晶胞參數(shù)（即晶棱a a、b b、c c及它們之間的夾角及它們之間的夾角、和和）來表示。）來表示。圖2 有了點陣的概念之后，我們可以給晶體下一個比較

54、確切的定有了點陣的概念之后，我們可以給晶體下一個比較確切的定義，這就是義，這就是離子、原子或分子按點陣結(jié)構(gòu)排列而成的物質(zhì)就離子、原子或分子按點陣結(jié)構(gòu)排列而成的物質(zhì)就叫做晶體。叫做晶體。 所以點陣也就是對應(yīng)于晶體的抽象的幾何模型，每一個點陣所以點陣也就是對應(yīng)于晶體的抽象的幾何模型，每一個點陣點對應(yīng)于晶體中的點對應(yīng)于晶體中的“結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元”，即對應(yīng)于原子、離子或分，即對應(yīng)于原子、離子或分子。子。 X X射線衍射分析主要從晶胞入手，當(dāng)我們知道了離子、原子射線衍射分析主要從晶胞入手，當(dāng)我們知道了離子、原子或分子在晶胞中的分布之后，通過晶胞的平移或其它對稱操或分子在晶胞中的分布之后，通過晶胞的平移或

55、其它對稱操作也就知道了離子、原子或分子在整個晶體中的分布情況。作也就知道了離子、原子或分子在整個晶體中的分布情況。2. 晶面符號晶面符號 X射線在晶體內(nèi)的衍射，通常被理解為是從晶體內(nèi)某一組平行射線在晶體內(nèi)的衍射，通常被理解為是從晶體內(nèi)某一組平行平面產(chǎn)生的，因此在平面產(chǎn)生的，因此在X射線分析中，規(guī)定了對晶面有特定的射線分析中，規(guī)定了對晶面有特定的表示方法。通常用密勒指數(shù)（表示方法。通常用密勒指數(shù)（Miller indices）來描述晶面或）來描述晶面或從空間點陣中劃分出來的平面點陣。從空間點陣中劃分出來的平面點陣。 選擇空間點陣的三個平移向量選擇空間點陣的三個平移向量a、b、c的方向的方向作為座

56、標(biāo)軸，如圖作為座標(biāo)軸，如圖3所示，設(shè)有平面點陣或晶所示，設(shè)有平面點陣或晶面與三個坐標(biāo)軸交于面與三個坐標(biāo)軸交于M1，M2和和M3三點，截三點，截距分別為距分別為 OM1=ha=3a OM2=kb=2b OM3=lc=c因平面點陣必須通過點陣點，故當(dāng)平面點陣因平面點陣必須通過點陣點，故當(dāng)平面點陣與坐標(biāo)軸相交時，其截距必為單位向量的整與坐標(biāo)軸相交時，其截距必為單位向量的整數(shù)倍數(shù)倍,不相交時，其截距為無限大。為了不出不相交時，其截距為無限大。為了不出現(xiàn)無限大，故采用現(xiàn)無限大，故采用h，k，l的倒數(shù)的互質(zhì)整的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)比數(shù)比(hkl)來表示晶面或一組平面點陣，即來表示晶面或一組平面點陣，即 （hkl

57、）稱為晶面指標(biāo)或密勒指數(shù)）稱為晶面指標(biāo)或密勒指數(shù)。因為當(dāng)。因為當(dāng)n為為整數(shù)時，整數(shù)時，nh，nk，nl的倒數(shù)互質(zhì)比仍然是的倒數(shù)互質(zhì)比仍然是h:k:l，所以（，所以（hkl）表示一組平面點陣。圖中）表示一組平面點陣。圖中的晶面的晶面 M1M2M3的密勒指數(shù)為（的密勒指數(shù)為（236）。）。lkhlkh:1:1:1圖3 晶面參數(shù)3X射線在晶體中的衍射射線在晶體中的衍射 X射線是一種電磁波，當(dāng)其投射到晶體中的原子時，周期遞變的電場會迫射線是一種電磁波，當(dāng)其投射到晶體中的原子時，周期遞變的電場會迫使原子中的電子振動，成為新的輻射源，向四周發(fā)出球面次生電磁波，使原子中的電子振動，成為新的輻射源，向四周發(fā)出

58、球面次生電磁波，其頻率和相位與入射的其頻率和相位與入射的X射線相同，但次生球面電磁波的方向相對于入射線相同，但次生球面電磁波的方向相對于入射射X射線的方向發(fā)生了改變，這樣的現(xiàn)象叫做散射。射線的方向發(fā)生了改變，這樣的現(xiàn)象叫做散射。 在入射在入射X射線的波長（射線的波長（0.154nm）與晶體中的原子間距離處于同一數(shù)量級，）與晶體中的原子間距離處于同一數(shù)量級，而且散射源是在周期地規(guī)則排列的條件下，散射光按相位關(guān)系彼此疊加而且散射源是在周期地規(guī)則排列的條件下，散射光按相位關(guān)系彼此疊加（即所謂干涉），當(dāng)每兩相鄰的波源在某一方向上的波程差等于波長（即所謂干涉），當(dāng)每兩相鄰的波源在某一方向上的波程差等于波

59、長 的整數(shù)倍時，則它們所發(fā)出的波互相最大限度地加強(qiáng)，而在其它方向上的整數(shù)倍時，則它們所發(fā)出的波互相最大限度地加強(qiáng)，而在其它方向上則互相減弱。結(jié)果在入射線以外的方向，可觀察到許多明暗相間的條紋，則互相減弱。結(jié)果在入射線以外的方向，可觀察到許多明暗相間的條紋，結(jié)晶學(xué)上稱這種波的加強(qiáng)為衍射。相應(yīng)的方向為衍射方向，也即是衍射結(jié)晶學(xué)上稱這種波的加強(qiáng)為衍射。相應(yīng)的方向為衍射方向，也即是衍射圖上斑點的位置。用布拉格方程表示圖上斑點的位置。用布拉格方程表示 2dsin=n 4、單晶衍射圖、單晶衍射圖 任何晶體的衍射效應(yīng)都包含格子的衍射和格子任何晶體的衍射效應(yīng)都包含格子的衍射和格子內(nèi)的分子的衍射兩部分。一組平行

60、線的衍射就內(nèi)的分子的衍射兩部分。一組平行線的衍射就是一行于這平行線相互垂直的的點，而這些點是一行于這平行線相互垂直的的點，而這些點間的距離是與平行線的距離成反比的。對由兩間的距離是與平行線的距離成反比的。對由兩套平行線組成的平面網(wǎng)格，它的衍射效應(yīng)就是套平行線組成的平面網(wǎng)格，它的衍射效應(yīng)就是相應(yīng)兩行點的乘積。將一行點的原點順序放在相應(yīng)兩行點的乘積。將一行點的原點順序放在第二行點的各點上，就得到這一乘積的結(jié)果。第二行點的各點上，就得到這一乘積的結(jié)果。所以一個平面網(wǎng)格的衍射仍為一網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，但所以一個平面網(wǎng)格的衍射仍為一網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，但后一網(wǎng)格點間的距離與產(chǎn)生衍射的網(wǎng)格的線間后一網(wǎng)格點間的距離與產(chǎn)生衍射的