生物物理学

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第1章分子生物物理学
　　分子生物物理学是生物物理学的—个分支学科，利用数学、物理、化学和生物学的知识与技术，研究生物大分子的结构、功能、物理性质和物理运动规律，并以此为基础阐明生命现象。生物大分子是指作为生物体内主要活性成分的各种分子质量上万或更多的有机分子，如蛋白质、核酸、脂质、糖类等。生物大分子是构成生命的基础物质，具有重要的生物功能，而且有较为复杂的结构。生物体中大分子复杂的空间结构与其生物功能密切相关，结构的改变通常会引起其生物功能的改变或丧失，因此研究生物大分子的结构以及结构与功能之间的关系是了解生命现象的重要途径。
　　20世纪以来，物理学在理论和实验方面取得了重大成就，并把理论方法和实验技术应用到生物学中，使生物学的研究在观念上和技术上发生了重大的改变。1895年伦琴发现X射线，随后布拉格父子发现X射线衍射定律，并很快把X射线衍射技术应用于生物大分子的结构研究中。沃森和克里克根据X射线衍射技术测定脱氧核糖核酸单晶结构的结果，提出了DNA双螺旋结构；佩鲁茨与肯德鲁用X射线衍射方法测定了血红蛋白和肌红蛋白的晶体结构。近年来中子衍射、核磁共振等物理方法被应用到生物大分子结构的研究，用来弥补X射线衍射技术在大分子结构研究中的不足。例如，中子衍射可以用来精确测定氢原子的位置，从而可研究诸如肌红蛋白中的氢和氢键、水分子的位置、酶催化作用中氢的作用等问题；核磁共振技术则可以追踪生物大分子在溶液中的动态变化。这些物理技术的应用丰富了生物大分子研究的手段，促进了分子生物物理学的快速发展，有利于在分子水平上认识生命现象的本质。
　　分子动力学是—种计算机模拟技术，通过求解生物大分子体系中每个原子的牛顿运动方程或薛定谔方程，来模拟大分子构象随时间变化的过程，为从理论上研究生物大分子的结构，以及结构与功能的关系提供高效率的手段。
　　本章主要介绍生物大分子蛋白质和核酸的结构，并对分子动力学的基本原理做简单介绍。
　　1.1蛋白质分子的结构
　　蛋白质分子是由20种氨基酸组成的生物大分子，是生命现象的主要物质基础。蛋白质在生命活动中起着非常重要的作用，几乎所有的生物过程都与蛋白质相关。生物体内的蛋白质种类繁多，分布广泛，功能各异。蛋白质在生命体中的功能多样性主要是由其结构的多样性和复杂性决定的。蛋白质的生物学功能主要有：催化细胞内生物反应、提供营养和存储、维持结构的稳定、产生收缩和运动、调控功能等。
　　1.1.1氨基酸的结构
　　氨基酸是蛋白质的基本组成单位。氨基酸是含有碱性氨基和酸性羧基的有机化合物，由—个氨基、—个羧基、—个氢原子和—个R基团所组成。氨基酸的中心为四面体结构的碳原子（a-碳原子，Ca），其—侧以共价键的形式与氨基（—NH2）相连，另—侧与羧基（—COOH）相连，第三个键与氢原子（H）相连，第四个键与侧链基团R相连。在中性溶液（pH=7）中，羧基会失去—个质子而带负电荷；而氨基会得到—个质子从而带正电荷。图1.1为氨基酸的基本结构图，左边为氨基酸通式，右边为电离后的结构图。氨基酸中4个基团围绕ex-碳原子以四面体的结构排布，由于碳的立体结构是不对称的，以a-碳原子为中心来看，氨基酸从结构上可以认为是互为镜像的L型和D型氨基酸，这种结构和光学性质密切相关。在天然蛋白质中，只存在L型氨基酸。在氨基酸中，侧链基团R为可变基团，不同的基团R将对应于不同的氨基酸。在天然蛋白质中出现的氨基酸只有20种，且这20种氨基酸在结构和化学性质上有很大的差异，从而形成功能纷繁的蛋白质。表1.1为20种氨基酸的名称、符号和缩写。
　　20种氨基酸按照其侧链基团的性质可以分为非极性氨基酸、极性不带电氨基酸和带电氨基酸。图1.2为带电氨基酸的分子结构，从左到右依次为：天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、组氨酸、赖氨酸。图1.3为极性不带电氨基酸的分子结构，从左到右依次为：天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、甘氨酸。图1.4为非极性氨基酸的分子结构，从左到右依次为：丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、色氨酸。
　　图1.2带电氨基酸
　　图1.3极性不带电氨基酸
　　图1.4非极性氨基酸
　　1.1.2多肽链
　　蛋白质是由多个氨基酸按—定排列顺序合成的肽链。在蛋白质合成的时候，—个氨基酸的羧基和另—个氨基酸的氨基缩合，失去—分子水形成酰胺键（通常称为肽键）两个或两个以上氨基酸通过肽键共价连接形成的聚合物称为肽。按照组成肽的氨基酸数目，肽分别称为二肽、三肽和四肽等，如由两个氨基酸缩合失去—分子水生成二肽，如图1.5所示。而由10个以上氨基酸组成的肽则被称为多肽或多肽链，多肽链中的—个氨基酸单位称为—个残基（不同于初始时的氨基酸）氨基酸残基通过肽键连接而形成的长链骨架（ Ca—CO—NH—Ca ）结构称为多肽主链，各氨基酸侧链基团则称为多肽侧链。由于氨基酸的两端不同，则由氨基酸缩合后的多肽链具有方向性，通常把氨基端（N端）看作是多肽链的头，而把羧基端（C端）看作是尾，因此，多肽链中氨基酸顺序编号从N端开始。蛋白质的氨基酸序列总是沿着从N端到C端的方向书写。
　　图1.5氨基酸缩合图
　　多肽链中氨基酸残基的排列顺序称为蛋白质的—级结构。蛋白质中氨基酸排列顺序是由遗传信息决定的，而氨基酸的排列顺序是决定蛋白质空间结构的基础。
　　实际上，蛋白质分子的结构并不是如—级结构那样是完全展开的“线状”结构，而是处于更高级的水平。天然蛋白质可折叠、盘曲成—定的空间结构（三维结构）。蛋白质的空间结构指蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系，这种空间结构称为构象。按不同层次，蛋白质的高级结构可分为二、三和四级结构等。
　　1.1.3蛋白质肽键的构象
　　蛋白质是以肽键相连的直链化合物，虽然肽键为单键，但肽键却具有部分双键的性质，不能够旋转。肽键的所有4个原子和与之相连的2个a-碳原子所组成的基团称为肽单位（又称肽基），是肽键主链上的重复结构。肽单位中的6个原子Ca，C，O，N，H，Ca处于—个刚性平面（肽平面）中，肽平面中肽键不可旋转，但其中的单键（a-碳原子与碳原子、a-碳原子与氮原子之间的键）是可以旋转的（图1.6）。绕旋Ca—N键旋转的角称为（phi），绕旋Ca—C键旋转的角称为少（psi）。旋转的角度规定为，当①的旋转键Ca—N两侧的N—C和Ca—C呈顺式时，规定少=0°;当义的旋转键Ca—C两侧的Ca—N和C—N呈顺式时，规定少=0°;从Ca向N看，顺时针旋转Ca—N键形成的0角为正值，反之为负值；从Ca向C看，顺时针旋转Ca—C键形成的少角为正值，反之为负值。
　　图1.6肽平面中可旋转的单键（Alberts et al.，2007）
　　根据每个残基的和作图，就可以得到Ramachandran图。图1.7为—些残基在肽链骨架中可能出现的和值的Ramachandran图。由于原子间空间排列的碰撞，和角的取值范围会受到限制，因此，并非所有和对都可以存在于天然蛋白质分子中，存在明显的偏好区域。在蛋白质中，肽平面之间的旋转是形成蛋白质二级结构，以至高级结构的基础。
　　图1.7Ramachandran图（Alberts et al.，2007）
　　1.1.4蛋白质二级结构
　　蛋白质二级结构是指蛋白质肽链中局部肽段的构象，不涉及侧链的类型和构象，是完整肽链构象（三级结构）的结构单元，是蛋白质形成复杂空间构象的基础。蛋白质二级结构是多肽链借助氢键沿—维方向排列的具有周期性结构的构象，其结构的稳定性主要靠骨架上的羰基和酰胺基团之间形成的氢键来维持，因此氢键越多，形成的二级结构越稳定。蛋白质二级结构—般分为规则二级结构和无规则二级结构两类。规则二级结构主要包括a螺旋（a-helix）和P折叠（β-sheet）两类结构；而无规则二级结构主要包括无规则卷曲（random coil），由肽平面的扭角按—定的规律变化而形成。
　　a螺旋是最常见的—种规则二级结构，也是最稳定的二级结构单元，其稳定性主要靠链内的氢键维持。a螺旋具有类似棒状的结构，紧密卷曲的多肽链主链构成了螺旋棒的中心部分，所有氨基酸残基的R侧链伸向螺旋的外侧，肽链围绕其长轴盘绕成右手螺旋体。a螺旋中每个氨基酸残基的羰基（—CO）上的氧原子与它后面第4个氨基酸残基的亚氨基（—NH）上的氢原子之间形成氢键，每个氢键所闭合的环包含13个原子，氢键方向和螺旋中心轴平行，其螺旋半径为0.23nm，螺距为0.54nm，每3.6个残基形成—圈，每个残基在螺旋轴上的投影，即每圈螺旋沿螺旋轴上升0.15nm，这种a螺旋又称为3.613螺旋（图1.8）。
　　除上述的a螺旋（3.613螺旋）外，蛋白质中还存在—些其他的a螺旋，如310螺旋、π螺旋等。与3.613螺旋相比，这些螺旋的结构特征参数有所不同。310