生物物理化学：生物系统的研究

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什么是生物物理化学？

生物物理化学是一门科学，它通过结合物理学（对物质和能量及其相互作用的科学研究）和化学（侧重于化学系统中物质和能量相互作用的物理学的复杂应用）的概念来研究生物系统。

生物物理化学这一跨学科主题结合了生物学、物理学和化学的原理，其研究主要集中在收集和定量分析数据，以建立生物系统在分子水平和化学序列水平上的预测模型。

与涵盖从分子水平到生物体再到种群的所有生物组织规模的生物物理学不同，生物物理化学侧重于待研究系统的表型，而生物化学则主要关注生物分子的功能、作用和结构；生物物理化学则采用不同的物理化学技术来探测生物系统的结构。生物系统非常复杂且庞大，难以理解，但是当我们使用物理模型来学习系统每次发生变化的方式时，过程就会变得更容易和更简单。

一些应用物理、化学和生物学概念的生物物理化学应用示例包括：

利用量子力学、流体力学、光学、电磁学和热力学等物理概念，可以解释许多生物过程的生理机制，例如：

• 肌肉收缩

• 神经通讯

• 视觉等。

最近获得诺贝尔奖的研究属于生物物理化学范畴，即核糖体（蛋白质合成的场所）的X射线晶体学研究。蛋白质晶体包含整个分子的原子，这些原子被排列成晶体形状，当使用X射线时会引起光的衍射。

许多生物物理化学家对蛋白质结构（可能包括酶活性，酶活性可能是由于底物分子的形状或金属离子键合时其形状的改变）等主题感兴趣。还包括使用脂质体和磷脂等超分子结构模型对生物细胞膜进行结构和功能分析。

通过了解热力学，我们可以构建特定的蛋白质模型。蛋白质折叠主要由热力学控制。蛋白质倾向于处于折叠状态，因为它会降低自由能。蛋白质具有明确的3D结构。将蛋白质理解为具有合法结构的分子，是当今世界的一个新的挑战，而蛋白质折叠是生物物理化学的一个成就或挑战。扩散（颗粒从高浓度区域到低浓度介质的净运动，直到达到平衡）是生物物理化学领域另一个有趣的领域。这里研究的是离子穿过生物细胞膜的运动。

流体力学是另一个在生物学中使用的有趣领域，许多生物过程都涉及粒子在流体中的运动，例如血液循环、气体交换等。

生物系统研究技术

生物物理化学家利用不同的物理化学方法来了解原子和分子水平上的生物系统。这里的方法与生物学、物理学、生物化学和化学等其他科学领域重叠，用于研究不同生物分子的分子结构、相互作用方式、大小和形状、极性。对所有生物体的生存都很重要的三种生物分子包括蛋白质、核酸和脂质。

下面讨论一些重要的生物物理化学技术，这些技术对于研究生物分子的结构和功能至关重要。所有技术主要集中在4个类别上，它们是：

热力学技术

差示扫描量热法 (DSC) 和等温滴定量热法 (ITC) 是此类别中可以讨论的两种技术。这些技术提供关于核酸-配体相互作用和蛋白质-配体相互作用的核酸信息。

差示扫描量热法 (DSC)

这是一种热分析技术，其中包含目标分子和参比物质的样品池通过同时加热保持在相同的温度，直到达到一个差异点。因此，DSC测量的是由于样品和参比物之间温度差而导致的热吸收或辐射变化。

等温滴定量热法 (ITC)

这是一种热力学技术，它能够灵敏地定性和定量地测量样品分子和生物参比分子之间相互作用产生的能量。

电学技术

此类技术包括在生物系统中使用最通用和最先进的技术。这些方法有助于在体内和体外研究这些生物系统。这些技术是使用由碳纤维制成的小电极进行的，以进入生物细胞而不会对其造成任何损害。膜片钳技术就是这样一种方法，它涉及记录生物细胞中单个离子通道的离子电流。

光谱技术

通过这些类别的先进生物物理化学技术，成功地发现了生物系统的许多特征。此类别下的主要技术之一是X射线晶体学。这是确定生物系统大分子蛋白质分子晶体结构的主要工具。对于不形成晶体的蛋白质，另一种称为核磁共振 (NMR) 的工具有助于确定其结构。

其他技术

现在已经开发出许多技术来检测负责蛋白质功能的蛋白质结构变化，并量化生物膜的能量学。基于放射性的分析技术就是这样一种方法，它使用放射性同位素来确定离子和其他物质跨细胞膜的流入和流出测量。

结论

生物物理化学是将物理化学的基本概念或原理应用于解决生物学问题。所有生物体主要依赖于三种重要的生物分子，其化学特性是由其有机和无机性质决定的。

蛋白质、脂质和核酸是生物系统中的三种主要大分子。生物物理化学家使用该领域的许多技术来研究系统内的生物分子。所有这些技术主要分为四种类型：热力学、电学、光谱学和其他杂项技术。