生物物理课后作业

生物物理（作业一）1. 什么是生物物理学？答：“生物物理学就是生命的物理学，或活体的物理学”英国大百科全书，1973“生物物理学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。”自然科学学科发展战略调研报告-1995生物物理学是物理学与生物学相结合的一门交叉学科，是生命科学的重要分支学科和领域之一。 生物物理学是应用物理学的概念和方法研究生物各层次结构与功能的关系、生命活动的物理、物理化学过程和物质在生命活动过程中表现的物理特性的生物学分支学科。生物物理学旨在阐明生物在一定的空间、时间内有关物质、能量与信息的运动规律。本门课中讲述了分子、膜、电磁、神经、辐射等生物物理的特性本质应用等。我相信，通过一个学期的学习我会真正的明白生物物理的含义，不是字面上的定义的理解，而是真正的了解这门学科。2. 为何蛋白质的含氮量能表示蛋白质相对量？实验中又是如何依此原理计算蛋白质含量的？答：蛋白质的种类很多，结构各异，但各种蛋白质的含氮量颇为接近，平均为16，因此测定蛋白质的含氮量就可推算出蛋白质含量。常用的公式为：蛋白质含量(克)= 每克样品含氮克数6.25100。 3. 解释 “氨基酸等电点不是中性点”这句话的含义。答：氨基酸是两性电解质，氨基酸处于静电荷为零时的 pH 为该氨基酸的等电点。不同氨基酸的等电点不一样，中性氨基酸的酸性比它的碱性稍强些。在纯水溶液中，中性氨基酸 呈微酸性，负离子浓度大于正离子浓度。故使其到等电点，需加酸，降低 pH 值。中性氨基酸等电点 5.66.3，酸性氨基酸等电点为2.83.2；碱性 氨基酸等电点为 7.610.8。4. 组成蛋白质的氨基酸有多少种？如何分类？答：组成蛋白质的氨基酸有 20 种。根据氨基酸的相对位置，可以分为 氨基酸、 氨基酸、 氨基酸等等；根据酸碱性可以分为中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。生物物理（作业二）1. 举例说明蛋白质的四级结构。答：蛋白质四级结构是指蛋白质分子中具有完整三级结构的各亚基在空间排布的相对位置。例如血红蛋白质。它是由两个由 141 个氨基酸残基组成的 亚基和两个由 146 个氨基酸残基组成的 亚基。四个亚基间共有 8 个非共价键，维系其四级结构的稳定性。各个亚基间相互作用与接触部位的布局所形成的立体排布，二个单体呈对角排列，形成特定的空间位置关系。它们之间以非共价键（包括氢键、疏水作用和盐键等）相连结。2. 举例说明蛋白质的变构效应。答：T 型 Hb 分子第一个亚基与 O2 结合，引起构象变化，并引起第二、三、四个亚基与 O2 的亲和力依次增高，H b 分子构象由 T 型变为 R 型。Hb 随红细胞有血循环中往返肺（氧分压高，T 型转变为 R 型）及其它组织（氧分压低， R型转变为 T 型）之间，H b 的 T 型与 R 型不断变化。3. 什么是超二级结构和结构域？答：在蛋白质结构中，常常发现两个或几个二级结构单元被连接多肽连接起来，进一步组合成有特殊的几何排列的局部空间结构，这些局域空间结构称为超二级结构。 结构域：由几个 motifs 结合排列或由一条长的多肽链折叠形成蛋白质亚基结构中的紧密球状的结构区域，它也是蛋白质的一个功能单位。4. 下载至少一种蛋白质（如：血红蛋白）的 PDB。使用 PDB Viewer 等软件观察蛋白质结构特点。答：两种球蛋白（Glubulin)生物物理作业三一、常用的蛋白质分离纯化方法有哪几种？各自的原理是什么？答:常用的方法有：透析和超过滤、等电点沉淀、有机溶剂提取法、电泳、离子交换层析等。1、透析和超过滤：透析是利用蛋白质分子不能透 过半透膜地性质,使蛋白质和其他小分子物质如无机盐,单糖,等分开. 超过滤是利用压力或离 心力,强行使水和其他小分子溶质通过半透膜,而蛋白质被截留在膜上,以达到浓缩和脱盐的作用。2、等电点沉淀：每种蛋白质都有自己的等电点, 而且在等电点时溶解度最低。3、有机溶剂提取法:与水互溶的有机溶剂(如甲醇、乙醇)能使一些蛋白质在水中的溶 解度显著降低 ;而且在一定温度、 值和离子强度下,引起蛋白质沉淀的有机溶剂的浓度不同, pH 因此,控制有机溶剂的浓度可以分离纯化蛋白质。4、电泳：在外电场的作用下,带电颗粒(如不处于等电点状态的蛋白 质分子)将向着与其电性相反的电极移动,这种现象称为电泳。 聚丙烯酰胺电泳是一种以聚。5、离子交换层析是以离子交换剂为固定相,依据流动相中的组分离子与 交换剂上的平衡离子进行可逆交换时结合力大小的差别而进行分离的一种层析方法。 二、什么是核酸？怎样分类？各类中包括哪些类型？答: 核酸是由许多核苷酸单元所构成的高分子化合物.基本结构单位是核苷酸. 核酸的分类就是根据所含戊糖种类不同而分为核糖核酸和脱氧核糖核酸.核糖核酸（RNA）含有的戊糖是核糖，含有的杂环碱有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧 啶. 脱氧核糖核酸（DNA）含有的戊糖是 2-脱氧核糖，含有的杂环碱有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞 嘧啶和尿嘧啶。三、DNA 双螺旋结构模型的主要特点是什么？答:主要特点：1、两条反向平行的 DNA 链，沿着一个轴向右盘旋成双螺旋体。2、嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧. 磷酸与核酸在外侧, 彼此通过磷酸二酯键相连接, 形成 DNA 分子骨架。3、双螺旋的平均直径为 2nm 两个相邻的碱基对之间相距的高度, 即碱基堆积距离为 0.34nm 两个核苷酸之间的夹角为 36 度 d 两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相连系而结合在一起 e 碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。4、双螺旋体一般不单独存在，而是与蛋白质以更复杂的形式结合，形成具有各种生理活性的核蛋白。四、维持 DNA 分子双螺旋结构的力是什么？答:主要是碱基堆积力，还有氢键，疏水作用，离子键。5、为什么 DNA 制品应保存在较高浓度的缓冲液或溶液中？答: 高浓度的溶液离子强度越低，一般来说离子强度较低的介质中，DNA 的熔解温度较低， 熔解温度范围较宽。所以 DNA 应该保存到较高浓度的缓冲液或溶液中。生物物理作业四一、稳定蛋白质分子三维结构的作用力主要有哪些？答：氢键、范德华力、疏水作用、静电作用、二、根据蛋白质荧光特性，可将其分为哪几类?各有何特点？答：可分为三类：（1）、只含酪氨酸，不含色氨酸，荧光特性与酪氨酸相同。（2）、含酪氨酸和色氨酸，荧光特性与色氨酸相似。（3）、只含苯丙氨酸，荧光特性与苯丙氨酸相同。三、球蛋白分子运动类型主要有哪些？答：（1）、局部运动：生物大分子中原子涨落，氨基酸残基侧链运动，环与臂位移。（2）、刚体运动：螺旋、结构域、亚基的运动。 （3）、大尺度运动：蛋白质分子开闭的涨落、折叠与去折叠运动。 （4）、集体运动：弹性体方式、偶联的原子涨落、孤子与其它非线性运动。四、简述免疫球蛋白结构域之间绕铰链作刚性运动特性。 答：多域蛋白质中，结构域之间通过空间结构松散灵活的伸展肽连接。由于化学上牢固结合，空间结构松散，每个结构域可作为刚性的单位，作较大幅度相对自由运动。铰链连接肽的构象变化不大。五、什么是蛋白质工程？其研究主要内容是什么？答：根据蛋白质结构研究结果，设计一个新蛋白质的氨基酸序列，通过修饰编码原蛋白质 DNA 序列，最后创造出新的蛋白质叫做蛋白质工程。研究主要 内容包括在体外改造已有的蛋白质， 化学合成新的蛋白质， 通过基因工程手段改造已有的或 创建新的编码蛋白质的基因去合成蛋白质等。为获得的新蛋白具备有意义的新性质或新功能，常对已知的其他蛋白质进行模式分析或采取分子进化等手段。对现有蛋白质的改造，蛋白质构象预测，新蛋白质设计，以蛋白质为靶的药物设计等。主要分为两部分：分子设计和分子工程。六、简述 PCR 基本原理。答：1、双链 DNA 热变性产生两条单链，作为酶促合成的模板。2、在较低温度下与两个人工合成的寡聚脱氧核糖核苷酸引物退火。3、通过 DNA 聚合酶进行扩增反应，合成模板的互补链。4、扩增结束后再经热变性、退火和扩增反应，使上轮扩增产物 DNA 成为追加模板再合成新的互补链。5、循环往复，经过 20-30 个反应周期，可使微量 DNA 模板经过扩增 2n 倍，（n 为反应周期数）。6、获得足够量的产物，产物长度根据引物设计的部位不同而不同，从几十到数千个碱基对。七、什么是分子伴娘？简述分子伴娘的主要功能和作用模型。答：在动物、植物 、细菌以及人类体内存在，分布广泛的蛋白质称为分子伴娘。主要功能：1、蛋白质的生物合成：蛋白质 N 端在 C 端之前合成，如果合成的速度比折叠速度慢，N 端在 C 端合成之前会与其本身或其它分子发生相互作用，在分子伴娘的作用下，可避免错误的快速折叠发生。2、蛋白质的转运：新合成蛋白质出入各种细胞器的跨膜转运，通常以非折叠状态运输，定位后再折叠，在膜两侧必须有介导折叠和非折叠的分子伴娘协助。3、蛋白质功能的发挥：各种多聚体蛋白复合物正常功能发挥涉及亚基与亚基的相互作用变化，亚基接触区常会短暂暴露，在分子伴娘帮助下才能形成正常功能的多聚体结构。4、细胞器的发生：有些多肽由胞浆核糖体合成后再进入细胞器，再与细胞器内合成的其它多肽相互作用形成有活性的多聚体结构。新合成的蛋白亚基定位于某一细胞器之前，它们的结合倾向必须依靠分子伴娘的调节。5、应激反应：环境的压力常导致细胞内蛋白质变性形成失活的不溶性凝聚物。分子伴娘在动物细胞中防止凝聚物的出现或促进凝聚物解离。作用模型：分子伴娘作用于组装前的单体的折叠，组装过程本身并不依赖分子伴娘。与分子伴娘结合后自由能会发生变化，严格的自装配不需要分子伴娘，辅助的自装配需要分子伴娘与装配。生物物理作业五1、生物膜的基本结构特征是是什么？这些特征与它的生理功能有什么联系？答：基本结构特征：膜脂（磷脂、糖脂和固醇）、膜蛋白（整合蛋白、外周蛋白）、膜糖类（中性糖、氨基糖）。磷脂双分子层：细胞的主体架构，将细胞内外分开，维持个体独立性膜蛋白：一部分作为运输通道用于运送离子（K,Na 等），另一部分作为支撑用（与磷脂一起构成骨架结构）膜糖类：用于细胞识别，常用于免疫过程中吞噬细胞识别异己物质2、简述内在蛋白和外在蛋白的定义、特点以及与膜脂作用的方式。答：整合蛋白（内在蛋白）1、定义：以不同深度镶嵌在脂质双分子层中，有些还横跨全膜的跨膜蛋白叫作整合蛋白。2、特点：整合蛋白与膜结合牢固，只有用剧烈条件：如表面活性剂或有机溶剂破坏膜结构时，才能从膜上分离。但分离后常失去正常构型。去掉有机溶剂或表面活性剂时，整合蛋白能再聚合为水不溶性或与脂类形成膜结构。3、作用方式：大多数整合蛋白不溶于水，其疏水区域与脂双层中脂类分子疏水尾部相互作用亲水区域暴露在膜一侧或两侧表面。外在蛋白（外周蛋白）1、定义：大多数为水溶性的，通过与整合蛋白或脂类分子极性头部静电相互作用，而结合于膜内、外表面的蛋白质叫作外周蛋白。2、特点：外周蛋白与膜结合比较疏松，用温和方法在不破坏膜结构情况下可将其分离（如：增加 pH，或离子强度）。3、作用方式：外周蛋白并不直接嵌入到细胞膜内，而是作为一种可溶性蛋白通过盐键，二硫键等于内在蛋白、脂和糖相连接。3、从生物膜结构模型的演化说明人类对生物膜结构的认识过程？答：一共经过了 5 个阶段1、脂质双分子层模型：1895 年，Overton 发现易溶于脂肪的物质容易穿透膜，1902 年提出质膜由一层连续的脂类物质组成。1917 年，Langmuir 通过展层实验，提出脂单层设想。1925 年，Gorter 和 Grendel 研究红细胞质膜，首次提出质膜的基本结构是双脂分子层。2、Davson-Danielli 模型：1935 年提出“蛋白质-脂质-蛋白质”三明治式细胞膜分子模型。1954 年 Danielli 加以修改。3、单位膜模型：50 年代末 60 年代初，英国伦敦大学 Robertson 在电镜下对各种生物膜进行观察，发现这些膜都呈三层式结构，中央为明线，两侧为暗线，明线厚约 3.5nm，暗线厚约 2nm，总厚约 7.5 nm。4、流动镶嵌模型：1972 年 Singer 和 Nicolson 提出。强调膜结构流动性生物膜中各种化学组分是高度不对称的。膜蛋白分子以镶嵌形式不同程度地与脂双层相结合，象一群孤岛一样无规则分散在脂质的海洋中，表面出分布的不对称性。脂双层中的内外两层脂类分子在分布上也是不对称的。5、脂筏模型：由鞘磷脂和胆固醇构成，非离子去垢剂不溶解。4、简述细胞融合实验及现象。答：将人细胞用红色荧光标记 将小鼠细胞用绿色荧光标记； 然后通过某种方法（如可以用电流刺激或用灭活的仙台病毒处理）使 2 个细胞融合为 1 个杂交细胞； 刚融合时 杂交细胞是一半红（来自人的细胞膜）一半绿（来自小鼠的细胞膜）的； 在 37下培养 40 分钟后 再观察会发现红色和绿色的荧光混杂在一起无法区分。 细胞膜上的膜蛋白在膜脂分子双层内可以水平侧向运动。生物物理作业（六）一、细胞的跨膜物质运输有哪些方式？答：（一）被动运输：指物质从高浓度一侧向低浓度放向的跨膜转运，这是一个不需要外界供给能量的自发过程。分为简单扩散和协助扩散。1、简单扩散：小分子物质沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散，不需要提供能量，没有膜蛋白的协助。2、协助扩散：指各种极性分子和无机离子顺浓度梯度或电化学梯度减小放向的跨膜转运。不需要细胞提供能量，但在特异的膜蛋白的协助下，可使转运效率增加，转运的特异性增强。（二）主动运输：有载体蛋白所介导的物质逆着浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向浓度高的一侧进行跨膜转运的方式。需要能量，有钠钾泵、钙泵、质子泵、ABC 转换器。（三）协同运输：协同运输是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运输所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，二维持这种电化学势的是钠钾泵和质子泵。1、同向运输：指物质运输方向与离子转移方向相同。2、对向运输：指物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反。（四）内吞与外排作用，需要能量。1、内吞作用：当细胞提取大分子或颗粒时，首先被摄入附着细胞表面，被一小部分质膜逐渐的包围，质膜凹陷然后分离形成细胞内的小囊，其中包含有被摄入的物质。内吞物质为固体称为吞噬作用：内吞物质为液体或溶质，称为胞饮作用。2、外排作用：大分子物质通过形成小囊泡从细胞内部逐步移至细胞表面，小囊泡的膜与质膜融合，将物质排出细胞。二、比较主动运输与被动运输的特点及其生物学意义？答：主动运输是又载体蛋白质所介导的物质逆着浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向浓度高的一侧进行跨膜转运的方式，其特点：1、逆浓度梯度（或化学梯度）扩散，2、需要提供能量（由 ATP 直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输），并对代谢毒物敏感 3、都有载体蛋白，依赖于膜运输蛋白，4、具有选择性和特异性。被动运输是指物质从高浓度一侧向低浓度一侧的跨膜转运，分为简单扩散和协助扩散，特点是：1、沿浓度梯度（或化学梯度）扩散，2、不需要提供能量，3、在简单扩散方式下不需要膜蛋白协助，在协助扩散方式下，存在特异的膜蛋白协助，但不需要细胞提供能量。生物学意义：主动运输这种物质出入细胞的方式，能够保证活细胞按照生命活动的需要，主动的选择呼吸所需要的营养物质，排出新陈代谢产生的废物和对细胞有害的物质。被动运输的方式，虽然转运速度慢，但是不消耗能量，在细胞活动中节约大量能量。这两种方式分工合作，对于维持细胞内正常的生命活动，各项生命活动都有重要意义。三、说明 泵的工作原理和生物学意义？KNa答：钠钾泵就是钠钾 ATP 酶，是膜中的内在蛋白，它将细胞中的钠离子泵出细胞外，同时又将细胞外的钾离子泵入细胞内。钠钾 ATP 酶是通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的改变，导致钠离子、钾离子的亲和力发生变化，在膜内侧钠离子与酶结合，激活 ATP 酶活性，使 ATP 分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是钠离子结合的部位专向膜外侧。这种磷酸化的酶对钠离子的亲和力低，对钾离子的亲和力高，因此在莫外侧释放钠离子而与钾离子结合。钾离子与磷酸化的酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与钾离子结合的部位转向膜内侧，钾离子与酶的亲和力降低，使钾离子在膜内被释放，而又与钠离子结合，其总的结果是每一循环消耗一个 ATP，转运出三个钠离子，转进两个钾离子。生物学意义：钠钾泵的一个特性是它对离子子的转运循环依赖磷酸化过程，ATP 上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象的变化，通过磷酸化来转运离子的离子泵就叫做 P-lype。它在维持细胞的渗透压、保持细胞的体积和正常生理形态低钠高钾的细胞内环境，尤其是在神经中维持静息电位等过程中有重要意义。生物物理作业七1、细胞的电学模型有哪些？答：并联电导模型、中心导体模型。2、叙述生物组织的阻抗特性。答：在低频电流下，生物组织具有复杂的电阻性质。有的表现为欧姆电阻，即在一定范围内，其电压、电流呈线性关系；有的呈非线性关系，其中还有对称性和非对称性。如细胞的变阻 作用等效为对称元件，细胞的整流作用则为非对称元件。 生物阻抗与生物机体或组织的体积变化有关。人体各组织和器官电阻率各不相同，同一组织器官的机能状态不同，电阻抗也不同。生物器官、组织因生命活动而伴有容积变化时，在生物体表可测得生物阻抗相对变化，称为生物器官和组织的阻抗图，如脑阻抗图、心阻抗图、肺阻抗图、肾阻抗图、肝阻抗图等。各阻抗图均可定义各自的特定参数，可用于临床判断正常与病变器官组织。三、叙述生物水的介电特性。答：生物体内，水不仅提供细胞的生存环境，还很大程度上决定着生物大分子构象和功能，影响生命活动中物质输运、能量转换和信息传递过程。1、水的偶极矩为 1.84 D。（1D=3.33810-30Cm ） 2、水分子 OH 键角为 104.5，氢和氧原子平均间距 0.0957nm。3、水分子具有质子施主的能力，能与其它水分子、离子或生物大分子极性基团间形成氢键。4、液态水氢键能为 18.83 KJ/mol。氢键平均寿命 10-11 秒。5、水分子与其它离子或生物大分子之间以氢键相联系形成某种结构，这种状态的水为结构水。生物物理作业八1、叙述电压钳的技术原理。答：控制跨膜电位，用负反馈线路将膜电位固定在实验希望的标定值，同时测量膜电流变化，再以电压与电流之比求出电导变化，用离子通道电导特性变化来描述生物膜电导的变化。根据简化电缆模型，一小片膜的等效电路如图所示，因为 cionmIICVQ所以dtVCtQIcdtmion令 ，即 得出0IiI只要固定膜电位不变，使膜电容电位为 0，则膜总电流等于离子电流。2、叙述离子置换法分离离子电流的原理。答：用胆碱离子置换细胞外液中的 以排除 与 ，果然得到了纯净的NaNaIK流，然后将总电流减去 流，即可得到纯 流。即 KKKmNaII三、什么是 Nernst 方程？其符号代表的意义是什么？答： )(RTzCFDj离子扩散通量； 离子浓度梯度； 电场强度； 离子带电量； 扩zD散系数 ； Faraday 常数； 绝对温度； 普适气体常数； 离子浓度。RC四、什么是 Goldman 方程？其符