量子生物学简介

量子生物学简介 汪洋 0410378 赵嫭娴 0410380 概述 运用量子力学的理论 概念和方法研究生命物质和生命过程的一门学科 就是量子生物学 又称量子生物物理学 历史 量子力学的创立和发展 吸引着物理学家和化学家 促使他用以分析具有生物学意义的分子的电子结构 并把结果和生物学活性联系起来 1938年 R F 施密特开始对致癌芳香烃类化合物进行研究 试图说明致癌活性与分子的电子结构之间的关系 1944年 E 薛定谔的 生命是什么 一书中详尽阐述了约尔丹的观点 薛定谔还提出了遗传物质是一种有机分子 遗传性状以 密码 形式通过染色体而传递等设想 1930年 物理学家P 约尔丹提出了 突变是一种量子过程 的观点 薛定谔的设想由于J D 沃森和F H C克里克提出的 脱氧核糖核酸双螺旋 结构模型而得到极大发展 从而奠定了分子生物学的基础 分子的相互作用必然涉及其外围电子的行为 而能够精确描述电子行为的手段就是量子力学 因此量子生物学是分子生物学深入发展的必然结果 是量子力学与分子生物学发展到一定阶段相结合的产物 研究方法 基本上是用量子力学的方法来处理一个微观体系的全部计算过程 并利用有此得出的各种参量 说明所研究对象的结构 能量状态及变化 进而解释其生物学活性及生命过程 量子力学把分子中的原子核看成是一个骨架 外围电子则在这一骨架附近运动 电子不仅具有粒子性 同时还具有波动性 因此对电子的运动可以用一个波函数来描述 这个波函数应满足量子力学的基本方程 即薛定谔方程 式中的H为哈密顿算符E是整个体系的能量 量子生物学中所处理的系统一般都比较复杂 但重要的生物分子常具有由 电子所组成的双键 这种 电子的活性较大 实际上并不定位在特定的一个原子核附近 这类系统称为共轭系统 核酸中的嘌呤与嘧啶碱基 蛋白质中的芳香胺基酸 高能磷酸物 喋呤 醌 类胡萝卜速 各种辅酶 胆固醇以及许多药物无不具有共轭系统 各种生命现象都和共轭系统的存在及其 电子的非定域化密切相关 量子生物学首先考虑了这类的电子的运动 目前最广泛应用的计算方法为分子轨道法 简称OM 认为每个电子的运动可扩及到整个分子范围内 认为分子轨道由原子轨道线型组合而成的方法就成为原子轨道的线性组合法 简写LCAO MO 式中的表示各原子的波函数的相应系数 对于一个具有生物学意义的体系的量子力学计算过程 根据欲研究分子的结构 选定合适的波函数带入波动方程 并求其解 将所得结果和欲研究的生物学活性相联系 在计算中经常应用各种近似方法 并必须与试验结果相印证 计算结构可以得到两类不同性质的指数 能量指数和结构指数能量指数体系的能量状态结构指数分子的结构特征 研究内容 只要生物分子本身的化学结构或各级结构已经清楚 就有可能研究和这种分子相联系的生物学活性的本质 或者它们之间的相互作用 量子生物学所研究的问题实际上涉及分子生物学的全部内容 可以归纳为四个方面 分子间相互作用力的研究 分子内的相互作用力主要考虑的是静力学 包括引力与斥力 忽略电磁力 静电力又分为 强力与弱力 所谓强弱是相对而言的 一般都以平均热能kT值作为标准 k为波耳兹曼常数 T为绝对温度 由作用力所产生的相互作用能大于kT者为强力 反之为弱力 强力 不仅在维持分子的基本骨架 一级结构 中起重要作用 包括离子键 共价键等 而且还与识别作用有关 弱力包括氢键 范德瓦尔斯力和偶极作用 它决定了分子的高级结构 二级 三级 四级结构 因而在维持大分子构象和功能活动中起十分重要的作用 生物分子的电子结构与反应活性的研究 这是60年代前后量子生物学的主要研究领域 下面以核酸为例说明 核酸中的5种碱基都是共轭系统 由于结构不同 对辐射的抗性也不同 嘌呤大于嘧啶 腺嘌呤大于鸟嘌呤排序为下 量子生物学计算表明 这5种碱基的每个 电子的共振能的大小 能量指标之一 说明体系的稳定程度 正好符合上述次序 生物大分子的构象与功能的研究 蛋白质与核酸的空间结构及其在功能过程种的意义是这方面的主要课题 由于生物大分子涉及大量原子 在研究中遇到许多困难 所以这方面工作开展得比较晚 对蛋白质和核酸都已了解到半导体性这一独特性质的存在 这是由于弱力将不同的单元连结在一起而形成 由此 电子可以跨越不同单元而非定于化 原来的能级即组合成为有一定宽度的能带 对于能带间隙和宽度的计算 由于方法比较粗糙 所以与实际结果符合的不是很理想 近年来 大分子处于溶液状态下的溶剂化效应很受重视 特别是认识到水不仅作为生命物质的 介质 而存在 而且和大分子通过相互作用结合在一起 形成一个整体 量子力学的计算能给出有关水合位置的确切信息 特异作用与识别机制的研究 生物学领域的一个重要特征是相互作用的特异性 药物能和细胞表面的特异受体相互作用 一个抗体分子可以从105个分子中识别出与之结合而起反应的抗原分子 对于特异作用的机制 过去只从分子大小 形状合能否密切配合的所谓 锁与钥 的关系去理解 这种单纯 形态学 的观点还需进一步从 功能 的角度加以深化 也就是研究特异作用力及其引起的构象变化 对于许多生命现象的阐明 酶作用 免疫作用 药物作用等 显然具有关键性作用 量子生物学还是一门十分年轻的学科 国际量子生