生物物理学导论-讲义01 ppt课件

生物物理在环境保护领域的应用前景
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生态毒理学
研究环境污染对生态系统的物理和化学影响，评 估环境风险和制定相应的环境保护策略。
生态修复
利用生物物理的方法和技术，修复受损的生态系 统，提高生态系统的稳定性和可持续性。
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Байду номын сангаас
资源利用与可持续发展
研究如何合理利用自然资源，实现经济、社会和 环境的可持续发展，例如能源利用和废物处理等 。
生物系统的信息传递和调控
研究生物体内信息传递和调控的机制，如光合作用、听觉、触觉等 感知觉的物理过程，以及神经系统的信息处理和传递。
生物物理的应用
医学影像技术
药物设计和筛选
利用X射线、超声、磁共振等物理手段进行 医学影像诊断，为临床治疗提供重要依据 。
通过研究药物与生物大分子的相互作用， 利用计算机模拟等技术进行药物设计和筛 选，提高药物研发的效率和成功率。
01
02
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细胞膜电学特性
细胞膜具有选择通透性， 能够控制带电粒子进出细 胞，维持细胞内外电荷平 衡。
跨膜电位
细胞膜内外存在的电位差 ，是细胞进行生物电活动 的基础，对维持细胞正常 功能具有重要意义。
离子通道
细胞膜上存在各种离子通 道，控制特定离子的通透 性，参与细胞的兴奋传导 和信息传递过程。
细胞的电磁场
生物系统的物理规律
生物系统的力学规律
生物力学
研究生物体内力学规律的科学 ，主要关注生物运动、器官功 能和生长等方面的力学特性。
骨骼力学
骨骼是生物体内重要的力学结 构，其设计和功能与生物的运 动和生存密切相关。
肌肉力学
肌肉是生物体内实现运动和功 能的关键组织，其力学特性和 工作机制对生物的运动和行为 至关重要。

照片重构了病毒颗粒尾部的三维空间结构，从而开辟了分子生物学领域中
一个崭新的结构研究领域。其后相当一批生物大分子的结构，其中包括一
些膜蛋白，应用电子晶体学方法被确定下来。在这些成果中， Henderson
和Unwin于1975年发表的关于细菌视紫红质（BR）的7埃分辨率的工作是电
子晶体学上的一个里程碑，该工作第一次给出了膜整合蛋白的结构。1982
分辨率/nm 0.3 0.24 0.3 0.18 0.31 0.25 0.28 0.28 0.29 0.25 0.32
报道时间 1985 1992 1992 1992 1995 1995 1995 1996 1997 1997 1998
完整版课件ppt
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蛋白质晶体的类型
由于分子之间相互作用的性质不同，蛋白分 子可以形成三种不同类型的晶体，即三维晶休、 二维晶体和二维晶垛(stacks of 2D crystals)。 其中，维系分子之间形成三维晶体的相互作用主 要来自亲水相互作用；而在二维晶体中，膜包埋 区域疏水相互作用是维系晶体结构的主要作用； 对二维晶垛，膜包埋区域仍是疏水作用，而层间 则是亲水作用。
年Klug因此获得了诺贝尔化学奖完。整版课件ppt
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电子晶体学的发展
最近十年来，随着计算机图像处理技术、电子显微镜 技术及生物样品二维结晶技术的发展和完善，电子晶体学 已经发展成为一种X射线晶体学所不可替代的生物大分子 空间结构分析的有效手段。
Henderson等人于1990年把细菌视紫红质的研究提高到 了3.5埃的分辨率，并在此基础上提出了这种蛋白质的一 种原子模型。用体外重组方法生长的一些膜蛋白的二维晶 体，如细菌外膜的porin OmpF和 PhoE，植物捕获光能复 合体 LHC-II等，都获得了接近原子水平的空间结构。用 脂单层方法生长的水溶性蛋白质straptavidin的二维晶体， 也获得了3埃的高分辨率。

• 1944年的《医学物理》介绍生物物理内容 时，涉及面已相当广泛，包括听觉、色觉 、肌肉、神经、皮肤等的结构与功能（电 镜、荧光、X射线衍射、电、光电、电位、 温度调节等技术），并报道了应用电子回 旋加速器研究生物对象。
• 1943年E.薛定谔的讲演：“生命是什么”
• 用热力学和量子力学理论解释生命的本质引进了“ 负熵”概念，试图从一些新的途径来说明有机体的 物质结构、生命活动的维持和延续、生物的遗传 与变异等问题（见耗散结构和生物有序）。
2.生物物理学的学科意义
• 生物学
• 生物数学 生物物理学 生物化学 细胞生物 学 生理学 发育生物学
•
遗传学 放射生物学 分子生物学 生
物进化论 生态学 神经生物学
•
植物学 昆虫学 动物学 微生物学
病毒学 人类学 生物工程，心理学
• 在生物学方面被广泛认同甚至成为学科基础的主 要理论包括：达尔文提出的生物进化论；细胞学 说；孟德尔遗传学说；遗传密码和中心法则理论( 包括近年关于表观遗传和非编码RNA调控等重要 发展)；普列高津耗散结构理论（将生命看作自组 织化系统的理论）等。
• 细胞利用环境中饱和和不饱和脂肪酸与温度有关 。在15～20℃时利用油酸，而在20～25℃时则主 要利用亚油酸，从而提供了不同温度条件下控制 作物能量转换途径来提高作物的营养价值。70年 代末全球耗地为1.5×109公顷土地，其中盐碱地 占4×108公顷。能否利用某些好盐菌来改良土壤 ，尤其是具有视紫红质的好盐菌，借助它能将光
子样品。有时一种技术的出现将使生物物理问题的研究大 大改观。如 X射线衍射技术导致了分子生物物理学的出现 。因此虽然技术本身并不一定就代表生物物理，但它对生 物物理学的发展是非常关键的。

生物膜的基本组成
细胞内膜系统：
与原核细胞不同， 真核细胞具有复 杂的内膜系统， 即细胞质中有许 多膜性细胞器 (membranebound organelle)。
细胞内膜系统：线粒体
线粒体(mitochondria)是真核细胞的能量转换系统。线 粒体具有高度特异化的两层膜结构，即外膜(outer membrane)和内膜(inner membrane)，其直径约1m。 线粒体外膜含有大量的孔道蛋白(porin), 它们穿越磷脂 双分子层形成大的水溶性的通道。这些通道对于分子量小 于10kd的分子是自由通透的。 线粒体内膜以高度折叠的形式形成嵴(cristae)状结构， 以增加总的内表面积。线粒体内膜蛋白质的含量很高，按 重量计算，蛋白质约占70％，脂类约占30％。 内膜上的 许多蛋白质是与其能量转换功能相关的，一组是呼吸链电 子传递酶复合体，其功能是引导电子有序地从一个载体蛋 白传递到另一个载体蛋白；另一组是ATP合成酶复合体， 用于催化ATP的合成。
Spectrin molecules from human red blood cells
Each spectrin heterodimer consists of two antiparallel polypeptide chains.
Spectrin-based cytoskeleton on the cytoplasmic side of the human red blood cell membrane
细胞内膜系统：溶酶体
溶酶体(lysosome)是细胞内主要的消化系统，内含大量 的酸性水解酶(包括磷酸酶、硫酸酶、酯酶、蛋白酶和糖苷 酶等)，用于把多肽、多糖、多聚核苷酸、糖脂等水解成单 体。
溶酶体内水解酶的最适pH值为5，这个低pH值微环境 是由溶酶体膜上的质子ATP酶维持的。

• 布：在膜两侧，电子裁体(如细胞色素和非血红
素铁蛋白)用
• 氢载体(如黄素蛋白和苯i6)替换。通过这样的
安排，或者经
• 由底物的还原(在呼吸电子传递约情况下)，或
者经由光诱导
• 的初级反应(在光合作用电于传递情况下)，被
电子载体传输
• 穿过膜的电子产生一电场，引起质子通过氢载
体或者从膜内
• 按照这一理论，解偶联剂格提供消除质
• 作。但是p对叶绿体或线粒体就不能作这
样的结论，离子线体
• 抗菌素的实验结果表明，不是完全没有
膜电位，就是逆向
• ATP酶只用哪梯度起作用。
• 光诱导三个类胡萝r素吸收带的红移(国5．40
M)，这是由于
• 通过电子传递以及质子梯度的膜电位成份，产
生了电位。这一
• 移动的电学起因可通过下述实验提供：将Kc?
在这种
• 研究中证明，被悯联的磷酸化的抑制剂仅当放
电子传递“激
• 励”时，才与悯联因子纳合。因此，在叶绿体
中，仅半加入辐射
• 防于时，抑制剂N—乙基顺丁烯二欣亚舷才抑
创允仑磷酸化。
• 而且，用氢的同位素质(”H)这类放射性示踪物
还可证实，抑
• 制剂与悯联因子的结合被光照显著提高。
• 虽然构象理论看来可以克服“化学的”
电位(B口使有
• 也很小)。除非破坏离子梯度的试剂(如尼日里
亚菌素)也存
• 在，绚氨雷素并不使结合成微囊休的三种膜个
的任何一种的
• ATP合成解悯联。在细菌制剂中，当存在可透
负离子(如硫
• 氰酸根负离子cNs—，它根容易透过细菌膜)时，
尼日里亚菌
• 这些结果意味老，细菌灼边向ATP酶也

如肌肉收缩时， Ca2+诱导Ca2+释放， 肌浆网(肌细胞内特化的内质网)释放出大 量Ca2+，从而导致细胞收缩。
这些Ca2+释放过程，是通过细胞器 （主要是内质网）膜上的Ca2+通道释放的， 称为Ca2+释放通道。
(1) Ryanodine敏感的Ca2+释放通道 骨骼肌的Ca2+释放通道对植物碱 Ryanodine高度敏感，现已纯化出Ryanodine受 体(RyR)，RyR存在于肌质网。RyR通道类似于 配体门控的Ca2+通道，电导较大。
生物物理学导论-13 神经生物物理(2)
§6.5.3.4 Ca2+通道
细胞内Ca2+浓度变化调节着细胞代谢、 基因表达等细胞共有的活动以及兴奋、 收缩、分泌等细胞不同反应，故Ca2+通道 愈来愈引起人们的重视。 Ca2+通道几乎普遍分布于各种组织 的细胞膜中。
§6.5.3.4.1 细胞膜上Ca2+通道
(1) 电压门控Ca2+通道 根据齐对膜电位变化的敏感性分为： L型(long-lasting): 电导大，衰减慢，强去极化激活 分布：兴奋－收缩偶联、分泌 T型(transient): 电导小，衰减快，弱去极化激活 分布：心肌与神经的起搏点活动以及重复发放
N型(non-longlasting non-transient): 电导介于L、T间
骨骼肌的收缩由电兴奋引起，从动作电位开始 到张力变化开始，约需20ms
动作电位 横管膜的去极化 Ca2+内流进入细胞 RyR通道活化 肌浆网释放Ca2+ 粗细肌丝相对滑动 肌肉收缩
Ca2＋诱导Ca2＋释放
§6.6.3 心肌细胞的电活动

应用于实践的实际需要所决定的一门学
科。因此从战略高度明确这门学科的必
要性和重要意义，并给予支持，促使其 迅速发展至关重要。
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• 其次，在规划中应抓住起主导作用的领 域重点加以支持。这些领域将带动其它 部分，而将为整个学科的长远发展奠定 坚实的基础。即使在这些领域内也应考 虑我国经济力量及其它条件，抓重点， 分主次，逐步发展，有所为，有所不为。
生物物理学导论
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生物物理学
• 什么是生物物理？生物物理研究的内容 是什么？
• 生物物理学是用物理学的理论、原理和 实验方法研究生命科学中的问题。也就 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，是物理学和 生物学相结合而产生的一门边缘学科。
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• 细胞内的蛋白输运；细胞骨架的研究； 活细胞及其中物质的动态变化研究；外 界物理因素(光、各种波长电磁辐射、压 力、温度等)对生物膜结构与能量传输关 系的研究等等。同时，对膜与细胞在疾
病等不利环境下的变化及其纠正的研究，
以及对人工膜在医学、农业和工业中的 应用研究应给予足够的重视。
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2)膜与细胞生物物理
• 膜与细胞生物物理是仅次于分子生物物理的另一 个重要领域，是把分子生物物理中所获得的知识
应用于活细胞的自然延伸，其中又以膜生物物理
研究更为活跃。生命过程中的能量、物质和信息
的转换都在膜与细胞中具体体现，外界物理因素 (包括光、高能辐射、电磁场等等)的作用机制、微
以时间分辨的荧光、红外、激光拉曼等技术开展溶
液构象与动力学研究；开展分子间相互作用，特别
是生物分子间识别作用的研究和蛋白质折叠过程的

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平衡态热力学
• 热力学的基本概念 • 热力学第一定律 • 热力学第二定律
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1.1平衡态热力学
热现象是与温度有关的、使物质性质发生改变的基本现象。 从微观上看，热现象是组成物体的微粒做一种永不停息的、 无规则的热运动的结果。 人们对热现象不断地分析、归纳，总结出热现象的宏观理 论——热力学。
• 热力学是研究热现象的宏观理论。 • 经典热力学是唯象的理论。
（1）容量性质状态函数 此类参数的数值与系统中物质的量成正比，即整个系统的 容量性质状态参数的数值，是系统各部分该参数数值的总 和。例如，一杯水的体积是各部分体积的总和，所以体积 是容量性质状态参数。其他如质量、热容量等也均是容量 性质状态参数。
（2）强度性质状态函数 此类参数的数值与系统中物质的量无关，即整个系统的强 度性质状态参数的数值与系统各部分该参数的数值相同。 例如，一杯水的温度与水的数量无关，各部分水的温度与 整杯水的温度是同一数值，所以温度是强度性质状态参数。 其他如压力、比容、密度等等亦是强度性质状态参数。
• 相互作用能主要指系统内部具有克服粒子间相互 作用力所形成的粒子位能，也称系统的内位能， 它是比容和温度的函数；
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• 系统的热力学能是其质量、温度和比容的 函数，也是一个状态函数，通常用U表示， 单位为焦耳（J）。
U=f(m,T,v)
• 由此可见，热力学能具有以下性质：
（1）系统的状态一定时，其热力学能是一单值 函数；
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•在热力学的研究中，作为研究对象的物质及 其发生变化的范围必需作出明确的规定。此
范围称之为系统，而在系统以外、与系统密 切相关且影响所及的部分称之为环境。
•系统与环境的关系：三类系统
孤立系统，与环境无能量和物质的交换；

研究细胞和组织的力学、电学和光学 等物理性质，以及它们在细胞分裂、 迁移和肿瘤生长等方面的作用。
生物物理学的重要性
促进生物学和物理学的发展
生物物理学的发展推动了生物学和物理学领域的理论和技术进步， 促进了两个学科的交叉融合。
医学与健康的应用
生物物理学在医学和健康领域有着广泛的应用，如医学影像技术、 放射治疗、药物研发和康复工程等。
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它利用物理学的理论和方法来研 究生物系统的结构和功能，以及 生物分子之间的相互作用和能量 转换等。
生物物理学的研究领域
生物大分子结构与功能
研究生物大分子的结构和动力学性质， 以及它们在细胞代谢、信号转导和基 因表达等方面的功能。
细胞与组织的物理性质
生物系统的信息传递
研究生物系统中信息的传递和加工， 包括神经系统的电信号传递、视觉系 统的光信号转导和基因表达的调控机 制等。
信号转导途径
信号转导途径包括G蛋白偶联受体 介导的信号转导、酶联受体介导的 信号转导和离子通道受体介导的信 号转导等。
信号转导的调节
信号转导受到多种因素的调节，包 括磷酸化、去磷酸化、泛素化等。
细胞骨架与细胞运动
细胞骨架的组成
细胞骨架由微管、微丝和 中间纤维组成，对维持细 胞形态和结构具有重要作 用。
神经网络的信号传递
总结词
神经网络的信号传递是神经生物物理学的重要研究内容， 它涉及到突触传递、神经元之间的信息交流和神经网络的 整合作用等。
总结词
神经网络的信号传递对于神经系统的高效工作至关重要， 它涉及到学习、记忆、注意等多种认知过程。
详细描述
突触是神经元之间信息传递的关键结构，通过突触前膜释 放神经递质，与突触后膜上的受体结合，引发突触后电位 或动作电位，实现信息的传递。

第一章 生物物理学的兴起与发展
1.1 生物物理学的形成与发展
首先，我们从讨论物理科学 与生物学之间的关系来明确生物 物理学的概念。
（1） 物理学的发展
物理学从哥白尼及加利路以来就逐渐明确它 的特点而成为一门精确的科学。它的威力就在于 它的精确性。物理学是进行精确定量测定，简炼 地概括性地给出事物的相互关系的学科。 早先人们努力致力于措述性科学(局限于叙 述现象和事实)，后来才发展成更精确的科学，当 称量刻度进入化学实验室时就结束了它的描述科 学阶段。
(4) 生物物理学的目标


生物物理学作为研究生物学的手段，不仅是描述 生命系统活动过程的物理化学基础，同时也从物 理学的概念来讨论生物体。 生物物理学将从为什么与怎样对生命系统来概括 出发，然后通过从分子水平直到更完整体系的水 平上，对这些体系中所发生的相互作用和过程的 观察来讨论怎样将物理学的理论与概念应用于这 些概括的系统中。最后，这些概括性再次从理论 生物角度进行讨论，希望能找到这样的概括在生 物学基本规律中的意义究竟是什么。


在细胞最外层的膜叫细胞质膜(或简称质膜)。 它形成一个具有选择性的屏障而保持了细胞的 化学完整性。后面我们将讨论正是由于膜上的 主动与被动传输过程，它的选择性不仅表现在 什么分子能进入或离开细胞，同时也表现在分 子进出细胞的速度上。 虽然也还有其他的方式物质能进入细胞，某些 游离细胞．例如阿米巴可以通过胞饮及吞噬这 两种方式把物质吞进细胞内。
第二章 生物的单位
2.1 细胞的含义
（1）细胞作为生物的基本单位



物理学家和化学究研究物质总是简单化和统一化 到量子力学范畴，认为物质的基本单元是原子。 人们要问这种原子的单位是否也存在于生物学中 呢？ 许多生物学课本中提出活细胞就是这种原子的单 位。 自从1665年Robert Hooke在木栓组织上发现“小 格子”以来，就建立了细胞概念，从此公认生命 具有一种细胞的结构。