分子生物物理学80页PPT

T0
273.15
（二）理想气体的微观模型
1、气体分子大小与分子间距相比较可忽略。
2、除碰撞外，分子间及分子与容器壁之间 均无相互作用。
3、碰撞为完全弹性碰撞，碰撞前后分子动 能不变。
第一节 理想气体的压强和温度
理想气体的微观模型： 自由地作无规则运动的弹性质点集合。
平衡态理想气体的统计假设
1、分子数密度 n 处处相等（均匀分布）， 各处的 n 值为同一个 n=N/V 值。
2
2 kT
上式中的m 是分子的质量，k R 1.38 1023 J K 是 1
玻耳兹曼常数。
NA
分布函数f(v)为速率v的连续函数。注意到以下一些表 达式的物理意义:
1、f (v)dv dN N 表示在总分子N中，速率在v~v+dv区 间内的分子数占分子总数的百分比。
2、N f (v)dv 表示速率在v~v+dv区间内的分子数。
气体在温度不太低、压强不太大时，可近似为理想气体。
理想气体的状态方程 (State Equation for Ideal Gas) ：
对于质量为m、摩尔质量 为M的理想气体，有：
pV m RT M
第一节 理想气体的压强和温度
其中普适气体常量R可由阿伏伽德罗定律求出：
R p0V0m 1.0133105 22.414 103 8.3145 J/(K mol)
已知分子的平均平动动能： w 3 kT 2
每个自由度对平动是等价的，平均分配到得动能为：
1 2
mv
2 x
1 2
mv
2 y
1 2
mvz2
1 2
kT
同样：每个转动自由度上的平均动能都等于： 1 kT

高级结构或 空间构象
32
一级结构 二级结构 三级结构
四级结构
33
一、蛋白质的一级结构
定义： 蛋白质的一级结构指多
肽链中氨基酸的排列顺序 。 主要化学键：肽键
二硫键的位置属于一级 结构研究范畴。
34
一级结构是蛋白质空间构象和特异 生物学功能的基础。从肽链的一级结构 可以预测蛋白质的二级结构。在这个基 础上三级结构的预测，有相当的难度。
1）作为生物催化剂 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递
14
二蛋白质的分子组成
The Molecular Component of Protein 蛋白质的元素组成
主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量P或金属元素Fe、 Cu、Zn、Mn、Co、Mo，个别蛋白质还含 有I。
21 30
胰岛素的一级结构
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二、蛋白质的二级结构
定义： 蛋白质分子中某一 段肽链的局部空间结构 ，即该段肽链主链骨架 原子的相对空间位置， 并不涉及氨基酸残基侧 链的构象 。
稳定因素： 氢键
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（一）肽单元 (peptide unit) 参与组成肽键的6个原子(Cα1、C、O
、N、H、Cα2)位于同一平面，又叫酰胺平 面或肽键平面。它是蛋白质构象的基本结 构单位。
即使极为简单的大肠杆菌（其体积约为2×10-12cm3)，也 含有3000多种蛋白质，1000多种核酸，还有1000多种其他 生物大分子和低分子的有机化合物。
生物大分子是生物大分子是一切生命形 式的基础切生命形式的基础。
5
三、在这样种类复杂，形态万千的生物体系中，人们必 须寻求生命状态的基本逻辑原理，这就是：

04
蛋白质的结构与功能
蛋白质的分子组成与结构
氨基酸通过肽键连 接形成多肽链，即 蛋白质的一级结构 。
多条多肽链组合在 一起，形成蛋白质 的三级结构。
蛋白质的基本组成 单位是氨基酸，共 有20种常见氨基酸 。
多肽链经过盘绕、 折叠形成二级结构 ，主要形式包括α螺旋和β-折叠等。
在特定条件下，蛋 白质可形成四级结 构，由多个亚基组 成。
发展历程
从20世纪50年代DNA双螺旋结构 的发现开始，分子生物学经历了 飞速的发展，成为现代生命科学 中最为活跃和前沿的领域之一。
分子生物学的研究对象与任务
研究对象
主要包括DNA、RNA、蛋白质Байду номын сангаас生 物大分子，以及它们之间的相互作用 和调控机制。
研究任务
揭示生物大分子的结构、功能及其相 互作用机制；阐明基因表达调控的分 子机制；探索生物大分子在生命过程 中的作用和意义。
转录因子
01
真核生物中存在大量转录因子，它们与DNA特定序列结合，激
活或抑制基因转录。
表观遗传学调控
02
通过DNA甲基化、组蛋白修饰等方式，改变染色质结构，影响
基因表达。
microRNA调控
03
microRNA是一类小分子RNA，通过与mRNA结合，抑制其翻
译或促进其降解，从而调节基因表达。
基因表达调控的分子机制
发育生物学研究生物体的发育过程，而分子 生物学则揭示了发育过程中基因表达和调控 的分子机制。
02
DNA的结构与功能
DNA的分子组成与结构
DNA的基本组成单位
脱氧核糖核苷酸，由磷酸、脱氧核糖 和碱基组成。
DNA的碱基
DNA的双螺旋结构

DNA双螺旋结构模型的建立
诺贝尔医学与生理学奖 1962年
2020/12/17
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Watson JD和Crick FHC的“双螺旋结 构模型” 启动了分子生物学及重组 DNA技术的发展。确立了核酸作为信息 分子的结构基础；提出了碱基配对是核 酸复制、遗传信息传递的基本方式，最 终确定了核酸是遗传的物质基础。
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In 1952, Alfred Hershey and Martha Chase did an experiment which is so significant, it has been nicknamed the “Hershey-Chase Experiment”.
2020/12/17
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In 1952, Alfred Hershey and Martha Chase did an experiment which is
so significant, it has been nicknamed the “Hershey-Chase Experiment”.
2020/12/17
DNA-遗传密码的携带者
引自Neil Campbell著Biology第4版,1996
蜘蛛毒素 金属硫蛋白 胰岛素
蛋白酶 光合作用受体
分子生物学的研究内容
基因与基因组的结构与功能 DNA的复制、转录和翻译 基因表达调控的研究 DNA重组技术 结构分子生物学
分子生物学的发展历程
1944~1966年，人类对DNA和遗传信息传递的 认识阶段
1910年，德国科学家Kossel第一个 分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。
1959年，美国科学家Ochoa 因为酶 学方面的杰出贡献（第一次合成核糖核 酸），与实现试管内细菌细胞中DNA的 复制的Arthur Kornberg共享当年诺贝 尔生理与医学奖。

第一章分子生物物理学
一、分子生物物理学的物理基础
(一)生物学与物理学的关系
1.近代生物学的研究已向微观分子水平的 精确定量方面发展,使生物学和物理学之 间的渗透和结合成为事实. 2.生命是复杂分子系统内部发生的物理过 程和化学过程的一种特殊表现. 3.分子生物学近年来所取得的突破性进展 与物理学技术的进步有着密切的关系.
吉布斯自由能:又叫吉布斯函数，是热力学中一个重要的
参量，常用 G 表示，它的定义是：
G = U − TS + pV = H − TS
( U 系统的内能，T 温度，S 熵，p 压强，V 体积，H 焓) 吉布斯自由能的物理含义:是在等温等压过程中，除体积变 化所做的功以外，从系统所能获得的最大功。换句话说， 在等温等压过程中，除体积变化所做的功以外，系统对外 界所做的功只能等于或者小于吉布斯自由能的减小。 在等温等压过程前后，吉布斯自由能不可能增加。如 果发生的是不可逆过程，反应总是朝着吉布斯自由能减少 的方向进行。 它是一个广延量，单位摩尔物质的吉布斯自由能是化学势
力学、分子动力学计算）进行结构预测。该类方法假设折叠后的
蛋白质取能量最低的构象。 另一类是统计方法。该类方法对已知结构的蛋白质进行统计
分析，建立序列到结构的映射模型，进而根据映射模型对未知结
构的蛋白质直接从氨基酸序列预测结构 。这一类方法包括经验 性方法、结构规律提取方法、同源模建方法等。目前，唯一可行 的蛋白质三维结构预测方法是同源模建（Homology Modeling）。
熵公式:
dS= diS + deS
孤立体系的熵：deS=0； ∴ dS=diS≥0 开放体系的熵： dS=0; diS≥0 ∴deS ≤0 注:
deS:为体系和外界环境间进行的物质和能量交流 而引起的熵变,即熵流.

helix
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分子生物物理学[1]
Distortions of a-helices
The majority of a-helices in globular proteins are curved or distorted
somewhat compared with the standard Pauling-Corey model. Why?
分子生物物理学
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2020/11/10
分子生物物理学[1]
分子水平
研究生物体系物理学性质、行为
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结构
功能
分子生物物理学[1]
Molecules in Biosystem
Biopolymers:
Nucleic acid (DNA, RNA) Protein
Saccharide Lipid Other
1. The packing of buried helices against other secondary structure elements
in the core of the protein
2. Proline residues induce distortions of around 20 degrees in the direction of
along the helix axis, i.e. we say that the
a-helix has a pitch of 5.4 Å.
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分子生物物理学[1]
a-helices have 3.6 amino acid residues per turn, i.e. a helix 36 amino acids long would form 10 turns.

展望分子物理学未来的发展方向与重
要研究方面，为学术界提供参考和启迪。 Nhomakorabea3
国内外研究进展
总结国内外分子物理学领域的最新研 究成果和发展趋势，促进学科交流与 合作。
应用前景
预测分子物理学在能源、材料、生物 科学等领域的重要应用前景，为工业 界的决策提供支持。
器件应用和能源转 化
将分子物理学应用于光伏、 电池等能源转化器件的设计 与优化。
分子与材料科学
分子在材料科学中的基础研究
研究分子的结构、性质和相互作用，为材料设计 与改良提供依据。
利用分子设计新材料
基于分子物理学原理，开发具有特定功能的新材 料，如智能材料和纳米材料。
发展趋势与展望
1
未来的发展
2
《分子物理学》PPT课件
# 分子物理学 PPT课件 ## 第一部分：概述 - 介绍分子物理学的定义和基本概念 - 分析分子的结构、属性和行为
分子物理学研究内容
分子光谱学
探究光和分子之间的相互作用，并应用于化 学分析和医学诊断。
分子机制研究
深入了解分子间相互作用和生物化学过程， 为新药物研发提供理论指导。
分子动力学
研究分子的运动和行为，解析化学反应和能 量转化过程。
生物分子物理学
探索生物分子的结构、功能和响应，推动生 物科学和医学领域的发展。
分子能量转移与传递
分子内能量转移
研究分子内部能量的传递与 转化机制，探索材料的储能 与释能特性。
分子间能量传递
分析分子之间的能量传递途 径与效率，为能源传输与储 存技术提供基础研究。

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。
02
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。

刚性多原子分子 6个自由度；平动 3个；转动3个
本课程中不考虑分子内部的振动，因此认为分子是刚性的。 关于分子的振动能量的说明，需要用到量子力学的知识。
二、能量均分定理 (Energy equal-partition theorem )
已知分子的平均平动动能：
w 3 kT 2
每个自由度对平动是等价的，平均分配到的动能为：
其中气体常量R可由阿伏伽德罗定律求出：
R p0V0m 1.0133105 22.414 103 8.3145 J/(K mol)
T0
273.15
二、理想气体的微观模型
气体分子热运动(chaotic motion)基本特征：
1、气体分子大小与分子间距相比较可忽略。 质 点

2、除碰撞外，分子间及分子与容器壁之间 均无相互作用。
宏观量是大量粒子运动的集体表现，决定 于微观量的统计平均值。
第二节 理想气体分子动理论
一、理想气体物态方程
平衡态(equilibrium state)：在不受外界影响的条件下， （与外界无物质，能量交换）系统的宏观性质不随时间改 变的状态。
状态参量(state parameter)：描述状态的物理量
NA
理想气体温度
p nkT
p
2 3
n
1 2
mv2
2 3
nw
比较这两个式子
w 1 mv2 3 kT
2
2
——理想气体分子的平均平动动能与温度的关系式
温度的微观本质
w 1 mv2 3 kT
2
2
理想气体温度 T 是分子平均平动动能的量度，是分子 热运动剧烈程度的标志。
温度 是大量分子热运动的集体表现，是统计概念，对 个别分子无温度可言。