分子生物物理

分子生物物理是生物物理学的一个重要组成部分，是运用物理学的概念、理论与技术从分子水平研究生命物质与生命过程的一个领域。目前分子生物物理在整个生物物理学中已处主导地位，成为学科发展的主流。
生命物质一般都很复杂，具有非生命物质所没有的特征。生命过程是以生命物质作为它的结构基础而进行活动的特殊运动方式。非生命物质和生命物质都由原子和分子组成，它们都遵循着控制物质结构及其运动的一般规律。这是它们的同一性。这种同一性说明，生命过程的本质从分子水平加以阐明，必需广泛应用近代物理学的理论与技术，研究生物大分子的结构、物理性质、能量状态及其在完成功能过程中的变化与动力学。另一方面，生命过程毕竟是比物理与化学运动形式更为高级的运动形式，它们具有差异性。例如生物大分子之间的相互作用往往具有高度特异的性质，一个抗体分子可以从几千、几万甚至十几万分子中识别出能够与其结合的一个抗原分子，非生命物质就不具备这种性质，充分认识到这种差异性才能避免简单化，才能对生命过程作出正确的分子水平的解释。
研究内容 分子生物物理研究的中心内容是生物大分子（首先是核酸与蛋白质）的结构与物理性质，以及这些性质的变化与功能过程的关系，从而在分子水平上阐明生命过程的基本规律。为了进一步理解这些性质的产生机理，有必要在更低的层次上研究分子内与分子间的相互作用，这样就进入到量子水平而与量子生物物理（量子生物学）相衔接。另一方面，把分子结构与性质的研究扩大到由多数大分子按一定规律所组成的体系（聚集态）对于理解细胞的的功能具有重要意义，对生物膜的应用就是一个典型例子。这方面的发展将逐步与细胞生物物理相衔接。
(1) 生物大分子的结构： 蛋白质与核酸等生物大分子都由数量较少的不同单位(20种氨基酸、5种核苷酸)相互连结而成。大分子的主链本身又有盘曲、折叠，并依靠各种较弱的作用力来维持一定的空间结构。二十世纪五十年代以来，由于X射线衍射技术的发展，对晶态分子的研究取得了显著成果，近代分子生物学就是在这种物理研究的基础上发展起来的。目前结构已搞清楚的蛋白质约达100种以上。这方面的研究仍在发展之中。仪器分辨能力的提高将有可能了解更多的结构细节； 电子计算机的应用大大加速了结构测定的全过程； 中子衍射技术的应用解决了X射线无法测定的氢原子的准确位置，对于了解氢键以及有氢参与的酶催化作用具有重要的推动作用。
晶态不是生物大分子在活体中的自然状态。不是所有的生物大分子都是易于获得适用于X射线衍射测量所必需的晶体。实际上生物大分子都处于细胞的水环境之中，作为极性分子的水将和大分子结合而形成水结构。在不同的温度、pH等环境条件下以及在完成功能过程中，大分子的结构都将发生变化。例如蛋白质多肽链从α螺旋转变为无规则卷曲就是蛋白质变性时的一种常见现象。目前把主链的盘曲方式以及由此引起的侧链基团之间的空间关系称为生物大分子的构象。溶液中大分子的构象与构象变化的研究已成为近十余年来分子生物物理的研究重点之一。这种发展是和各种物理技术的发展密切相关的，其中特别是红外光谱、磁共振技术、荧光技术与激光Raman谱技术起到了重要作用，它们都能直接追踪溶液中大分子构象的变化。在理论研究方面，利用量子力学计算法得出构象能量图，从而可以推算出最有可能的构象，对溶剂效应的研究可了解水合位置，这些都为构象研究提供了依据。
(2) 生物大分子的物理性质： 生物大分子的物理性质包含的内容非常广泛，从其大小、形状、质量、旋光性、电荷分布、极性、分子局部粘度到分子的各种运动(例如移动、振动、转动、扩散、螺旋的形成与解开)与其相应的能量状态(电子能级、振动能级、转动能级及其变化)都属于物理性质的研究范围。在由许多分子结合而成为聚集态时，还将出现一些新的性质，例如半导体性，液晶态的性质、压电效应、有序性与流动性等等。大分子的物理性质和它的结构与构象密切相关。例如蛋白质变性时旋光色散谱（或圆二色谱）的改变反映其旋光性质的改变，而这种改变则是螺旋构象的减少和无规则卷曲增多的结果。在物理性质的研究中，大分子的能态占有重要地位。这是因为任何一种发生在活体中的过程都伴随着能量的变化。肌肉收缩、视觉过程、氧化磷酸化作用、光合作用中的能量变化是研究较多的几个课题。从分子生物物理的观点来看，生物学功能都是和能量的产生、传递、储存与利用相关的过程。外界物理因素对于机体的作用，也都涉及能量的吸收、转移与利用，并与其对大分子结构的改变联系起来，成为理解其生物学效应的基础。例如用紫外线照射脱氧核糖核酸，被吸收的能量经常用于使胸腺嘧啶环的5位与6位间的C-C键打开，从而形成胸腺嘧啶二聚物。这一现象既说明了被吸收的能量向嘧啶环的转移，再被5、6C-C键所捕获，也说明了照射后嘧啶结构的改变以及紫外线所造成损伤的原因。
在物理性质的研究中应用了大量物理技术。除了经典的渗透压、扩散、沉降、粘度、导电性的测定以外，近年来越来越多地应用各种新技术。例如用光散射法测定分子大小与分子量，用红外、紫外吸收与荧光分光光度术测定能态变化，用核磁共振技术测定大分子附近的水结构状态等。
(3) 生命基本过程的探讨： 分子生物物理在结构、构象与物理性质方面的研究成果为阐明生命基本过程提供了依据。在分子生物学中已经了解DNA的复制涉及两条互补链的解旋、拆离，每条链中的碱基按配对原则各与相应的碱基结合而成为二股新的螺旋。分子生物物理的任务在于充分利用理论与实验手段阐明解旋的动力来源，碱基配对中的相互作用力，根据碱基对彼此间的相对空间位置了解构象的动力学变化，以及由此而产生的复制本身的精确性与突变概率，在各种因素(例如紫外线、电离辐射与化学物质，特别是致癌因子等)作用下，DNA分子的构象变化与局部损伤的形成和修复机理等等。关于酶的催化机理研究近年来也成为一个重要的课题，主要涉及酶的变构现象、化学修饰、用各种探剂标记研究微区的变化、底物、抑制剂与酶的结合及其专一性、金属离子的作用等。由于荧光与磁共振方法的应用，现已有可能直接追踪催化过程的不同阶段。
(4) 分子内与分子间的相互作用力： 无论是大分子结构、物理性质、能量状态以及生命过程中的分子变化都不可避免地涉及原子与分子之间的相互作用。生物大分子中的相互作用力分为强力与弱力两种。共价键与离子键属于强力，是构成蛋白质与核酸主链的力。氢键、偶极相互作用等属于弱力，在维持大分子构象中起重要作用。一定的构象取决于各种作用力之间的平衡关系，而构象的变化则取决于某些弱力的重新组合和外界因素对一些强力的破坏作用。所有这些作用力都涉及分子与原子外围的电子运动，而描述这种运动必须运用量子力学的理论与方法。在分子生物物理的研究中，量子力学方法的应用已日益显示其重要性，并有独立成为量子生物物理或量子生物学这一更低层次分支的趋势(见“量子生物学”条)。(5) 分子以上的结构研究： 分子生物物理发展的另一趋向是研究由大分子所组成的体系，其中特别引起人们重视的是两个方面。第一是核酸与蛋白质相互关系的研究，这对于了解细胞核内染色体的结构与功能具有重要意义。利用分别与蛋白质及核酸相结合的双重荧光标记与能量转移的方法已能研究核酸与蛋白质相互结合时的构象改变。第二是人工膜与生物膜中各种成分 （脂肪分子与蛋白质分子）的运动状况，特别是侧向运动。为此应用了多种荧光技术，例如荧光漂白恢复技术(FRAP)，荧光相关光谱术(FCS)以及磁共振技术等成为当前膜生物物理研究中的重要方向。
在医学研究中的意义 对于生命现象分子水平的研究，同样推动着医学本身的发展，使人们能从分子水平理解疾病发生过程的机理，监测疾病的发生与发展（诊断），并为纠正分子水平的变化提供依据（治疗）。
二十世纪中叶以来，由于原子能事业的发展与核武器的使用，人类遭受高能辐射作用的可能性日益增加。辐射对生物大分子的作用涉及大分子中不同基团稳定性的研究、瞬时活性产物——自由基的研究、大分子局部损伤及其修复的研究，以及各种致敏剂与防护剂的设计与寻找等。实验表明，蛋白质在受照射后，不同部位所吸收的能量最终将转移到二硫键上并使键断裂。因此设计与寻找能阻断这种能量传递过程的药物就成为研究防护措施的有效途径之一。反之，为了增强射线对肿瘤组织的杀伤作用，减少它对正常组织的不利影响，依靠更易于吸收射线能量的致敏剂是一种重要的措施。
近年来免疫学已进入分子水平，关于抗体——抗原的相互作用占重要地位。分子生物学的研究已明确免疫球蛋白是由二条重链与二条轻链组成的结构。应用荧光标记抗原与能量传递的理论已能精确测定两个Fab段（结合抗原的片段）末端之间的距离，以及结合部位的结构与位置。关于抗体与抗原间特异相互作用的本质也正从理论与实验两个方面进行研究。与此类似的是药物与受体之间的特异作用。把药物本身的结构和各种激动剂与拮抗剂的结构作对比，已能逐步了解各种受体部位的构象、本质及其在相互作用中的变化。
研究分子生物物理问题的技术与成果在应用到疾病过程、病变组织、细胞和体液时，常能获得有意义的结果，有些甚至可能作为诊断的手段。七十年代以来用核磁共振技术研究肿瘤组织与血清，了解其中水结构与正常者的差异；用电子自旋共振研究正常组织、肿瘤及其它病变组织； 用荧光偏振技术鉴别正常人与癌症患者血中淋巴细胞的胞浆等都已取得了引人注目的成果。深入研究这类问题不仅对疾病机理的了解有所帮助，并将有助于临床诊断与治疗等实际应用。