分子生物物理學

分子生物物理學是綜合應用近代物理學理論(量子力學、固體物理學、凝聚態物理學)和技術(包括各種測定結構與分子物理性質的衍射技術，光譜技術和顯微技術)，從分子水平來闡明生命現象的一門學科。其研究的內容包括細胞中大分子和小分子以及分子聚集體的結構功能動力學，相互作用，能量轉換和高精確度測量方法及用理論物理和數學處理生物體系方法的應用，以及用計算機進行生物模擬等。它是生物物理學發展的必然趨勢，也是分子生物學的重要組成部分，是生命科學的各個分支學科向微觀發展的需要。 ^[1-2] 

最早的分子生物物理學專著出現於1962年，作者R.B.Detlow & E.C.Polland根據當時學科發展水平認為：“分子生物物理學即用小分子和大分子性質説明生物系統和生命現象的特徵。”而分子結構、分子運動規律、有序分子的發育和能量轉移則是研究的主要內容。1977年Volkenstein寫了另一本《分子生物物理學》，強調用量子力學和光譜等物理學理論和技術研究分子結構、平衡關係與性質、分子相互作用與轉變動力學，並認為，在以蛋白質和核酸為主要研究內容時和生物物理化學相似，二者難以區分。八十年代初期，分子生物物理學的研究日趨活躍，應用物理學方法研究活體中有機與無機分子、分子相互作用(包括基質、細胞骨架、激素、突變劑與藥物)、分子結構及細胞重建、物質在細胞與細胞器內外運輸、運動及定位、結構與功能的關係，反應中能覺轉變與構象改變，信息的傳遞與調控等已經成為分子生物物理學研究的基本問題。所有這些，都極大程度地推動了分子生物學的進展，也因此影響到與之相關的一些學科，目前出現的分子遺傳學、分子細胞生物學、分子藥理學、分子免疫學、分子神經生物學等等都説明分子生物物理學的發展推動了整個生命科學的迅速發展，這種推動作用當然也包含着分子生物物理學本身的發展。 ^[1] 

中子衍射技術的應用是結構研究的重要輔助手段。X射線無法測定氫原子，但中子由於不帶電，能和原子核作用而產生散射。它對氫和氘的散射有明顯差異。因此，用氘化法可精確測定氫原子的位置，從而可研究諸如肌紅蛋白中的氫和氫鍵、水分子的位置、水橋和鹽橋的位置、酶催化作用中氫的作用等問題。

由於X射線衍射 ^[3]  要求有晶體樣，而晶態並不是大分子在活體中的自然狀態，也不能追蹤大分子在完成功能過程中的動態變化。因此，60年代以來發展了多種技術，測定大分子在溶液中的構象。例如，圓二色譜、熒光技術、激光-拉曼光譜等。以往對血紅蛋白與氧的結合，曾提出過去氧型四級結構轉變為含氧型四級結構的所謂變構模型。用核磁共振技術研究特異氨基酸殘基的質子共振與氧合的關係後證明，氧合時未配位的亞基誘發變構，這種過渡並不能只用兩種狀態的變構模型加以描述。二維磁共振技術已成為溶液中大分子構象研究的有力工具。大分子結構與構象的研究還必須和水的狀態相結合。水在活體中並不只是一種溶劑，由於其獨特的性質，常和大分子相互結合而成為一個整體。這種結合不僅影響大分子本身的各種性質（例如旋轉運動的速率），而且常導致能量傳輸途徑的改變。水結構的研究已成為分子生物物理學中的重要課題之一。

能量是一切生命活動的原動力，它可以來自體內的某些反應（高能磷酸化合物ATP），也可以來自體外（光合作用中的光和高能輻射對機體的損傷）。大分子的能量狀態決定於分子本身的各種運動──電子運動、振動與轉動。由於這些運動都只能採取某些特定的方式，使大分子的能態具有量子化的特點即能量只能取一定的數值。由此決定了能態的變化也是量子化的，這正是各種光譜和波譜技術能在分子生物物理學中發揮重大作用的根據。

分子在吸收能量後，由能量較低的基態轉變為能量較高的激發態，其中的一個（或幾個）電子由配對的狀態（例如，一個化學鍵中的兩個電子，其自旋方向正好相反）轉變為不配對的狀態而形成自由基。激發態和自由基都是相對不穩定的高能狀態，因此它們的化學活性較高，反應能力較強。生物體內的許多反應都和激發態和自由基的產生有關，例如，酶的催化作用、光合作用與視覺過程、輻射的生物效應等。

處於激發態的分子，常常可以通過各種不同途徑把多餘的能量無損耗地轉移到其他分子而本身又恢復到基態。這種非輻射性躍遷過程中的能量傳遞稱為能量轉移，能量的多次轉移常稱為能量遷移。這種能量轉移過程的研究，對了解生命活動的本質十分重要。關於能量轉移機制，已有多種假説或理論，例如，共振轉移、電子轉移、質子轉移、激子轉移、電荷遷移和絡合物的形成等，但都不是結論性的，尚待結合具體的生物對象深入研究。

由多數生物分子通過相互作用而形成的集合體稱為生物聚集體，其狀態統稱為生物聚集態。研究較多的是由核酸與蛋白質相互結合而形成的核小體以及由蛋白質和類脂作為主要成分的。用中子衍射技術已經測出核小體是140個鹼基對的DNA繞着非極性蛋白顆粒轉 1.7圈的模型，用核磁共振技術瞭解到核心顆粒中H3、H4組蛋白是與DNA牢固結合的，而H2A、H2B則只有非極性末端與中間區和DNA結合，鹼性N端不參與。説明只要有H3、H4組蛋白即能產生核小體的主要結構特徵。

生物聚集態的形成，不僅產生新的結構特性，而且產生了新的物理性質，具備了新的功能。例如，通常都是由脂雙層鑲嵌着蛋白質組成所謂生物膜的液態鑲嵌模型。因此產生膜的有序性、流動性以及液晶態的性質，這些獨特的物理性質對於説明物質進出細胞、細胞正常週期活動和病態過程中的變化具有重要意義。

生物聚集態、量子生物物理的研究，都涉及到分子內原子之間以及分子之間的相互作用力，而且在生物對象中,這種作用往往具有高度特異性。例如,抗體與抗原的作用、藥物與受體的作用等。作用力決定大分子本身的能態與結構，也決定着能態與結構的變化。作用力本身又主要取決於分子外圍的電子，在一定程度上也和原子核有關，這類微觀粒子的運動必須用量子力學闡明。