生物分子结合水的结构与动力学研究进展

生物结合水在维护生物大分子的结构、稳定性以及调控动力学性质和生理功能等方面起着决定性的作用.从分子水平上理解生物结合水分子的结构与性质及其影响生物结构和功能的本质与规律,是揭示生物大分子生理功能机理的关键.目前生物结合水的结构与动力学相关研究尚处于初步阶段.本文从三个方面介绍当前生物结合水的相关研究及其进展:首先介绍结合水对蛋白质折叠、质子给予与迁移、配体结合与药物设计以及变构效应等生物结构和功能的影响;然后介绍生物分子周围的水分子结构研究情况;最后从时间尺度、动力学属性、生物分子与水分子之间的动力学耦合作用、蛋白质表面结合水次扩散运动等角度介绍生物分子水合动力学的研究进展,并归纳出一些目前尚待进一步解决的科学问题.     

超高压对蛋白质的影响

在现有的超高压对蛋白质影响研究的基础上,详细地总结了超高压对蛋白质的分子体积、非共价键和分子结构的影响。在超高压作用下,蛋白质的分子体积被压缩变小;压力通过改变蛋白质分子的氢键、离子键、水合作用和疏水相互作用来影响蛋白质结构;低于800MPa的压力会造成蛋白质分子的二级、三级和四级结构的改变,其中四级结构对压力最敏感,三级结构次之,二级结构的改变较小;高于8GPa的压力会影响蛋白质分子的一级结构。     

小球状蛋白质的低频振动模式

蛋白质分子中原子振动的研究(包括理论计算和实验测量),对进一步弄清蛋白质功能的机制具有重要的意义.蛋白质的特征结构及其动力学性质是其执行生物功能所必须的.在一定温度下,蛋白质分子中的原子在其平衡位置发生振动.因此,研究蛋白质分子的空间结构及其活动性(尤其是蛋白质分子活性部分的活动性),对进一步了解蛋白质分子的结构、功能与动力学过程之间的联系具有重要的意义.大家知道.对于分子晶体,由于原子之间的键合情况和相互作用情况的不同,相应的振动光谱可分为内振动部分和外振动部分.内振动频率与相应的自由分子振动频率较接近,故振…     

用X射线自由电子激光拍摄分子电影

作为生命活动的基本单元,蛋白质等生物大分子的功能与分子结构和动力学密切相关。X射线衍射和电子显微技术能够确定原子分辨率的分子结构,但是分子在"工作"期间的结构演化还需要大量的方法研究。X射线自由电子激光(XFEL)因其特有的超高亮度飞秒脉冲,成为捕捉动力学过程中分子结构变化的利器。文章介绍了基于XFEL的"泵浦—探测"时间分辨实验方法,通过捕捉蛋白质分子被激发之后特定时刻的结构,拍摄高分辨的分子电影,展现分子在实现功能过程中的精细动力学,为准确理解分子机理奠定了基础。     

分子吸收光谱在生物大分子研究中的应用

综述了近年来分子吸收光谱法在生物大分子结构研究中的应用,重点介绍了利用分子吸收光谱法研究蛋白质、核酸结构及其与小分子的相互作用。分子吸收光谱法因其简便、快速的特点而广泛应用于生物大分子结构的测定。紫外光谱法常用于从分子水平上研究小分子如抗癌药物与核酸作用的机理,并应用于小分子作为光谱探针测定蛋白质、核酸构象的变化。傅里叶变换红外光谱法主要应用于蛋白质二级结构的测定,运用傅里叶自卷积将重叠的酰胺带进行处理,获取蛋白质二级结构的含量信息,从而使傅里叶变换红外光谱法成为揭示蛋白质构象变化的重要工具。     

蛋白质动力学理论研究中的计算机模拟方法

蛋白质是生物体中一种十分重要的高分子物质。蛋白质分子有着自身所特有的化学、物理结构;在溶液中蛋白质分子不仅自身不同部分间存在着相互作用,而且还与溶剂分子间发生着复杂的相互作用,这些都很大程度上影响到分子的结构和演变过程。为了对蛋白质分子进行模拟,很有必要建立适当的描述蛋白质分子结构的模型,引入合理的模型基元间的相互作用,并采用有效的方法进行模拟,本着贴近现实和方便模拟的原则,在本文中我们系统地总结了近年来蛋白质动力学及其物理特性,特别对其模型、势能及模拟方法进行了着重介绍。为了增加一些感性认识,文中还就实验分析、折叠的协作性、搜寻保守残基和动力学过程的熵效应和阻挫效应等几个专题进行了应用介绍。     

蛋白质动力学理论研究中的计算机模拟方法

蛋白质是生物体中一种十分重要的高分子物质。蛋白质分子有着自身所特有的化学、物理结构;在溶液中蛋白质分子不仅自身不同部分间存在着相互作用,而且还与溶剂分子间发生着复杂的相互作用,这些都很大程度上影响到分子的结构和演变过程。为了对蛋白质分子进行模拟,很有必要建立适当的描述蛋白质分子结构的模型,引入合理的模型基元间的相互作用,并采用有效的方法进行模拟,本着贴近现实和方便模拟的原则,在本文中我们系统地总结了近年来蛋白质动力学及其物理特性,特别对其模型、势能及模拟方法进行了着重介绍。为了增加一些感性认识,文中还就实验分析、折叠的协作性、搜寻保守残基和动力学过程的熵效应和阻挫效应等几个专题进行了应用介绍。     

拉曼光谱法研究不同环境温度下脉冲电场对胰岛素二级结构影响及理论模型分析

近年来,弱电磁辐射生物效应已受到人们的普遍关注.前期研究发现脉冲电场与环境温度对胰岛素分子的构象产生协同效应.因此,文章首先应用拉曼光谱法研究了不同环境温度下脉冲电场对胰岛素分子二级结构的影响,得到胰岛素分子α螺旋结构含量的变化;并运用蛋白质螺旋-线团结构转变模型对实验结果进行定量分析,得到的理论模型可以较好地刻画不同环境温度下,脉冲电场对胰岛素分子α螺旋结构含量的影响.脉冲电场的作用及热力学环境的改变,使蛋白质螺旋结构向无规线团结构发生转变,可以解释脉冲电场作用下,胰岛素分子α螺旋结构含量随环境温度升高而下降的原因.研究结果为进一步研究弱电磁辐射对生物大分子二级结构的非热效应机理提供了一定的实验依据及理论参考.     

蛋白质“液-液相分离”的理论和计算方法进展

蛋白质分子的"液-液相分离"是近几年生物物理学领域迅速发展起来的研究热点.蛋白质相分离在一系列生物学过程中发挥着重要的作用.蛋白质分子序列和构象的多样性和复杂性,给蛋白质分子的理论研究、计算机模拟和实验研究都带来了巨大的挑战.当前,多尺度理论模型和多分辨率计算方法被广泛地用于蛋白质分子的"液-液相分离"的研究中.本文将对蛋白质分子"液-液相分离"的理论基础和计算机模拟方法进行简要的综述,并对这些理论和方法未来的发展趋势进行了初步的探讨和展望.期望为进一步研究蛋白质"液-液相分离"的物理化学机制和过程提供理论基础和方法借鉴.     

快电子与原子分子碰撞实验

 原子分子结构是原子分子物理学的基本问题,光谱实验和碰撞实验是获得原子分子结构实验数据的基本方法.当前原子分子的激发态结构和碰撞动力学仍然是原子分子物理的最重要的前沿研究领域之一,特别是原子分子高激发态、原子超精细结构和原子团簇更是十分活跃.原子分子及离子的碰撞过程不仅与原子结构、分子结构及其状态密切相关,而且普遍存在于天体、星际空间、地球大气、等离子体以及化学反应过程中.因此这些碰撞过程的基本数据和实验技术对于能源项目、军事技术和许多学科的发展有着密切关系.这些学科包括核物理、凝聚态物理、材料科学、等离子体物理、空间物理、天体物理、化学物理、分子生物学等.     

科学晴空中的两朵乌云(续)

2 生物分子手性起源 分子手性的起源问题和生命起源问题密切相关.所谓分子手性,是指分子结构的左右不对称性(镜像不对称性).18世纪中叶,巴斯德发现酒石酸盐在偏振光中的不同反应是由于分子结构上的立体异构现象(左右不对称性).他认为:"一个不对称现象必须有一个不对称原因".此项研究对立体化学的发展起了决定性作用.巴斯德还十分注意这种立体异构和生命过程的关系,天才地猜测说:"生命是宇宙不对称性的功能表现的结果.宇宙是不对称的,生命由不对称力所主宰.我甚至设想一切活的物种,其结构和外形都是宇宙不对称性的功能表现."他还说:"如果没有生命,就不能产生不对称分子."其涵义是:在无生命的自然界中,左右不对称的两种对映异构体是等量存在的.而在生物体中,左手性的和右手性的分子是不等量的,总有一种占绝对优势.因此,靠生命为融媒,才能产生不对称分子.     

用异核多维NMR技术研究蛋白质动力学

蛋白质在溶液中的三维空间结构、动力学与蛋白质生物功能的关系是在分子水平上理解生命现象的重要基础. NMR技术在研究蛋白质动力学方面具有独特的优势,所能表征的运动过程相关时间尺度很广. 文章综述了异核多维NMR技术研究蛋白质动力学的实验技术和理论方法,介绍了描述蛋白质动力学的内运动参量的意义和Model-Free 方法,并举例说明¹⁵N弛豫测量实验被用于研究蛋白质及其与配体复合物的动力学.      

生物物理讲座 第六讲 生物大分子中的相互作用

核酸、蛋白质等生物大分子是构成生命的主要物质基础.研究它们的结构与功能是现阶段认识生命现象的中心环节.生物大分子的一个重要特点,就是其三维结构对其功能有极大的影响.所谓三维结构,是指分子在三度空间中的立体结构,亦即组成分子的所有原子的特征空间排布.三维结构也常称为空间结构.现在,越来越多的研究结果使人们认识到,没有特征的三维结构就没有复杂的核酸和蛋白质的功能.蛋白质是生命现象的功能分子.为了适应各种各样的生物功能,不同的蛋白质需要有不同的立体结构.在一定意义上,可以说是一个蛋白质分子对应一种立体结构.核酸是信息…     

生物计算机前景迷人

 生物分子电子技术是利用生物分子信息功能来装配电子元件和仪器的技术。目前,科学家已经了解和掌握了多种生物系统进行信息处理与传输信息的机理和模式:结构开关模式(利用电子从共价键传入和传出,改变分子状态);光学开关模式(利用特殊波长的光照射某些蛋白质,使蛋白质改变状态,选择和控制两种稳定结构表示开与关两种状态);“锁---匙”模式(利用酶的2种作用模式);非电子扰动模式(利用一个分子与蛋白质作用,使蛋白质振动而形成开关);此外还有以膜为基础的传感和控制模式、排列分子组合模式和生物分子非线性化学动力学模式等。     

氢键对2-(N-甲基)氨基-5-硝基吡啶分子非线性光学性质的影响

本文在杂化密度泛函理论水平上研究了溶剂对2-(N-甲基)氨基-5-硝基吡啶分子非线性光学性质的影响.在溶剂中,构造了包括氢键作用的超分子体系,在优化结构的基础上分别研究了由极化连续模型模拟的溶剂与该分子的长程相互作用、溶剂与该分子的氢键相互作用以及溶剂与包括氢键作用的超分子体系整体的相互作用对分子的几何结构、非线性光学性质、紫外吸收光谱和电荷分布等特性的影响.结果表明,溶剂中分子电偶极矩、线性极化率和第一超极化率都增大,而溶剂与溶质分子通过氢键形成的超分子结构与单体有着明显区别.因此,氢键对分子结构和性质的影响较大,从而将明显的影响该类分子的非线性光学性质.     

时间分辨的X射线衍射

详细论述了时间分辨X射线衍射探测原子动态过程和生物大分子瞬态结构的各种方法。介绍了多种超快X射线脉冲光源及其在材料和生化领域中的研究进展状况。材料方面:在皮秒时间尺度探测到了晶格间距毫埃的微小变化;在亚皮秒的时间尺度直接观测到晶体的超快熔化过程和晶体内的相干声子散射;生物化学方面:采用时间分辨X射线劳厄衍射方法探测了蛋白质大分子结构的变化和功能之间的关系;精确描述了有机分子在光作用下形态发生改变时分子键角的扭转角度,从结构上揭示了其动态机理。     

时间分辨的X射线衍射

详细论述了时间分辨X射线衍射探测原子动态过程和生物大分子瞬态结构的各种方法。介绍了多种超快X射线脉冲光源及其在材料和生化领域中的研究进展状况。材料方面:在皮秒时间尺度探测到了晶格间距毫埃的微小变化;在亚皮秒的时间尺度直接观测到晶体的超快熔化过程和晶体内的相干声子散射;生物化学方面:采用时间分辨X射线劳厄衍射方法探测了蛋白质大分子结构的变化和功能之间的关系;精确描述了有机分子在光作用下形态发生改变时分子键角的扭转角度,从结构上揭示了其动态机理。     

基于NMR自旋弛豫技术的蛋白质动力学研究

蛋白质的三维结构在很多情况下不能很好地解释其在生理过程中的作用机制. 动力学研究能够获悉蛋白质在不同时间尺度下的内运动信息,建立起动态结构和生物功能的联系. 该文综述了通过NMR自旋弛豫技术研究蛋白质动力学的原理和方法：ps~ns的快运动分析主要采用约化谱密度函数映射和Modelfree方法;μs~ms的慢运动涉及化学/构象交换过程,常借助CPMG和R_1ρ弛豫色散手段. 基于NMR的蛋白质动力学研究,将蛋白质科学从三维空间结构推进到四维时空结构的新层面.     

核磁共振波谱在药物研发中的应用进展

在现代药物的研发过程中,能够检测药物分子化学组成、结构及其与生物分子相互作用的新方法、新技术始终是人们最关注的科学问题之一。而光谱分析(包括红外、紫外和核磁共振)是最常用的分析手段。其中,核磁共振波谱技术通过检测组成有机化合物分子的原子核在周围化学环境影响下的跃迁规律,来获得反映核相关性质的参数,而这些参数包含了详尽的有机化合物分子结构和分子间相互作用的信息。核磁共振波谱能在液态、固态、气态,甚至在生物原位环境等多种复杂条件下,提供体系中分子组成、原子水平分辨率的三维结构、相互作用和动态过程等丰富信息,特别是药物研发中极其重要的药物分子与生物大分子的相互作用信息。因此核磁共振波谱在药物研发中发挥了越来越重要的作用,近年来在药物研发领域的应用是越来越广泛。而有关核磁共振波谱专门应用于药物研发方面的综述并不多见。由此,在简单阐述核磁共振波谱基本原理的基础上,从药物靶标生物大分子受体的结构与动力学、药物设计与筛选,以及药物代谢三方面综述了近年来核磁共振波谱在药物研发中的最新应用进展,以期系统的为分析工作者们提供核磁共振波谱在该领域目前的研究概貌。     

核磁共振波谱在药物研发中的应用进展

在现代药物的研发过程中, 能够检测药物分子化学组成、结构及其与生物分子相互作用的新方法、新技术始终是人们最关注的科学问题之一。而光谱分析(包括红外、紫外和核磁共振)是最常用的分析手段。其中, 核磁共振波谱技术通过检测组成有机化合物分子的原子核在周围化学环境影响下的跃迁规律, 来获得反映核相关性质的参数, 而这些参数包含了详尽的有机化合物分子结构和分子间相互作用的信息。核磁共振波谱能在液态、固态、气态, 甚至在生物原位环境等多种复杂条件下, 提供体系中分子组成、原子水平分辨率的三维结构、相互作用和动态过程等丰富信息, 特别是药物研发中极其重要的药物分子与生物大分子的相互作用信息。因此核磁共振波谱在药物研发中发挥了越来越重要的作用, 近年来在药物研发领域的应用是越来越广泛。而有关核磁共振波谱专门应用于药物研发方面的综述并不多见。由此, 在简单阐述核磁共振波谱基本原理的基础上, 从药物靶标生物大分子受体的结构与动力学、药物设计与筛选, 以及药物代谢三方面综述了近年来核磁共振波谱在药物研发中的最新应用进展, 以期系统的为分析工作者们提供核磁共振波谱在该领域目前的研究概貌。