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?...     

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。     

DNA微阵列制备的新进展

随着人类基因组测序的完成和蛋白组学工程的开展，具有高产出测序的特性的DNA微阵列技术的发展日新月异，其应用已经深入到了生命科学研究的很多方面．与此同时，几种新的DNA微阵列制备技术迅速发展起来，文章介绍了滚轮放大技术、聚酰胺胺表面法、三甲氧基对胺苯基硅烷／重氮化法、化学纳米印迹法等四种制备方法的新进展。     

基于功能性核酸识别的荧光各向异性分析方法与应用

荧光各向异性方法又称荧光偏振法,基于相互作用的分子结合前后发射光退偏振的不同而实现对相互作用的研究或对目标物的检测。20世纪50年代Gregorio Weber用荧光各向异性法研究了氮磺酰氯与牛血清白蛋白和卵清白蛋白的作用,开启了该方法在生物化学研究中应用的先河。而20世纪90年代开始的功能性核酸(FNAs,包括核酸适配体和核酸酶等)的发现与合成,使基于功能性核酸的传感得到了广泛的应用。核酸适配体能够特异性识别目标分子,基于核酸识别的荧光各向异性分析方法具有高选择性、高灵敏度、高通量等优势,在研究蛋白质、核酸和小分子的相互作用中起到重要作用,然而如何提高结合前后的荧光各向异性信号变化,尤其是小分子识别前后,在基于功能性核酸识别的分析方法发展中是一个挑战。介绍了基于功能性核酸识别的荧光各向异性的方法应用于检测蛋白质、核酸及其他在生命活动中起重要作用的小分子的基本原理及设计理念。     

分子信标的原理、应用及其研究进展

分子信标是一种设计巧妙的新型荧光标记核酸探针。特殊的发夹结构使分子信标具有很强的特异性识别靶标序列的能力 ,目前已成为分子生物学和生物技术中一种强有力的研究工具。本文介绍了分子信标的原理及其在 PCR、核酸序列的分析、活细胞内核酸的动态检测、蛋白质 (酶 )与核酸的相互作用等方面的应用和研究进展。     

旋转分子马达的代表——ATP合成酶

 所有生物的运动系统都与能量的输运有着密切的联系。这主要是由于具有马达功能的大分子蛋白质做功的结果,这些蛋白质分子被称为分子马达或蛋白质马达。它们在体内占有特殊的地位,是生命活动和生命现象的主要承担者。这些运动系统有一个共同的特点即ATP(三磷酸腺苷)水解释放的能量通过分子马达的构象变化可高效地将化学能转换为机械能。因此,分子马达就起到了能量转换器的作用。分子马达的运动协调起来就产生了宏观的运动。但是,这些运动如何协调起来产生生命现象和生命活动,则需进一步研究。到目前为止,人类已确定了上百种马达,它们在机体内执行着各种各样的功能,已经知道的分子马达有线性分子马达和旋转分子马达。     

乳腺癌组织中蛋白质与核酸分子氢键特征的研究

正常乳腺组织与乳腺癌组织的红外光谱之间存在明显而规律的差异,其中包括蛋白质与核酸等生物分子的氢键缔合方式和程度上的不同。光谱的变化主要表现在：（1）蛋白质的酰胺Ⅰ带,N－H基团和某些氨基酸残基上C－O（H）基团的振动谱带;（2）核酸分子中磷酸二酯的反对称伸缩振动谱带和配对的碱基N－H基团振动等谱带上。氢键是维系和促进蛋白质与核酸高级结构形成的重要作用力,癌变时氢键的变化与癌细胞的特殊生物学行为密切相关,因此有可能利用氢键的这些光谱特征作为乳腺癌诊断和预测癌变可能性的指标。     

二维核磁共振——研究蛋白质溶液构象的一种新方法

 生命科学的研究已经进入了分子时代,人们希望能应用分子结构及其变化的观点来说明生命的基本过程,包括遗传及其变异;药物、毒物对细胞的作用机理;免疫过程及其缺陷的分子过程;衰老、癌症以及多种疾病的预防与治疗等等.所有这些现象的研究都建立在对生物大分子(特别是蛋白质和核酸)结构的了解的基础之上,而当前遗传工程、蛋白质工程等高科技的发展无疑也必须首先知道生物分子原来的结构和起主要作用的部位,然后才有可能加以修饰以满足实践需要.因此,分子结构的研究是分子生物学的核心课题,而在分子结构的研究中,在它发展的各个不同阶段上,近代物理学的理论与实验技术都是起决定性作用的因素.     

核酸与有机小分子反应机理的荧光特性研究

核酸与有机小分子的反应机理对认识核酸的结构与功能具有重要作用,也是揭示核酸的生物功能与一些药物的作用机制的重要途径。研究核酸与有机小分子之间的相互作用对生命过程的模拟和生命本质的探索具有十分重要的意义,并对近年来该领域采用的荧光光谱法进行了综述,从温度、双分子猝灭过程的速率常数、荧光寿命以及吸收光谱的变化等方面作了论述,从而确定了核酸与有机小分子(染料和药物)之间相互作用的荧光猝灭类型;总结了结合常数、荧光给体-受体间的作用距离、作用力类型及结合方式的多种求算方法,并分别阐述了核酸与染料及药物在不同结合数下生成常数的计算方法。这对研究核酸与有机小分子之间的作用机理、开发新的核酸探针以及以核酸为靶标的药物分子的设计有一定的指导意义。     

共振光散射技术测定核酸的研究进展

核酸分析是生命科学研究中最重要的技术之一。目前主要是应用核酸内源紫外吸收光谱的紫外分光光度法和基于荧光探针分子与核酸相互作用的荧光分光光度法。紫外分光光度法灵敏度低 ,荧光分光光度法试剂昂贵 ,有毒性。近年来 ,共振光散射技术在核酸分析中的应用得到了迅速的发展。核酸的共振光散射分析方法可以用普通的荧光分光光度计进行测定 ,应用安全、便宜的试剂获得很高的灵敏度。简要介绍了共振光散射分析的基本原理 ,并对近年来利用共振光散射技术分析核酸的研究进行了评述。内容主要包括利用有机染料分子作为核酸的共振光散射探针的分析方法 ;基于阳离子表面活性剂、金属离子及其络合物以及药物与核酸相互作用的分析方法 ;核酸形成大粒子的散射分析方法。     

核酸识体的研究及应用

核酸识体(aptamer)是近年来发展起来的一类经体外人工进化程序筛选出的寡聚核苷酸。它能高效、特异地结合各种配体，在蛋白质的分析检测、医学诊断治疗、生物传感器和分子开关的开发等方面有很大的应用前景，文章对核酸识体的研究和应用进展进行了综述。     

《自然》披露ISI统计数据错误

 据《科学时报》报道英国《自然》杂志在社论中披露了提供论文引用统计数据的机构---位于美国费城的科学信息研究所(ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ,简称ＩＳＩ)在数据统计中出现错误的事实。社论说:“对于那些主要依靠这些统计数据来对科学表现进行评价的机构和人来说,这种情形令人担扰。”在ＩＳＩ公布的引用率最高的热门论文排行榜上,去年由国际人类基因组测序组发表的人类基因组序列测序结果的论文却榜上无名。这一奇怪的现象促使《自然》杂志社对ＩＳＩ的引用数据的统计数据进行了调查。调查发现,该机构的相关统计数据还有多处不准确的地方。     

用DNA制成的人造分子机器

生物细胞重要的功能都是由生物大分子(核酸和蛋白质)组成的分子机器完成的.科学家向大自然学习,也试图用这些大分子造出人造机器来,以让它们完成特殊的任务.比如,以ＤＮＡ为工具,来排列胶体粒子,引导半导体纳米晶体或金属线的生长,用ＤＮＡ双螺旋手征性转换所产生的机械运动,来制造纳米机器开关等.据2000年8月10日的《Ｎａｔｕｔｅ》杂志报道[1],Ｂｅｌｌ实验室的科学家们发明了也是用ＤＮＡ做成的一种分子机器,如果交替地供给两种互补的ＤＮＡ片段,这种机器就可以像剪刀那样做开合运动.这种分子机器主要由Ａ,Ｂ,Ｃ三种ＤＮＡ片段组成.Ａ的…     

冷冻电子显微学介绍

“结构决定功能”——生物体之所以能够有条不紊的进行各种生命活动,和细胞内有着特定结构并承担着各自特有功能的生物大分子（包括蛋白质,核酸等）密切相关。     

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。     

生物信息学与物理学

简要介绍了人类、模式生物基因组的测序计划以及生物大分子的数据库。并阐述了生物学的主要研究方向。     

人类基因组初期计划的结束--新的起点

最近的Nature杂志发表了一篇文章，宣告人类基因组常染色体测序的结束．渎者可能会产生疑问，人类基因组计划不是三年前就宣告结束了吗，这再一次的宣告结束是什么意思？其实，三年前结束的只是人类基因组的草图，草图留下了许多的缺憾．比如，在“常染色体”的部分（基因组富含基因的部分）碱基对缺失了10％．这已经不是个小数目，而整个基因组的碱基对则缺失了30％．当时的草图含有成千上万的间隙（未能测得碱基对顺序的区间）和被错误放置的区域。     

新的基因组测序——理解人类起源

"解读尼安德特人的基因组"是Science周刊评出的2010年十大科学进展之一.最近,在相关领域工作的科学家又做出了新的进展.来自哈佛医学院遗传系的Reich和来自德国人类进化马普研究所的Paabo等在Nature周刊上撰文,报告了他们对一块"类人(human-like)"指骨进行核DNA(即细胞核22对常染色体和1对性染色体中的DNA)测序的结果.这块指骨取     

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。     

衰减全反射红外光谱用于人乳腺癌组织的研究

通过对32例人乳腺良、恶性肿瘤的衰减全反射红外光谱的对比研究发现,它们之间存在明显而规律的光谱差异,反映了乳腺良、恶性病变组织中,蛋白质、核酸和脂类等生物大分子的构型与构象以及相对含量上的差别.研究表明:傅里叶变换红外光谱可以从分子水平上揭示良、恶性肿瘤的分子结构信息,极有潜力成为一种临床原位诊断肿瘤的新方法.