生物物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、生物物理生物物理物理学家眼中生物物理学家眼中生物张文炳第1页二。研究内容研究内容:1。仅由20种氨基酸组成聚合物怎样形成有准确三位结构及特定生物功效?2。DNA怎样解构并准确复制及指导蛋白质合成?3。怎样感知外部世界?(声音,光,味。)4。肌细胞怎样把ATP化学能转化为力和运动?5。细胞膜怎样选择输运物质?6。生物物理技术第2页复杂性:全部生物系统必须:准确、储存和转化能量。自我复制(保留信息从上代到子代)必须有精细结构(复杂大分子积聚体)适应环境改变:功效和进化控制。研究策略:分解:把系统分解为部分再结合起来确定:每一部分是什么部分怎样组成整体每一部分怎样工作第3页1916-1916-192
2、8-1928-1916-1916-University of London University of London London,Great Britain London,Great Britain Harvard University Harvard University Cambridge,MA,USA Cambridge,MA,USA Institute of Molecular Institute of Molecular Biology Biology Cambridge,Great Britain Cambridge,Great Britain Great Britain Gre
3、at Britain USA USA Great Britain Great Britain Maurice Hugh Frederick Maurice Hugh Frederick Wilkins Wilkins James Dewey Watson James Dewey Watson Francis Harry Compton Francis Harry Compton Crick Crick for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance fo
4、r information transfer in living material The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962第4页Franklin,Rosalind Elsie(1920-58),British biophysicist.Born in London,she was educated in physical chemistry at Newnham College,Cambridge.Franklin conducted X-ray diffraction studies on the structure of the DNA
5、 molecule,the carrier of hereditary information,while working in the laboratory of British biophysicist Maurice Wilkins.This work enabled American biochemist James Dewey Watson and the British Francis Crick to determine the helical structure of the DNA molecule.第5页第6页 James Watson(left)and Francis C
6、rick第7页NobelPrizeinChemistryfordiscoveriesconcerningchannelsincellmembranesPeter AgreRoderick MacKinnon第8页离子通道离子通道第9页离子通道特点离子通道特点对离子选择性对离子选择性:离子离子 直径、形状、电荷直径、形状、电荷 通透饱和性通透饱和性开关可控制性开关可控制性 不连续开放不连续开放 经过构型改变来确定开关经过构型改变来确定开关 构型有细胞内外环境调控构型有细胞内外环境调控K+channel(KCSA)第10页The Nobel Prize in Physiology or Medic
7、ine 1963Sir John Carew EcclesAlan Lloyd HodgkinAndrew Fielding Huxleyfortheirdiscoveriesconcerningtheionicmechanismsinvolvedinexcitationandinhibitionintheperipheralandcentralportionsofthenervecellmembrane第11页单细胞电学模型胞外液:电阻 Ro胞内液:电阻 Ri膜电容Cm特征:双脂层结缘体 电荷内外分布膜电导特征:电阻离子通道RoRmCmRiRm第12页Nernst 平衡电位 Fick 定律(
8、扩散)J=扩散流D=扩散系数 I=离子浓度dx=膜厚 Ohms 定律J=电场驱动离子流=速率Z=离子价 e.g.,Z for Na+=1;Z for Cl-=-1I 离子浓度V=跨膜电位 dv/dx=-E=电场 第13页Einstein 关系Einstein 关系:离子迁移速率与扩散系数间关系R 为气体常数:R=8.314 J/(k mol)F 为Farady常数;F=96487 C/mol扩散和电场同时存在时:j=jdiffu+je第14页平衡时:j=0从膜外到膜内积分,得到:跨膜电位差:Vm=Vi Vo,Nernst 平衡电位第15页The Nobel Prize in Physiolog
9、y or Medicine 1991Erwin NeherBert Sakmannfortheirdiscoveriesconcerningthefunctionofsingleionchannelsincells第16页电压钳技术试验设计依据试验设计依据:离子运动产生离子电流(I)取决于膜离子通透性,可兴奋膜含有电容(C)、电阻(R)特征,而离子电流大小与膜电阻即通透性相关,通常以膜电阻倒数即膜电导(G)来表示。因为 I=IR+IC 当膜电位(即电压V)固定时,IC=0 则 I=IR 因为I=VG 而V又是固定不变,所以跨膜电流 I 改变成为膜离子电导G量度。第17页膜片钳技术a)基本原理基
10、本原理:微吸管接触胞膜和抽吸高阻封接(膜片与胞膜其它部位电学隔离)统计经一个或少数几个通道离子电流并进行通道功效分析。b)试验结果试验结果:第18页第19页生物分子折叠生物分子折叠折叠:从蛋白质序列确定结构。结构决定其功效错误结构病(疯牛病、帕金斯)第20页Levinthal悖论假设一个蛋白质由100个氨基酸残基组成,每个残基有三个状态,蛋白质构型数:31005x1047假设从一个构型到另一构型需10-10秒,随机搜寻全部构型需:5x104710-10=1.6x1030年而实际上,蛋白质折叠时间为毫秒到分蛋白质折叠非随机搜寻蛋白质折叠使自由能最小对于折叠:(系统包含水和蛋白质)第21页蛋白质折
11、叠中能量熵减小,不利于折叠内能减小,利于折叠水作用非常主要,疏水作用是蛋白质折叠主要驱动力水结构及熵改变疏水侧基排出水,排出非折叠态笼中水第22页热力学知识焓(enthalpy):H=E+PVH=q-PV+w+PV+VP=qH=E+PV+VP(P=0,V0)E系统能量怎样储存?分子动能。在恒温下,不变。化学键和相互作用能。经过化学反应释放和增加。第23页熵和混乱度能量守恒不能作为一个进程是否发生标准这些过程是不可逆第24页熵表示其状态:S=kBlnW熵常数微观状态数对于孤立系统,最可能结果为熵最大判断一个过程是否自发发生:S0(自发发生)S0(非自发发生)第25页溶液稀释熵:H=0对1M蔗糖,
12、水=55M对0.1M蔗糖54水550水55个位置550个位置1糖1糖W=一个糖分子放在55个位置数目W=一个糖分子放在550个位置数目通常:S10.1=Rln10=4.57cal/moloK第26页自由能描述一个系统(不论是否为孤立系统)是否自发反应结合焓和熵改变:G=HTS自发反应标准:假设H=0G=TSG0S0G0自发反应G0非自发反应G=0平衡态第27页小结对化学反应HS1)储存在键和相互作用势能改变1)描述混乱度2)平衡常数随温度改变2)平衡常数不随温度改变3)反应价键数目、类型及强弱3)反应构象、溶解有序无序转变4)4)反应趋于发生第28页蛋白质骨架构象柔软性对于折叠反折叠过程形成折
13、叠态方法有多少?第29页自由度2:、假设每个自由度有2个值,每个残基有4个构象和对于由100个氨基酸组成蛋白质,构象数为:41001060当考虑排除体积效应,其数目为:W反折叠1016S0骨架构象=Rln1016=73cal/molKG0骨架构象=-TS=-22Kcal/mol(T=250C)对蛋白质,另外自由度也起作用第30页水对蛋白质折叠影响低水解高水解第31页RNA动力学与基因调控动力学与基因调控第32页RNA分子功效分子功效1958年,年,Crick提出了著名中心法则。阐述了提出了著名中心法则。阐述了DNA,RNA,蛋白质三者关键功效与关系。,蛋白质三者关键功效与关系。DNA是遗传信息
14、存放载体,在是遗传信息存放载体,在RNA辅助下合成蛋辅助下合成蛋白质白质。第33页中心法则补充与完善中心法则补充与完善转录转录逆转录逆转录DNA复制复制RNA复制复制翻译翻译虚线表示催化调控作用虚线表示催化调控作用伴随研究深入,RNA生命意义逐步凸显:功效极其丰富,参加到生命活动各个方面。核酶核酶第34页RNA分子特点分子特点一样是主要遗传分子 逆转录与RNA复制结构多样,功效丰富 RNA催化作用参加生命活动多个方面 “RNA世界”学说第35页RNA分子结构分子结构由带有由带有A、U、G、C四种碱基核苷酸四种碱基核苷酸缩合而成长链分子。缩合而成长链分子。碱基之间能够形成碱基之间能够形成A-U,
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