生物物理化学技术的自然百科

[拼音]：shengwu wuli huaxue jishu

[外文]：techniques of biological physicochemistry

在生物化学和分子生物学的领域中，广泛使用的各种物理化学技术。这些技术大致用于下列几个方面：纯化或鉴定生物大分子和与生化过程有关的有机分子；研究生物大分子大小、形状、水合状态、带电性质以及它们变化的动态过程；研究生物分子，特别是生物大分子的化学结构与立体结构，以及各种和生物大分子功能有关的结构变化和动力学过程，各种生物分子（包括大分子和大分子，大分子和小分子配基）的相互作用。

用于纯化、鉴定生物分子和物理化学方法有层析、电泳、超离心等。用于研究分子大小、形状和水合状态等动态过程的物理化学方法有：超离心、渗透压、粘度、光散射、小角度 X射线散射、中子散射和电子显微镜等。

用于生物分子研究的物理化学方法中，光谱、波谱以及衍射技术有着特别重要的地位。它们不仅是鉴定生物分子，研究其结构的主要方法，而且它们往往和其他技术结合，用来解决生物分子研究中的特殊问题。

光谱、波谱和衍射技术，都是根据物质和电磁辐射的相互作用，引起电磁辐射变化为原理而发展起来的技术。

电磁辐射具有波动性，它的特性可以由振动频率或波长决定。二者和光速c有下列关系：

c＝

按照电磁辐射的波长不同，通常称之为不同的光、射线和微波（见图）。

蛋白质、核酸和酶的一些辅助因子在紫外、可见和红外范围可以与某些特定波长的电磁辐射产生共振，吸收能量。研究波长和吸收的关系可借助于各种光谱技术。分子中能吸收特定波长能量的基团叫生色基团，其光谱性质和它的结构有关，因此可以用来研究生物分子的化学结构和立体结构，也可以用来跟踪生化过程中生物分子的结构变化。

生物分子的某些生色基团吸收了特定波长的电磁辐射后，被激发到较高的能级，由于激发态是不稳定的，处于该状态的分子只能停留在该状态很短暂的时间，然后要返回到基态，同时把吸收的能量释放出来。处于激发态的分子由于能量的转移，或者和溶液中的溶质或溶剂分子相互作用损失了部分的能量，其余部分以较长波长的电磁辐射形式释放出来称之为荧光或磷光。荧光和磷光的差别在于分子处于不同的激发态，从第一电子单线激发态回到基态发出荧光，经三线态者发磷光。荧光寿命一般在10-9秒左右，而磷光寿命一般地说要比荧光寿命长得多。生物化学中比较重要的是荧光。荧光的激发光谱、发射光谱、荧光寿命、荧光偏振和荧光淬灭等测定是荧光技术的主要方面。利用荧光技术可以研究生物大分子的外形、生色基团的立体结构，分子间的相互作用、周围环境对生物大分子结构的影响以及生物过程的分子机理。

当被激发的分子在激发态基本上不停留，立即以相同的波长，随机地改变入射光的方向把能量释放出来，称为散射；而当被激发的分子，在散射时以不同于原来激发光的波长释放出能量时，称为拉曼光。光散射可以用来研究生物大分子或更复杂体系的粒子的大小、形状及相互作用。用激光为激发光的拉曼光谱为激光拉曼光谱。激光拉曼光谱可以用来研究生物分子的化学和立体结构。

在电磁辐射是偏振光的情况下，偏振光与某些基团的共振和这些基团的不对称性有关，研究分子的这种不对称性的主要技术是旋光光谱和二色性光谱。后者以圆二色光谱最为成熟。由于生物大分子在结构上的不对称性，因此可以用旋光光谱和圆二色光谱来测定它们的立体结构（见圆二色性）。

荧光也有偏振现象，这是因为分子对于激发光的电（磁）矢量有选择性，在荧光寿命期间，分子的运动决定了被激发的分子的发射光的电（磁）矢量的方向，研究入射光和发射光电（磁）矢量方向间的关系是荧光偏振，它是研究生物分子的相互作用、动态过程的一种有效技术。

在生物大分子有规则地排列的情况下(如结晶状态)，如果入射光的波长和散射质点的间距为同一数量级则散射光有规则地改变方向，并产生干涉现象，这就是衍射。用于生物大分子衍射的 X射线的波长与原子半径属同一数量级。因此 X射线衍射技术可以研究蛋白质和核酸在晶体状态的三维结构。这一类的方法在蛋白质和核酸的结构研究上作出了重要的贡献。（见生物大分子衍射技术）

利用微波区的电磁辐射来研究生物分子的方法统称为波谱技术，主要有两类:一类是利用磁矩不为零的原子核在外加磁场下对无线电波的吸收和再发射的性质，为核磁共振技术；另一类是利用自旋不配对的电子在外加磁场下产生对微波的吸收和再发射的现象，称为电子顺磁共振。核磁共振可以研究生物分子在溶液中的化学和立体结构。选择不同的具有自旋不配对的核，可以得到分子局部和整个分子的结构及它们的动态过程的重要信息，也可以用来研究生化反应过程中寿命很短的反应中间物的存在和它的结构。顺磁共振技术可以研究自由基产生、转变和消失的动力学过程从而提供关于生化过程的某些机制方面的重要信息。正在发展起来的氢核的二维核磁共振谱（包括 COSY二维相关核磁共振谱。NOESY，奥弗豪泽强化核磁共振谱等），在研究蛋白质在溶液中的三维结构上，已经取得了很大的进展，是生物化学研究中一种很有前途的物理技术。

光谱和波谱的技术在酶学的研究中也有特殊的重要性，许多细胞色素就是仰赖光谱技术发现的。酶活力测定中许多方法也是根据产物和底物光谱性质不同而设计的。对于酶催化过程中反应中间物的鉴定，构象变化的探测等研究工作中，光谱和波谱技术是最重要的手段。

用化学方法引入生色基团、顺磁基团等也是对生物分子研究的一种重要方法。

此外，尚有一些其他的非常有用的方法如电子显微镜技术，可以用来观察生物大分子的外形，亚基结构装配过程、细胞器的结构以及生物大分子在细胞中的定位；质谱技术可以用来测定生物大分子的化学结构等。这些也都属于生物物理化学技术的范畴。