生物電學(xué)理論第一節(jié)生物聚合物的介電特性

1、生物電學(xué)理論第一節(jié)生物聚合物的介電特性 生物電現(xiàn)象為生物的電場理論提供了實驗依據(jù)。闡明了神經(jīng)系統(tǒng)是電能和電信息的運行系統(tǒng)。之后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生物分子具有壓電、半導(dǎo)體等一系列的電學(xué)性質(zhì)。這些性質(zhì)在維持生物體正常生理功能中發(fā)揮著怎樣作用？心電、腦電是由此而產(chǎn)生的嗎？人們是如何利用生物電來進行醫(yī)學(xué)診斷和治療的呢？問題？味覺、嗅覺、視覺是如何產(chǎn)生的？生物和人體各層次的電學(xué)特性，電活動規(guī)律和電刺激對生物和人體的作用。 第一節(jié) 生物聚合物的介電特性一、分子中的化學(xué)鍵生物分子的相互作用 蛋白質(zhì)分子中原子間、基團間、分子間存在各種相互作用，用化學(xué)語言說，就是存在各種共價鍵和非共價鍵（庫侖力、vdW、氫鍵和疏水鍵）。

2、這些化學(xué)鍵對確定生物分子的結(jié)構(gòu)和功能起著重要的作用。 共價鍵：強相互作用，熱穩(wěn)定 非共價鍵：弱相互作用，單獨或少數(shù)非共價鍵將由熱運動而被破壞。但大量非共價鍵決定生物大分子的空間結(jié)構(gòu)，既可保持穩(wěn)定性，又有較大的靈活易變性。這些弱的維系力重要性何在?生物分子的相互作用類型共價鍵靜電相互作用范德華力氫鍵疏水作用共價鍵定義：原子和原子之間通過共有電子對而 結(jié)合的化學(xué)鍵。（強相互作用，熱穩(wěn)定） 由于電子的微觀屬性，共價鍵的形成不能簡單的用庫侖靜電相互作用來說明，只有用量子力學(xué)處理，才能給出合理解釋。 量子力學(xué)中，采取一個函數(shù)描寫粒子的波，稱為波函數(shù)。表征電子的空間分布，幾率波。 |2d表示電子在體元d內(nèi)

3、的出現(xiàn)幾率，故|2為幾率密度，或稱電子云密度。原子軌道和成鍵能力S P 亞層電子云密度n 主量子數(shù) K L M N O l 角量子數(shù) s p d fm 軌道磁量子數(shù)成鍵能力 在極坐標(biāo)下的極大值，以 f 表示 s，p，d 的相對成鍵能力 成鍵能力大的軌道形成的共價鍵牢固，因此， p-p成鍵s-s成鍵Phe 苯丙氨酸肽平面（剛性）（-CO-NH-）酰胺鍵（肽鍵）部分雙鍵的性質(zhì) 分子的力場 鍵能項（鍵長伸縮能） 諧振勢函數(shù)：V = (k/2)(r- r0)21.2 非鍵相互作用 靜電相互作用 范德華力 氫鍵 疏水作用電荷電荷相互作用1.2.1 庫侖相互作用 電荷-電荷 電荷-偶極子 偶極子-偶極子

4、電荷-誘導(dǎo)偶極子 偶極子-誘導(dǎo)偶極子1.2.2 范德華力 早在1873年，Van der Waals就注意到在物質(zhì)的聚集態(tài)中，分子間存在一種遠比化學(xué)鍵弱的吸引力，這種引力是導(dǎo)致實際氣體不完全符合理想氣體定律的原因之一。 一個非極性分子沒有永久偶極矩，但由于電子的運動，他可以有一個瞬時非零的偶極矩，當(dāng)然在測量的時間間隔內(nèi)平均偶極矩為零。 范德華吸引即瞬時偶極之間的相互作用。 范德華力的本質(zhì)位相效應(yīng)使vdW相互作用加強 當(dāng)兩個分子相同時，具有相同的固有頻率，瞬時偶極矩能夠精確的同位相，從而產(chǎn)生最大的相互作用。即，vdW相互作用傾向于把類似的分子拉到一起，產(chǎn)生穩(wěn)定的由相同亞單位組成的大分子。 硬脂酸

5、鈉微團兩條CH鏈的總作用能通常可以達到 28 - 85 kJ/mol 相當(dāng)可觀 堿基堆集 分子力場形式van der Waals勢 1.2.3 氫鍵 電負性原子與氫形成的基團N-H和O-H具有很大的偶極矩，成鍵電子云分布偏向電負性大的原子核，因而氫原子核周圍的電子分布就少，當(dāng)它遇到另一個電負性強的原子時，就發(fā)生靜電吸引，即所謂氫鍵 X-H-Y X，Y代表F，O，N等電負性大的原子。 氫鍵的本質(zhì) 電荷相互作用 電負性 : X, Y電負性要求大氫鍵的判定： 1350 ； d(H-A)2.5 d(D-A)3.5 兩個特性：飽和性 方向性 5% of the bond strength of a O-

6、H (20 vs. 460 kJ/mole)Much longer bond distance: 0.18 vs. 0.096 nm飽和性： 水分子能與其他四個水分子形成氫鍵（籠狀結(jié)構(gòu)）。氫鍵很容易連接或斷裂，處于動態(tài)平衡狀態(tài)，平均壽命是10-11秒。所以水分子團的結(jié)構(gòu)總處于不斷變化之中。 冰為何浮在水上？方向性：Fig. 2-5 分子力場形式 V(r) = A/r12 - C/r10氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響： 1) 對熔點、沸點的影響 冰是氫鍵型晶體中最典型的例子。冰的升華熱為51kJ/mol，其中3/4破壞氫鍵所需的能量，1/4是克服H2O分子間范德華力所需的能量。氫鍵形成的多，物質(zhì)的熔點和沸

7、點就高。 2)對溶解度的影響 如果溶質(zhì)分子與溶劑分子間能形成氫鍵，將有利于溶質(zhì)分子的溶解。 氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響： 3)對生物分子結(jié)構(gòu)的影響 氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響： 氫鍵較弱，在40kJ/mol以下，共價鍵數(shù)百kJ/mol。但它們數(shù)量大，在蛋白、核酸結(jié)構(gòu)方面都有極其重要的意義。1.2.4 疏水作用水的退出有利于底物和受體結(jié)合鹽鍵(離子鍵）氫鍵二硫鍵疏水鍵氫鍵氫鍵疏水鍵維系和穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用力 乙酰膽堿脂酶對Ach水解包含了各種相互作用分子動力學(xué)核糖體ATP合成酶分子動力學(xué)法Molecular Dynamics MethodMD法原理將微觀粒子視為經(jīng)典粒子，服從 Newton 第二定律若各粒子的瞬時受力已知，可用數(shù)值積分求出運動的經(jīng)典軌跡在合適選定的時間步長 t 內(nèi)，粒子可視作勻加速運動加速度：位 移：粒子 i 在時間 t 內(nèi)的位移 ri步長取值： t0.0010.002 ps*“The more complex the system, the weaker are the f