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量子生物學
發布時間:2013-11-22 14:00:33 點擊瀏覽:
 量子生物學是利用量子力學的概念、原理及方法,從分子、原子及電子水平研究生命物質和生命過程的學科。量子力學的創立和發展,吸引著眾多物理學家和化學家,促使他們用量子力學的方法分析生物學意義上的電子結構,并把結果和生物學活性聯系起來。例如,早在1938年,R.F.施密特就已開始對致癌芳香烴類化合物的研究,試圖說明致癌活性與分子的電子結構之間的關系,隨后經過普爾曼等人的工作,現已成為量子生物學中的重要組成部分。
   1939年,物理學家P. Jordan提出了“突變是一種量子過程”的觀點,薛定諤在《生命是什么》一書中對這一觀點進行了詳盡的闡述,提出遺傳物質是一種有機分子,遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等設想。這些設想由脫氧核糖核酸雙螺旋結構模型而得到極大的發展,從而奠定了分子生物學的基礎。分子的相互作用必然涉及其外圍電子的行為,而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學。因此量子生物學是分子生物學深入發展的必然趨勢,是量子力學與分子生物學發展到一定階段之后相互結合的產物。
   量子生物學的研究方法基本上就是用量子力學的方法來處理一個微觀體系的全部計算過程,并利用由此得出的各種參量,說明所研究對象的結構、能量狀態及變化,進而解釋其生物學活性及生命過程。對一個具有生物學意義的體系,根據欲研究分子的結構,選定合適的波函數,代入波動方程中并求解,即將欲研究的生物學活性轉化為量子化的結構模型。計算結果可以得到兩類不同性質的指數:能量指數與結構指數。能量指數說明體系的能量狀態,例如總能量、躍遷能(不同狀態之間的能量差)、最高填滿分子軌道(即電離勢)與最低空分子軌道(即電子親合勢)等。結構指數說明分子的結構特征,例如鍵級(雙鍵性的大小)、自由價(通過某一原子參與化學反應的能力)、電子電荷等。
   只要生物分子本身的化學結構或各級結構已經清楚,就可以研究和這種分子相關聯的生物學活性的本質,或者它們之間的相互作用。因此量子生物學所研究的問題實際上包含分子生物學的全部內容。例如重要生物大分子的物理性質、各級結構與功能;酶的結構與催化機制;致癌物質的作用機制;藥物作用機制等。可以把量子生物學的內容歸納為以下四個方面:分子間相互作用力的研究、生物分子的電子結構與反應活性的研究、生物大分子的構象與功能的研究和特異作用與識別機制的研究。
   量子生物學還是一門十分年輕的學科,國際量子生物學會(簡稱ISQB)于1970年成立。量子生物學的發展不僅需要計算方法的改進,還需要與實驗結果密切配合。到目前為止,量子生物學還只限于對較小分子的研究,特別是藥物的作用,對于復雜生物學問題的探討,還有待深入。
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