生物物理化學：生物系統的研究

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什麼是生物物理化學？

生物物理化學是一門科學，它透過結合物理學（對物質和能量及其相互作用的科學研究）和化學（側重於化學系統中物質和能量相互作用的物理學的複雜應用）的概念來研究生物系統。

生物物理化學這一跨學科主題結合了生物學、物理學和化學的原理，其研究主要集中在收集和定量分析資料，以建立生物系統在分子水平和化學序列水平上的預測模型。

與涵蓋從分子水平到生物體再到種群的所有生物組織規模的生物物理學不同，生物物理化學側重於待研究系統的表型，而生物化學則主要關注生物分子的功能、作用和結構；生物物理化學則採用不同的物理化學技術來探測生物系統的結構。生物系統非常複雜且龐大，難以理解，但是當我們使用物理模型來學習系統每次發生變化的方式時，過程就會變得更容易和更簡單。

一些應用物理、化學和生物學概念的生物物理化學應用示例包括：

利用量子力學、流體力學、光學、電磁學和熱力學等物理概念，可以解釋許多生物過程的生理機制，例如：

• 肌肉收縮

• 神經通訊

• 視覺等。

最近獲得諾貝爾獎的研究屬於生物物理化學範疇，即核糖體（蛋白質合成的場所）的X射線晶體學研究。蛋白質晶體包含整個分子的原子，這些原子被排列成晶體形狀，當使用X射線時會引起光的衍射。

許多生物物理化學家對蛋白質結構（可能包括酶活性，酶活性可能是由於底物分子的形狀或金屬離子鍵合時其形狀的改變）等主題感興趣。還包括使用脂質體和磷脂等超分子結構模型對生物細胞膜進行結構和功能分析。

通過了解熱力學，我們可以構建特定的蛋白質模型。蛋白質摺疊主要由熱力學控制。蛋白質傾向於處於摺疊狀態，因為它會降低自由能。蛋白質具有明確的3D結構。將蛋白質理解為具有合法結構的分子，是當今世界的一個新的挑戰，而蛋白質摺疊是生物物理化學的一個成就或挑戰。擴散（顆粒從高濃度區域到低濃度介質的淨運動，直到達到平衡）是生物物理化學領域另一個有趣的領域。這裡研究的是離子穿過生物細胞膜的運動。

流體力學是另一個在生物學中使用的有趣領域，許多生物過程都涉及粒子在流體中的運動，例如血液迴圈、氣體交換等。

生物系統研究技術

生物物理化學家利用不同的物理化學方法來了解原子和分子水平上的生物系統。這裡的方法與生物學、物理學、生物化學和化學等其他科學領域重疊，用於研究不同生物分子的分子結構、相互作用方式、大小和形狀、極性。對所有生物體的生存都很重要的三種生物分子包括蛋白質、核酸和脂質。

下面討論一些重要的生物物理化學技術，這些技術對於研究生物分子的結構和功能至關重要。所有技術主要集中在4個類別上，它們是：

熱力學技術

差示掃描量熱法 (DSC) 和等溫滴定量熱法 (ITC) 是此類別中可以討論的兩種技術。這些技術提供關於核酸-配體相互作用和蛋白質-配體相互作用的核酸資訊。

差示掃描量熱法 (DSC)

這是一種熱分析技術，其中包含目標分子和參比物質的樣品池透過同時加熱保持在相同的溫度，直到達到一個差異點。因此，DSC測量的是由於樣品和參比物之間溫度差而導致的熱吸收或輻射變化。

等溫滴定量熱法 (ITC)

這是一種熱力學技術，它能夠靈敏地定性和定量地測量樣品分子和生物參比分子之間相互作用產生的能量。

電學技術

此類技術包括在生物系統中使用最通用和最先進的技術。這些方法有助於在體內和體外研究這些生物系統。這些技術是使用由碳纖維製成的小電極進行的，以進入生物細胞而不會對其造成任何損害。膜片鉗技術就是這樣一種方法，它涉及記錄生物細胞中單個離子通道的離子電流。

光譜技術

透過這些類別的先進生物物理化學技術，成功地發現了生物系統的許多特徵。此類別下的主要技術之一是X射線晶體學。這是確定生物系統大分子蛋白質分子晶體結構的主要工具。對於不形成晶體的蛋白質，另一種稱為核磁共振 (NMR) 的工具有助於確定其結構。

其他技術

現在已經開發出許多技術來檢測負責蛋白質功能的蛋白質結構變化，並量化生物膜的能量學。基於放射性的分析技術就是這樣一種方法，它使用放射性同位素來確定離子和其他物質跨細胞膜的流入和流出測量。

結論

生物物理化學是將物理化學的基本概念或原理應用於解決生物學問題。所有生物體主要依賴於三種重要的生物分子，其化學特性是由其有機和無機性質決定的。

蛋白質、脂質和核酸是生物系統中的三種主要大分子。生物物理化學家使用該領域的許多技術來研究系統內的生物分子。所有這些技術主要分為四種類型：熱力學、電學、光譜學和其他雜項技術。