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量子生物学
发布时间:2013-11-22 14:00:33 点击浏览:
 量子生物学是利用量子力学的概念、原理及方法,从分子、原子及电子水平研究生命物质和生命过程的学科。量子力学的创立和发展,吸引着众多物理学家和化学家,促使他们用量子力学的方法分析生物学意义上的电子结构,并把结果和生物学活性联系起来。例如,早在1938年,R.F.施密特就已开始对致癌芳香烃类化合物的研究,试图说明致癌活性与分子的电子结构之间的关系,随后经过普尔曼等人的工作,现已成为量子生物学中的重要组成部分。
   1939年,物理学家P. Jordan提出了“突变是一种量子过程”的观点,薛定谔在《生命是什么》一书中对这一观点进行了详尽的阐述,提出遗传物质是一种有机分子,遗传性状以“密码”形式通过染色体而传递等设想。这些设想由脱氧核糖核酸双螺旋结构模型而得到极大的发展,从而奠定了分子生物学的基础。分子的相互作用必然涉及其外围电子的行为,而能够精确描述电子行为的手段就是量子力学。因此量子生物学是分子生物学深入发展的必然趋势,是量子力学与分子生物学发展到一定阶段之后相互结合的产物。
   量子生物学的研究方法基本上就是用量子力学的方法来处理一个微观体系的全部计算过程,并利用由此得出的各种参量,说明所研究对象的结构、能量状态及变化,进而解释其生物学活性及生命过程。对一个具有生物学意义的体系,根据欲研究分子的结构,选定合适的波函数,代入波动方程中并求解,即将欲研究的生物学活性转化为量子化的结构模型。计算结果可以得到两类不同性质的指数:能量指数与结构指数。能量指数说明体系的能量状态,例如总能量、跃迁能(不同状态之间的能量差)、最高填满分子轨道(即电离势)与最低空分子轨道(即电子亲合势)等。结构指数说明分子的结构特征,例如键级(双键性的大小)、自由价(通过某一原子参与化学反应的能力)、电子电荷等。
   只要生物分子本身的化学结构或各级结构已经清楚,就可以研究和这种分子相关联的生物学活性的本质,或者它们之间的相互作用。因此量子生物学所研究的问题实际上包含分子生物学的全部内容。例如重要生物大分子的物理性质、各级结构与功能;酶的结构与催化机制;致癌物质的作用机制;药物作用机制等。可以把量子生物学的内容归纳为以下四个方面:分子间相互作用力的研究、生物分子的电子结构与反应活性的研究、生物大分子的构象与功能的研究和特异作用与识别机制的研究。
   量子生物学还是一门十分年轻的学科,国际量子生物学会(简称ISQB)于1970年成立。量子生物学的发展不仅需要计算方法的改进,还需要与实验结果密切配合。到目前为止,量子生物学还只限于对较小分子的研究,特别是药物的作用,对于复杂生物学问题的探讨,还有待深入。
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