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量子本领正在生物工程中的操纵

  

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量子本领正在生物工程中的操纵

  运用量子力学的理论、概念和方法研究生命物质和生命过程的一门学科,又称量子生物物理学。量子力学的创立和发展,吸引着物理学家和化学家,促使他们用以分析具有生物学意义的分子之电子结构,并把结果和生物学活性联系起来。例如,1938年R.F.施密特就已开始对致癌芳香烃类化合物进行研究,试图说明致癌活性与分子的电子结构之间的关系。以后经过普尔曼等人的工作,现已成为量子生物学的一个重要组成部分。

  研究内容只要生物分子本身的化学结构或各级结构已经清楚,就有可能研究和这种分子相联系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涉及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;酶与底物、酶与辅酶、抗原与抗体之间的特异作用;高能磷酸物的电子构造与能量关系;致癌物质的作用机制;药物作用机制;活体中电子、质子与能量迁移及转化关系等等。

  H□ (1)式中H称为哈密顿算符,□是整个体系的能量。在量子生物学中所处理的系统一般都比较复杂,但重要的生物分子常具有由π电子所组成的双键,这种π电子的活动性较大,实际上并不定位在特定的一个原子核附近,这类系统称为共轭系统。核酸中的嘌呤与嘧啶碱基、蛋白质中的芳香氨基酸、高能磷酸物、喋呤、卟啉、醌、类胡萝卜素、各种辅酶、胆固醇以及许多药物无不具有共轭系统。各种生命现象都和共轭系统的存在及其π电子的非定域化密切相关。因此量子生物学首先考虑了这类电子的运动。目前最广泛应用的计算方法称为分子轨道法(简称MO)。即认为每个电子的运动可扩及到整个分子范围内。虽然每个电子的轨道是一种分子轨道,但它毕竟和原子轨道有关。认为分子轨道由原子轨道线性组合而成的方法就称为原子轨道的线性组合法。简写为LCAO-MO法:

  因此,对一个具有生物学意义的体系的量子力学计算过程,包括下列步骤:根据欲研究分子的结构,选定合适的波函数,代入波动方程(1),并求其解。然后将所得结果和欲研究的生物学活性相联系。由于精确求解常有困难,因此在计算中经常应用各种近似方法。这种近似性是否适用,还要和实验结果相印证。从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,简写作HOMO)与最低空分子轨道(即电子亲合势,简写为LEMO)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。

  □ (2)式中的□1,…,□□表示各原子轨道的波函数,□□,…,□□为相应的系数。

  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。量子力学把分子中的原子核看成是一个骨架,外围电子则在这一骨架附近运动。电子不仅具有粒子性,同时还具有波动性。因此对电子的运动可以用一个波函数来描述。这个波函数应满足量子力学中的基本方程,即薛定谔方程:

  1930年物理学家P.约尔丹进一步提出了“突变是一种量子过程”,这一观点在1944年E.薛定谔的《生命是什么》一书中得到了详尽的阐述。他还提出了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。这些设想由于J.D.沃森与F.H.C.克里克提出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。

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  【释义】:运用量子力学的概念、方法研究生物学问题的科学。主要研究生物分子间的相互作用力和作用方式,生物分子的电子结构与反应活性,生物大分子的空间结构与功能等。

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