生物物理技术

生物物理学的实验工具包——衍射、显微镜、磁共振和光谱学——每种技术都利用一种物理相互作用来探测生物分子的结构和行为。

Definition

生物物理技术是通过测量生物分子对辐射、场或其他物理扰动的响应，来探测其结构、动力学和相互作用的实验方法。

Scope

本领域概述了生物物理学的主要实验方法，按其所利用的物理原理进行组织：X射线晶体学、冷冻电子显微镜、核磁共振以及光学和其他光谱学。它阐述了每种方法测量的内容、其提供的样品类型和信息，以及其局限性，补充了应用这些方法的单分子和结构测定主题。

Sub-topics

• 生物分子核磁共振波谱学
• 生物物理光谱学方法
• 冷冻电子显微镜
• 生物大分子的X射线晶体学

Core questions

• 每种主要的生物物理方法利用了哪种物理相互作用？
• 每种技术能提供哪种结构或动力学信息？
• 区分这些方法的样品要求和局限性是什么？
• 在研究分子时，各种技术如何相互补充？

Key theories

探针特异性物理对比

每种技术都依赖于独特的物理相互作用——X射线与电子、电子与库仑势、核自旋与磁场、光与电子和振动跃迁——因此每种技术都报告同一分子的不同方面。

分辨率由探针和方法决定

可达到的细节取决于探针的波长或相互作用强度，以及方法的噪声和平均，正如冷冻电镜（cryo-EM）随着探测器改进而实现的分辨率飞跃所表明的那样。

Mechanisms

生物物理方法通过向样品发射受控的物理探针并解释其响应来提取信息。衍射方法使短波长辐射从有序或单个粒子散射并重建结构；磁共振将原子核置于磁场中，读取其共振频率和耦合以推断几何形状和动力学；光谱学测量分子如何吸收、发射或散射光，以报告构象、环境和动力学。由于每个探针与不同的分子特性耦合，并具有其自身的分辨率和样品限制，因此根据问题选择和组合技术。

Clinical relevance

这些技术确定药物靶点和疾病相关分子的结构，并表征生物制剂，为这项工作提供了教育和方法学基础，而非临床建议。

History

结构生物学时代始于20世纪50年代蛋白质的X射线分析；20世纪80年代起，溶液核磁共振（NMR）增加了天然状态的结构和动力学信息，光学和振动光谱学也随之成熟，而21世纪10年代冷冻电镜（cryo-EM）的分辨率革命则完善了互补的工具包。

Key figures

• Max Perutz
• John Kendrew
• Kurt Wüthrich
• Richard Henderson

Seminal works

• kendrew1958
• kuhlbrandt2014
• vanholde2006

Frequently asked questions

为什么需要几种不同的技术？

每种方法都与不同的物理特性耦合，并有其自身的优势和局限性，因此将它们结合起来比单独使用任何一种方法更能全面了解分子的结构、动力学和相互作用。

什么决定了技术的分辨率？

主要取决于探针的波长或相互作用以及方法的信噪比和平均；探测器和光源的改进，如冷冻电镜（cryo-EM）中的改进，可以显著提高可达到的细节。