分子与结构生物物理学

化学键、弱相互作用和热运动的物理学如何塑造蛋白质和核酸的三维结构，以及它们折叠和结合的能量学。

Definition

分子与结构生物物理学是研究决定生物大分子结构及其相互作用的物理力、能量学和动力学的学科。

Scope

该领域涵盖了控制生物大分子的物理原理：多肽链如何折叠成明确的天然结构，该结构如何通过实验确定，大分子如何相互识别和结合，以及构象运动如何支撑其功能。它定量地处理结构和能量学，借鉴了热力学、统计力学和结构生物学的方法，而将生物体层面的生物学留给其他领域。

Sub-topics

• 生物分子结构测定
• 构象动力学与变构
• Macromolecular Interactions and Binding
• Protein Folding and Stability

Core questions

• 为什么氨基酸序列会折叠成一个特定的天然结构？
• 如何通过实验确定大分子的原子分辨率结构？
• 哪些力决定了大分子结合的强度和特异性？
• 构象运动如何将结构与生物功能联系起来？

Key theories

折叠的热力学假说

安芬森原理，即蛋白质的天然结构是生理条件下自由能最低的构象，并且完全由其氨基酸序列编码。

大分子的自由能景观

大分子状态和转变被描述为在多维自由能表面上的运动，因此折叠、结合和构象变化对应于下降到能量最小值并进行交换。

Mechanisms

折叠大分子的稳定性是大的、几乎相互抵消的焓和熵贡献之间的平衡：氢键、范德华堆积、静电作用，尤其是将非极性基团从水中掩埋的疏水效应。这些弱的、可逆的相互作用，在互补界面上累加，赋予结合亲和力和特异性，而约kBT量级的热能使系统在可及构象之间波动。X射线晶体学等结构方法首次以原子分辨率使这些排列可见。

Clinical relevance

由于错误折叠和异常大分子相互作用是许多疾病过程的基础，并且大多数药物通过结合大分子靶点发挥作用，因此在此发展起来的结构和结合的物理理解为结构生物学和分子药理学提供了信息。本论述是描述性和教育性的，而非临床建议。

History

泡林关于化学键和二级结构元素的工作，肯德鲁和佩鲁茨对肌红蛋白和血红蛋白的首次原子分辨率蛋白质结构测定，以及安芬森的重折叠实验共同确立了大分子结构是一种物理决定的、序列编码的性质，从而奠定了现代结构生物物理学的基础。

Key figures

• Christian Anfinsen
• John Kendrew
• Max Perutz
• Linus Pauling

Seminal works

• anfinsen1973
• kendrew1958
• phillips2012

Frequently asked questions

分子生物物理学和生物化学有什么区别？

它们之间有很大的重叠，但分子生物物理学强调大分子行为背后的物理力、能量学和动力学，通常使用定量的物理模型和结构方法，而生物化学则强调化学反应和途径。

为什么疏水效应对于蛋白质折叠如此重要？

将非极性侧链从水中掩埋会释放有序水分子并增加系统的熵，这为链折叠成紧凑状态提供了大部分驱动力。