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1、量子生物化学王 翔湖北师范学院化学与环境工程系 0502 班 黄石 435002 摘要摘要 ：量子生物化学是一门从分子、亚分子、原子和电子水平上研究生命现象的理论性学科，它是量子力学与生物化学相结合的产物,是用量子力学原理和方法来研究生物体系的化学现象和化学反应。 关键词关键词 ：量子生物化学 量子 量子力学 生物 理论 Quantum Biochemistry WangXiangDepartment of Chemistry and Environment Engineering of Hubei normal university Huangshi 425002Abstract: Quan
2、tum biochemistry is a subject that from the elements, sub-molecular, atomic and electronic level study of the phenomenon of life of the disciplines, it is quantum mechanics and the result of combining biochemistry is the use of quantum mechanics principles and methods to study the phenomenon of chem
3、ical biological system and the chemical reaction.Keywords: Quantum biochemistry Quantum Quantum mechanics Biology Theoretics 一、量子生物化学发展简介 量子生物化学是一门从分子、亚分子、原子和电子水平上研究生命现象的理论性学科，它是量子 力学与生物化学相结合的产物。从学科的范畴来看，量子生物化学是量子生物学的一部分。1970 年， 在量子物理学家 Lowdin 和分子药理学家 Purcell 等的倡导下，成立了国际量子生物化学学会 （International socie
4、ty of quantumbiology,ISQB） 。ISQB 关于量子生物学的定义为“量子力学作为 工具在生物学问题上的应用” 。相应地量子生物化学即可理解为，用量子力学原理和方法来研究生物体 系的化学现象和化学反应。自从 Schrodinger，Heisenberg 等在 1925-1926 年建立量子力学之后，量 子力学即与生物学结下了不解之缘，并且 Schrodinger 本人也开始用量子力学的原理来解释生命现象， 写了著名的生命是什么一书。量子生物学一词早在 30 年代即开始使用，当时 Jordan 主张“突变” （mntation）是一种量子过程。从 30 年代 Pullman
5、所著的量子生物学问世以来，量子生物学有了 很大的进展。随着分子生物学、计算化学、计算机科学的发展，量子生物化学的发展极其迅速，在生 命科学的研究中得到了广泛的应用。 二、量子生物化学研究所用的计算方法 量子生物化学研究所用的计算方法，基本上是沿用量子化学的计算方法，目前常用的计算方法有： 分子轨道理论、价键理论、密度泛函理论。由于生物体系的分子（如蛋白质和核酸）都比较大，就现 在的计算条件和计算水平来说，还难于对生物大分子进行量子化学计算，所以在量子生物化学的研究 过程中，分子力学（molecnlar mechanics.MM）和分子动力学（molecnlar dynamics.MD）以及自由
6、能 微扰（free energy perturbation.FEP）理论是常用的计算方法，为了能计算生物大分子的分子结构 和电子结构，又发展了量子力学（QM）和分子力学（MM）或分子动力学（MD）相结合的计算方法 (QM/MM)模型。QM/MM 模型是用量子力学方法计算生物大分子活性部位，用分子力学或分子动力学或自 由能微扰理论计算其它部位，这样便可得到生物大分子活性部位的电子结构。1 三、量子生物化学研究的内容 1、生物分子的结构与功能的关系。根据量子力学原理，分子的能量和电子结构等方面的性质，都 可用解量子力学波动方程来获得。应用量子力学以及上述所提及的计算方法，可以计算生物分子（包 括生
7、物小分子和生物大分子）的分子结构和电子结构，研究生物分子结构与功能的关系。具体研究的 内容有：生物分子的分子结构、电子结构与反应性的关系（如酶催化反应、生物固氮等） ；生物分子的 光谱性质；生物大分子的构象及溶剂对构象的影响，特异性分子间相互作用与识别；致病物质的结构 与治病的机理；生物体中的电子转移、质子转移和能量传递；无机离子在生物过程中的作用等。 2、酶催化反应机理的研究。生物体系中的化学反应很少是在没有催化剂的情况下进行的，这些催 化剂就是被称为酶的专一性蛋白质。酶的突出特征是它们的催化能力（能加速反应至少 100 万倍）和专一性。酶催化反应机理的研究是生物化学和分子生物学的重要课题。
8、在这方面，量子生物化学的理 论方法可以发挥重要的作用，有的甚至具有实验方法无法取代的优势，如酶催化反应过渡态或中间产 物的结构只能通过理论计算才能得到。酶催化机理理论研究采用的方法主要有三类：第一类是纯量子 化学的计算方法。目前量子化学的计算方法还不能计算整个生物大分子的结构，所以在用量子化学研 究酶催化机理时，往往是根据酶活性部位的结构特征选一些模型化合物，优化其过渡态的结构，计算 反应过程的能量变化，推测酶催化反应的机理；第二类是分子力学、分子动力学和自由能微扰理论计 算方法，这些方法虽然能计算生物大分子的分子结构，但不能计算其电子结构，主要是用来研究酶与 底物的相互作用、结合的选择性和特
9、异性以及反应过程中的自由能变化；第三类方法是 QM/MM 模型， 这种方法既能计算生物大分子的结构，又能计算酶活性部位的电子结构，是近几年来酶催化反应机理 理论研究比较活跃的计算方法。2 3、遗传过程中的量子理论量子遗传学（quantum genctics） 。早在 1935 年，Delbruck 就指出量 子理论和遗传学基本定律间有着密切的关系，染色体中遗传物质在漫长的年代里的巨大的稳定性仅仅 说明它可能是一个处于稳定状态的巨大分子，那么突变也可能就是对应与它经“量子跳跃”而变成的 异构形式。Schrodinger 在生命是什么著作中也对遗传的量子理论作了论述。1962 年 Lowdin 根
10、据 量子隧道效应的概念，提出了 DNA 中氢键质子穿透观点，用以解释 DNA 的复制和突变，并首次提出了 “量子遗传学”的名称。量子遗传学是用量子力学和分子力学等计算方法，从分子电子水平上研究基 因遗传与突变、DNA 复制转录 RNA，RNA 转译蛋白质的微观机制。从量子遗传学近年的发展来看，大致 有两种趋势：一种是与分子遗传学有关，力图从定性上阐明分子遗传中出现的新现象、新问题，如 Z- DNA、线粒体密码子等；另一种是应用严格的量子力学计算方法，从定量和半定量上计算 DNA，tRNA 等 与遗传因子有关的分子结构和电子结构，DNA，RNA 与蛋白质的相互作用，DNA，tRNA 与水、离子等
11、周 围环境的相互作用，力图从分子和电子层次上了解生命信息流的微观机制。3 4、量子药理学（quantum pharmacology）研究。量子药理学是一门用量子力学方法研究药理学问 题的新兴学科，它是 70 年代继化学药理学和分子药理学的发展以及量子力学中分子轨道计算方法得到 广泛应用而产生的边缘学科。1977 年英国药理学家 Richards 编著出版了第一本介绍量子药理学的专著。 迄今，量子药理学作为一门新兴学科已被广泛的接受并获得了很大的发展，在药理学研究及新药分子 设计等方面得到了广泛的应用。从目前量子药理学的发展来看，主要有两方面的工作：一是在受体生 物大分子三维结构尚不清楚的情况下
12、，用量子力学、分子力学等方法计算药物小分子的分子结构与电 子性质，从中抽取出量子力学参数进行定量构效关系（QSAR）的研究，寻找药物分子结构与活性的关 系，推测药物受体的作用机制，并根据作用机制与 QSAR 模型进行新药物分子的设计；二是在知道三 维结构的情况下，用量子力学、分子力学和 QM/MM 模型等理论计算方法，计算药物受体复合物的分 子结构和电子结构，特别是受体生物大分子活性部位的结构特征，研究药物与受体相互作用的规律和 机制，包括药物受体分子识别的特异性、药物受体相互作用的“诱导契合” 、离子通道的结构及药 物在体内的传输和代谢等，从而根据药物受体的作用方式以及受体生物大分子的三维结构设计新的 药物。参考文献:1 蒋华良，陈凯先 中国科学院上海药物研究所，200031,2 唐有祺， 当代化学前沿 ，中国致公出版社，北京，457 页 3 傅献彩 沈文霞 姚天扬 侯文华.物理化学（第五版）上册,北京：高等教育出版社,2006，109110.
