第26讲 分子机器

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1、第26讲分子机器张凯博士教授计算机科学技术系电话：62380002邮件：lifo@public.wh.hb.cn一、什么是分子机器二、分子机器的原理三、什么是分子马达四、分子马达的发展现状五、分子机器的未来幻想世界第一台分子机器诞生1.生命组成一切生物的细胞里面，不仅含有蛋白质，也都含有核酸。核酸是生命体遗传信息的携带者，对生命体的生长、遗传、变异起着至关重要的作用。而且，生命体内合成蛋白质的过程，必须在核酸的参与下才能完成。这就是说，蛋白质和核酸构成了生命的物质基础，而生命活动实质上是蛋白质和核酸运动的体现。可以说，生命的本质归根结底在于生物在分子水平上的微观运动。2.

2、蛋白质蛋白质是一切细胞和组织结构的重要组成成分。人和动物体的各个组成部分，如脏器、肌肉、皮肤、血液，以及植物的种子等，都主要由蛋白质构成。在大多数细胞中，蛋白质要占到细胞干物质的90％以上，连最简单的单细胞生物如大肠杆菌，每个菌体含有的蛋白质种类估计也有3000种以上。蛋白质不仅是生物体的重要组成成分，它还在生命活动中起着极其重要的作用，运动、呼吸、营养输送、神经传导、思维、记忆等生命的活动，主要是通过蛋白质去实现的，生命的新陈代谢也是在一种特殊的蛋白质——酶的催化下进行的。3.核酸核酸是由瑞士的生物学家米歇尔发现的。1868年，他利用外科手术绷带上的脓细胞作材料，从细胞核中

3、分离出了一种含磷的酸性物质，因为这种物质来源于细胞核，所以起名核素，其实，核素是核酸和蛋白质的复合体。4.生物大分子蛋白质和核酸分子都由几千乃至几十万个原子组成，称为生物大分子。每一个生物大分子都可以看做是一架生命的分子机器。所有的生命活动过程都由结构复杂而有序的分子机器进行调节与控制。这些分子机器除了蛋白质和核酸之外，还包括其他一些生物大分子或大分子集团，如糖类、脂类以及生物大分子的复合物。正是依靠了生命体内微观世界中众多的分子机器的有序运转、协同配合，生命体才有了活力。构成生物大分子的原子主要有氢、碳、氮、氧、磷、硫以及少量的金属原子，每个原子在大分子中都具有特定的三维空

4、间排列，在空间中占有特定的位置。组成生物大分子的原子种类以及每个原子和电子之间的相互作用，决定了这个生物大分子执行怎样的生命功能，也就是说，生物大分子结构及其与功能的关系，是揭示生命本质的突破点。通过测定生物大分子的结构，并通过对结构与功能间相互关系的分析，可以了解生物大分子的功能，还可以通过将一个未知的生物大分子与已知的生物大分子进行比较，了解或估计这个未知分子的生物功能。5．分子机器(1)纳米技术纳米技术(亦称毫微技术)就是用单个原子、分子制造物质的科学技术，即在单个原子、分子层次上对物质存在的种类、数量和结构形态等进行精确的观测、识别与控制技术的研究与应用。它是进入90

5、年代后，尤其是本世纪末兴起的一个高科技领域，是个尚未开发的新领域。它将对面向21世纪的信息技术、生命科学、分子生物学、新材料等具有重大意义，为它们的发展提供一个新的技术基础。科学家称纳米技术为”固体物理学最后一个未开发的辽阔领域”，“将引起一场产业革命，堪与18世纪的工业革命相媲美”。白质合成的分子机器分子马达模型(2)定义分子机器就是让原子按人的意旨排列成的大分子。原子的排列方式从来就是区分贵贱、区别健康和疾病的标记。煤和金刚石都由碳原子组成，只是其排列的方式不同而已，而健康的身体里长出了癌，也是因为原子排列的方式发生了变化!要让原子按照人的意志排列。从无到有地把原子一个个

6、放到应有的位置上去，绝对不是一件容易的事，使用的制造方法要复杂得多。但总有一天，先进的分子机器将使生物学家和化学家们制造起分子来就像今天的工程师制造徽型电路或是汽车那样容易。分子机器将使科学技术发生根本的变化，像工业革命那样，是人类科学史上的又一次革命。(驱动蛋白)二、分子机器的原理分子自组装是在平衡条件下，分子间通过非共价相互作用自发组合形成一类结构明确、稳定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构的过程。分子自组装是各种复杂生物结构形成的基础，生物体系中通过分子自组装形成了各种分子水平的机器，即分子机器。例如分子发动机就是自然界常见的一种分子机器，它在人体中起着肌

7、肉收缩、细胞内外物质的传递甚至精子游动等关键作用。事实上ATP合成酶是世界上最小的发动机，它催化无机磷酸酯与ADP反应合成ATP。分子机器是将能量转变为可控运动的一类分子器件。它们是多组分体系，其中某些部分不动，而另一些部分当提供“燃料”后可以连续运动。由于化学分子的运动通常是绕着单键的转动，通过化学、光、电信号可以控制这类运动的方向，因此师法自然地设计与开发分子功能和天然体系媲美甚至优于天然体系的人工分子机器，引起了人们极大的兴趣。1．自组装的类型(1)氢键驱动自组装氢键是超分子自组装的基本驱动力之一