1.1 一门新兴的边缘学科--量子生物学 1
第1章 绪论 1
1.2 量子生物学的研究内容 2
1.3 量子生物学的任务 2
1 量子生物学与其它学科的联系 3
1.5 量子生物学展望 5
第2章 量子生物学的理论方法和理论 7
2.1 量子化学基础知识 7
2.1.1 波函数与轨道 7
2.1.1.1 波函数 7
2.1.1.2 轨道 8
2.1.2 量子化学中的基本近似 10
2.1.2.1 非相对论近似 10
2.1.2.2 Born-Oppenheimer近似 10
2.1.2.3 轨道近似 11
2.2.1 简单分子轨道法 12
2.2 量子生物学方法和指数 12
2.2.1.1 Huckel分子轨道法(HMO法) 13
2.2.1.2 微扰分子轨道法(PMO法) 20
2.2.1.3 扩展的Huckel分子轨道法(EHMO法或EHT法) 23
2.2.2 半经验自治场分子轨道法 26
2.2.2.1 全略微分重叠法(CNDO法) 27
2.2.2.2 修改的忽略双原子微分重叠法(NMDO法) 31
2.2.3 从头计算法(ab initio法) 33
4.3 DNA双螺旋构象的稳定性 34
2.2.4 Xα方法 38
2.2.5 分子静电势法 40
2.2.5.1 从头计算法的分子静电势计算 41
2.2.5.2 CNDO法分子静电势计算 44
2.2.5.3 生物分子的分子静电势计算 46
2.2.6 PCILO计算法 46
10.6 金属离子生物学功能的一些量子生物学观点 47
2.2.6.1 PCILO法基本原理 47
2.2.6.2 PCILO法的一般概要 49
2.2.6.3 PCILO法的适用范围以及应用实例 50
2.2.7 分子力学计算法 52
2.2.7.1 分子力学原理 52
2.2.7.2 分子力学计算流程 56
2.2.7.3 分子力学在量子生物学中的应用 56
第3章 原子间相互作用和分子间相互作用 61
3.1 生物分子中原子间的相互作用 61
3.1.1 相互作用力和能量 61
3.1.2 原子间相互作用的分类 63
3.1.3 定域键和离域键 63
3.1.3.1 定域键 63
3.1.3.2 离域键 67
3.2 分子间的相互作用 69
3.2.1 Van der Waals-London相互作用 70
3.2.2 分子间的氢键相互作用 75
3.2.3 电荷迁移相互作用 79
3.3.1 特异作用和生物分子识别的物理、化学基础 84
3.3 生物分子的特异作用和识别 84
3.3.2.1 活性中心与诱导-契合学说 87
3.3.2 酶与底物的专一作用 87
3.3.2.2 酶专一性本质的进一步探讨 88
3.3.2.3 从轨道对称性看酶的专一性 89
3.3.2.4 酶与辅酶间的相互作用 89
3.3.3 密码子与反密码子的识别和相互作用 92
3.3.4 抗原-抗体反应的专一性 95
第4章 核酸的结构与功能 99
4.1 核酸的化学组成和分子结构 99
4.2 核酸及其组分的电子结构 104
4.2.1 嘌呤和嘧啶碱基的电子结构 105
4.2.1.1 电荷分布和偶极矩 105
4.2.1.2 碱性 109
4.2.1.3 分子轨道能、电离势和电子亲合势 110
4.2.1.4 电荷密度、自由价、键级和超离域度 113
4.2.1.5 碱基激发态的电子结构 115
4.2.2 碱基的互变异构体 118
4.2.4 核酸碱基的配对 121
4.2.3 碱基的分子静电热 121
4.2.5 多聚核苷酸 126
4.2.5.1 核苷 126
4.2.5.2 核苷酸 126
4.2.5.3 多聚核苷酸 131
4.4 核酸的辐射效应和光生物学问题 136
4.5 核酸的能带结构 139
4.6 核酸和蛋白质的相互作用 142
4.6.1 碱基对与丝氨酸的专一识别 142
4.6.2 B-DNA与多肽的相互作用 143
4.6.3 遗传密码子与氨基酸的相互作用 145
4.7 核酸和水的相互作用 146
4.8 核酸的分子静电势研究 149
4.8.1 核酸基本组成单元的分子静电势 149
4.8.2 较高单元的分子静电势 150
4.8.3 一段完整的B-DNA双螺旋的分子静电势 151
4.9 核酸的功能 153
4.9.1 作为遗传信息载体的DNA 153
4.9.2 核酸中电子激发能的转移方式 156
4.9.3 DNA的复制 158
4.9.4 DNA的甲基化作用与基因功能 160
第5章 蛋白质的电子结构 166
5.1 氨基酸的电子结构和氨基酸溶液结构的模拟 166
5.2 短杆菌肽A离子选择性的蒙特洛研究 183
5.3 肽链构型的能量分析 191
5.3.1 肽结构的描述 191
5.3.2 规则多肽链分子构型的能量分析 193
5.3.3 聚L-丙氨酸的ab initio计算 199
5.4 蛋白质分子的量子化学研究 203
5.4.1.1 胰岛素分子的疏水内核和分子的几何特征 204
5.4.1 胰岛素的量子化学研究 204
5.4.1.2 胰岛素分子静电势的计算 208
5.4.1.3 胰岛素分子相互作用的计算 213
5.4.1.4 胰岛素分子主链的CNDO/2计算 219
5.4.2 木瓜蛋白酶的量子化学研究 219
5.5 蛋白质的能带结构 231
6.1 模型和方法 242
第6章 酶作用机理的量子生物学研究 242
6.1.1 酶反应模型 243
6.1.2 催化部位的分子轨道计算 244
6.1.3 分子力学计算 246
6.1.4 轨道取向、轨道对称性和稳定能 246
6.1.5 环境的模拟 250
6.2 羧肽酶A和其它金属酶的量子生物学研究 253
7.1.1 从经典遗传学到量子遗传学 263
7.1 量子遗传学的背景 263
第7章 量子遗传学 263
7.1.2 分子遗传学概要 267
7.1.2.1 基因及其复制 267
7.1.2.2 基因及其表达 268
7.1.2.3 基因表达的调控 271
7.2 原子和电子水平的信息流 273
7.2.1 基因复制和突变的微观机制 273
7.2.1.1 遗传密码的基本结构 273
7.2.1.2 DNAY型复制的复制平面模型 275
7.2.1.3 遗传密码的质子-电子对模型 277
7.2.1.4 一级微扰模型 284
7.2.2 基因表达及其控制的数理模型 290
7.2.2.1 DNA转录的物理模型 290
7.2.2.2 密码子 291
7.2.2.3 转译模型 301
7.3 量子遗传学现状 304
第8章 量子药理学 313
8.1 引言 313
8.2 药物分子构象 315
8.2.1 构象对药物分子药效的重要性 315
8.2.2 分子轨道法在研究药物分子构象中的应用 318
8.2.3 去甲肾上腺素的构象研究 323
8.2.4 多巴胺构象的研究 325
8.2.5 抗生素类抗肿瘤药物的量子药理学研究 327
8.2.6 作用于中枢神经系统药物药效构象的研究 332
8.3 药物的受体 335
8.3.1 受体学说在药物研究中的重要性 335
8.3.2 乙酰胆碱的量子药理学研究 340
8.3.3 5-羟色胺受体 342
8.3.4 酶抑制剂 346
8.3.5 受体亚型 350
8.4 药物分子的静电势和电荷密度 354
8.4.1 量子药理学中静电势和电荷密度的计算 354
8.4.2 组胺及其衍生物的电荷密度和分子静电势 356
8.4.3 β受体药物的分子静电势研究 359
8.4.4 增敏剂的量子药理学研究 362
8.4.5 苯甲酰胺型D2受体拮抗剂的分子静电势计算 366
8.5 电荷转移 368
8.5.1 电荷转移中的量子药理学研究 368
8.5.2 致幻剂的电荷转移研究 372
8.5.3 抗心律失常新药常咯啉及其类似物的量子药理学研究 374
8.5.4 镇痛药中的电荷转移研究 376
8.5.5 吗啡类药物的电荷转移复合研究 377
8.6 药物分子设计与QSAR 380
8.6.1 引言 380
8.6.2 QSAR中Hansch途径的基础 382
8.6.3 QSAR研究中的参数 384
8.6.4 QSAR研究的应用 386
8.6.5 其他药物分子设计方法 388
第9章 生物分子的空间构象 392
9.1 蛋白质和核酸分子二级结构的预测 392
9.1.1 蛋白质分子二级结构的预测 392
9.1.1.1 Chou和Fasman方法 393
9.1.1.2 各种预测方法结果的比较 396
9.1.1.3 蛋白质二级结构预测的计算机程序 397
9.1.2 核酸分子二级结构的预测 404
9.1.2.1 RNA大分子的二级结构预测方法 405
9.1.2.2 5.8SrRNA的二级结构 409
9.1.2.3 大肠杆菌RNA聚合酶识别的启动子的结构特征 413
9.2 蛋白质和核酸的构象和相互作用 417
9.2.1 势能函数 417
9.2.2 分子间相互作用 419
9.2.2.1 甲酰氨-水的相互作用 420
9.2.2.2 核酸碱基分子的水合作用 421
9.2.2.3 阿霉素与核酸的相互作用 422
9.2.3.1 经验势能法 423
9.2.3 核苷酸和蛋白质空间构象和电子结构的计算 423
9.2.3.2 分子轨道方法 430
9.3 分子动态学 436
9.3.1 蛋白质动态学 436
9.3.2 酶-底物反应动力学 439
第10章 金属离子生物学功能的量子生物学研究 443
10.1 概述 443
10.2 金属离子生物学功能的配位场理论 443
10.2.1 与金属离子相互作用的生物配位体 444
10.2.2 配合物的晶体场理论 444
10.2.3 配合物的分子轨道理论 447
10.2.4 配位场理论的应用 448
10.3 金属离子与核酸间的相互作用 449
10.3.1 金属离子与核酸碱基相互作用的最优配位模式 449
10.3.2 金属离子对核酸构象稳定性的影响 455
10.4 金属离子与蛋白质的相互作用 460
10.4.1 金属离子对蛋白质能带结构的影响 461
10.4.2 金属的整合性质对酶活性的影响 464
10.5 金属-卟啉配合物的分子轨道研究 468
10.5.1 卟啉配合物的分子轨道计算(一) 469
10.5.1.1 铁卟吩分子轨道的构造 470
10.5.1.2 能级的排布 470
10.5.1.3 电荷分布 472
10.5.2 卟啉配合物的分子轨道计算(二) 473
10.6.1 金属离子与生物大分子相互作用的若干问题 477
10.6.1.1 半导体掺杂观点 477
10.6.1.2 电子-构象相互作用观点 478
10.6.2 金属离子与氧的积累、贮存和输运 482
第11章 生物系统中能量和电子的转移 489
11.1 生物大分子的能量转移 489
11.1.1 能量的共振转移 490
11.1.2 激子转移 491
11.1.3 孤子转移 495
11.1.3.1 一维弹性分子结构中的孤子 496
11.1.3.2 激子与孤子性质的比较 499
11.1.3.3 α-螺旋蛋白质中分子结合能沿一维分子链传输的孤子运动 499
11.2 生物系统中的电子转移 502
11.2.1 络合物电荷转移 503
11.2.2 电子的隧道转移 505
11.2.3 蛋白质在电子远距离转移过程中的作用 506
11.2.4 质子转移与氢键 512
第12章 化学致癌作用的量子生物学研究 515
12.1 概述 515
12.1.1 历史 515
12.1.2 化学致癌物的发现 515
12.1.3 体内、体外代谢实验与最终致癌物 516
12.1.3.1 代谢途径 516
12.1.3.2 最终致癌物 517
12.2.1 多环芳烃(PAH) 518
12.2.1.1 L-区理论 518
12.2 结构与活性关系研究 518
12.2.1.2 K-区理论 522
12.2.1.3 湾区理论 522
12.2.1.4 双区理论 523
12.2.1.5 多环芳烃的构型效应 526
12.2.1.6 多环芳烃致癌能力的参数图 535
12.2.1.7 湾区π键级、分子大小与致癌能力关系 537
12.2.1.8 多环芳烃的定量结构致癌活性关系 538
12.2.2 甲基多环芳烃 541
12.2.2.1 甲基的空间效应和电子效应 541
12.2.2.2 甲基取代多环芳烃的致癌活性 543
12.2.3 亚硝胺类 550
12.2.4 微生物毒素 551
12.2.5.2 甲基、烷基代多环芳烃等的定量结构致癌活性关系的研究 553
12.2.5 多环芳烃“双区”理论的发展 553
12.2.5.1 多环芳烃“双区”理论的定量研究 553
12.2.5.3 多环芳烃的致癌性与其分配系数之间的定量关系 556
12.3 化学致癌物同生物大分子的相互作用 556
12.3.1 同核酸的相互作用 557
12.3.2 同蛋白质的相互作用 561
12.3.3 致癌物作用后大分子的改变 562
12.4 化学致癌作用的量子生物学研究方法 563
12.4.1 量子化学方法 563
12.4.1.1 孤立分子近似 564
12.4.1.2 位能面 567
12.4.1.3 分子静电势 567
12.4.2 多元回归分析 570
12.4.3 模式识别 571
12.4.3.1 模式识别法简介 571
12.4.3.2 模式识别在化学致癌作用研究中的应用实例 574