月球上的金属比我们想象的更多
月球上有着比我们所想象的更多的金属 一张基于NASA月球勘测轨道飞行器数据的月球近侧的图片。(图片：NASA/GSFC/亚利桑那州立大学)
地球的卫星比科学家们所想象的更具“金属感”。NASA高效的月球勘测轨道飞行器（LRO）发现了丰富的铁和钛氧化物在月球表面下存在的证据，这也许会展现出与地球早期历史的紧密联系。科学家们已经对关于月球是如何形成的问题争论了数十年。其中最主要的理论认为，曾经一个近火星大小的小行星与地球在数十亿年前相撞，造成巨大的冲击与碎裂，并炸掀了地球原始表面的一部分进入太空。
这些碎片围绕地球周围形成环带；如今我们所看到的月亮便是这些残骸环带由于其自身的重力而缓慢坍缩的结果。然而，月球的化学组分并没有对这个理论显示出充分明朗的证据。那些从地球上看来在月球表面清晰可见的明亮区域的高地，拥有着与我们的星球相比更小组分的携带有金属矿物的岩石。显然如果地球早期已经分层，更重的重金属沉下至地核的话，这样是说得通的—除非月球的更深暗处与地球的岩石在同一时期形成并且甚至含有更加丰富的金属含量。月球勘测轨道飞行器的新发现可以解释这个差异。
这个新研究基于一个被称为微型射频装置（Mini-RF）的设备，它是一个被设计用来绘制月球表面地况的雷达探测器，用于寻找冰态水和测试通讯设备。这个器械为了其介电常数的电气性质搜查了月球北半球的地况。这个常数是一种衡量物质在真空中传输电场能力的常量。电场的传输对于在火山口和环形山的阴影处冰态水的发现十分有用，这些地方可以保护其免受来自太阳的高温。
但它也同时可以认定那些更多的诸如铁和钛氧化物等金属暴露于地表的地区。同时科学家们还注意到了介电常数随着环形山的大小而增加，但只局限于一个特定的点。直径介于1到3英里（2至5千米）的环形山显示介电常数随其大小的增加而稳定上升。然而，对于直径介于3到12英里（5至20千米）宽的环形山，介电常数保持稳定。
这项新研究的之一作者并且还是洛杉矶南加州大学的迷你射频实验的合作研究者埃萨姆·赫格在NASA上表述：“我们没有理由去相信月球上的金属比我们想象中的多，这太不可思议了”
团队的理论是，月球表面最初的几百英尺（或米）很少有这种氧化物，但在更深处有丰富的金属来源。于是，当流星撞击月球表面刮走上层时，金属就暴露出来了。这种理论也可以解释为什么月球高地的金属含量较低，而靠近月球地下的较暗较低平原的金属含量较高。
为了检测他们的研究，研究人员将迷你RF的陨石坑地面雷达图像与一系列任务产生的金属氧化物地图进行比较，这些任务包括：LRO广角照相机，日本的月球和工程探测者（SELENE）任务（也称kayuga）和美国宇航局的月球探测者宇宙飞船。SELENE和月球探测者号已经不再工作，但他们的档案数据仍然存在。
根据NASA的说法，这些观察结果表明，更大的陨石坑确实含有更多的金属，这些研究者相信支持了他们关于流星挖掘出埋藏金属沉淀物的假设。
在2019年根据NASA的重力恢复和内部实验室（GRAIL）任务报告了一个令人困惑的现象，这结果更加有趣。对月球的重力测量表明，在月球的南极——艾特肯盆地下面几十到几百英里（或几公里）有大量的致密物质。GRAIL的结果加上LRO的新发现，表明金属可能集中在月球的某些区域。
LRO的结果是很好的了解月球是怎样行成的一小步，因为观测显示铁和钛的氧化物是如何分布在月球的北半球下面的。接下来，研究人员将观察南半球的陨石坑底部，看看哪里有多少金属。
相关知识
月球是绕地球运行的天体并且是地球唯一的天然卫星。它是太阳系第五大行星，<13>是相对于它所环绕的行星(它的主卫星)而言更大的行星卫星。这颗卫星的密度仅次于木星的木卫一，是太阳系中已知的第二大卫星
月球被认为是在45.1亿年前行成的，在地球行成之后不久。最广为接受的解释是，月球是由地球和一个假想的火星大小的天体忒亚(Theia)发生巨大碰撞后遗留下来的碎片形成的。尽管没有否定忒亚假说，但对月球岩石的最新研究表明，月球可能比之前认为的更古老。
作者：Elizabeth Howell
FY：Astronomical volunteer team
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这些物理现象颠覆了我的世界观，前所未有…这些反直觉的物理现象展现了前所未有的视野，那样的美，无法言语。
#变换光学带来的无穷魅力
变换光学的基本原理是根据麦克斯韦方程的空间不变性。讲得浅显一点就是，改变我们所处的物理空间，保持电磁波的空间不变。
比如隐身衣，从电磁波的角度来看，它所处的空间是没有变化的，所以它感觉不到变换前后的差别，所以它就不能分辨有没有物体在隐身衣之内。但是从我们的空间来看，变换前后的空间是完全不一样的，变换后，空间中有一个”洞“，这个“洞”就可以隐藏物体。
从数学上来说，变换前后，在隐身衣外面的麦克斯韦方程的解释一致。这并没有违背唯一性定理，因为唯一性定理描述的是各项同性介质的情况。而隐身衣的构成恰好是各向异性介质。
隐身衣应该算是变换光学带来的最有意思的东西。之一次从数学上证明了隐身衣的可能性。当然还有其他的应用。
隐身衣
注意电磁波绕过了一个物体，好像这个物体对于它不存在一样。
电磁波聚集器
半径为c的圆圈内的电磁波都聚集在半径为a的圆圈内。注意外面的电磁波不受影响。
电磁波转向器
半径为a的圆圈内的场旋转了90°。注意外面的电磁波不受影响。
超散射
在星星外面罩一个”面包圈“，使它看上去放大了几倍。注意是360°无死角放大，跟放大镜不一样。
看不见的波导
弯曲波导
光学黑洞
顾名思义，所有的光在遇到这个器件的时候，都有去无回。
光学黑洞实际上是用电磁材料来控制电磁波的路径，来模拟光掉进黑洞时的路径变化。从这个角度来说还是挺有意思的。
还有很多别的应用，我就不列举了。通过变换光学可以自由的操作电磁波，这是跟人们以往的想法是不一样。
#电磁波通过一个很小的波导隧穿过去
比如这样，电磁波照理来说在经过一个很小的通道时大部分能量会反射回去。但是在这个窄道里填充介电常数为零的介质后，电磁波竟然全部隧穿过来了。这里涉及到折射率为零的材料，电磁波在狭窄的波导里面，以无穷的相速度传播。
#超透镜
光学显微镜有衍射极限，大约为波长的二分之一，这个大家都知道。
但是超透镜可以突破衍射极限，能分辨小于二分之一波长的物体。
从物理上来说，光学显微镜只是采集了传播波，所以丢失了一部分信息，这部分信息包含在倏逝波里面。
所谓传播波顾名思义是可以传播的波，倏逝波是不能够传播的波，它的波在传播方向上呈指数衰减。而超透镜它，能够将倏逝波转换为传播波，从而使我们得到倏逝波里面的信息。
#负折射率材料
负折射率材料在上个世纪还一直以为是不存在的，现在都造出来了。一般实现负折射介质是采用超材料，当然光子晶体也是可以的。
负折射率材料有很多反直观的特性，比如逆契伦科夫辐射。
什么是契伦科夫辐射？
契伦科夫辐射一般来说是物体运动速度大于介质里面波的传播速度。这里的波可以是电磁波，声波，水波等。
所以摩托艇在水面滑行产生的水纹就是契伦科夫辐射。飞机超音速飞行时引发的音爆也是由于契伦科夫辐射。
在电磁波中：
对于折射率为2的介质，电磁波的极限速度为0.5c（c是电磁波在真空中得速度），如果一个高能粒子以0.6c的速度射入这种介质，就会产生所谓的契伦科夫辐射。所以应该是这样的：
注意，在这里能量传播方向跟波的传播方向相同。
如果将材料替换为负折射率材料，那么很神奇的事情发生了：
可以看到能量传播方向跟波的传播方向正好相反。
还有逆多普勒效应，就是电磁波波源离你远去的时候，你发现它的频率在增加。
利用负折射率材料还可以 *** 完美的透镜，电磁波携带的所有的信息都可以恢复，没有衍射极限的问题了，也就是超透镜。
#光子晶体
光子晶体是模拟固体物理中的晶体得到的。这就很神奇了，它跟晶体一样有禁带。
首先看看光子晶体怎么实现，它是这样的：
蓝色的普通的介质，比如介电常数为8的材料，其他的是空气。
照理来说，这种材料是不可以完全阻挡电磁波传播的，但是如果它排成这种周期结构，在某些频率下，它就可以禁止电磁波传播。所以就可以用来束缚电磁波，做成波导：
有人问这东西有什么用，波导不是可以用金属来做吗。但是在光频道，金属就不再是金属了，它们变成了普通的介质。所以光子晶体具有做光器件的潜力。它还可以做成三维的，就变成了类似光纤的东西。注意它跟光纤不一样，光子晶体是在亚波长尺度调控光波。
#表面波
实际上最初接触表面波时，我是觉得它挺反直观的。因为在我们的印象中，电磁波都是在金属波导里面或者在光纤里面，也就是像自来水管一样，要把水通过壁的阻挡局域在水管里面。
但实际上，电磁波可以存在物体的表面，或者说物体与真空的界面。其实自然界中就存在很多表面波，比如水波，它就是一种表面波，这种波存在于水与空气之间。
对于电磁波，一种比较奇特的表面波是表面等离子体激元。这种表面波一般存在比较高的频段，比如光频段。这个频段比较靠近一些金属里面电子的谐振频率（比如金、银），光和电子可以直接交换能量，形成一种很奇特的模式。如果从麦克斯韦的参数上来说，此时金属的介电常数为负数。
这东西好玩得很，可以做成波导，或者其它光器件。以后的光电路有可能用到它。
当然在低频段，比如微波段也是可以的。虽然在自然界，微波段没有介电常数为负的材料，但是可以人工制造出来。它可以做成这样：
这东西就像电线一样……电磁波就沿着这个“电线”走，是不是很神奇。
#拓扑光学
拓扑绝缘体，这个是最近才火的，其影响可媲美石墨烯。当然这东西也是更先出现在凝聚态物理，最近一两年延伸到电磁波。非常神奇的是，电磁波只能在它的表面传，不能在这种材料里面传。而且在表面传时，它的模式是受拓扑保护的。浅显来说，一种模式只能往特定方向传播，就算有一些障碍物，它也可以绕过去。
所以很显然，它很适合当波导，不用担心电磁波拐外时带来的反射问题。就像以前的车道，车有的向前有的向后，很容易发生交通拥堵。现在我们建成了单行道，或者高速公路（由向前向后两个单行道构成），那么拥堵问题就会减少了。
先上图↓
#慢光
顾名思义是让光走得很慢。其中有个原理是电磁感应透明（electromagnetic induced transparence）。这实际上是从quantum physics中引入的一个概念。我们可以从各种结构或者材料来构建一个二能级系统，即两个不同的模式，在这个二能级系统中，不同能级或者说模式相互作用，在特定情况下就会产生电磁感应透明现象。
这种现象可以用超材料来实现。一个dark element 在某个频率点谐振，谐振的品质因数非常高；另一个是bright element 在同一个频率点谐振，谐振的品质因数比较小。然后它们两个一叠加，电磁波就可以透射过去了。放个图：
（c）就是（a）和(b)相互作用的结果。我们可以观察到在c中，电磁波是透过去的。
其实重点不在这。在这一点，电磁波的群速度会非常小，也就是光停在那里了。当然这其实是从凝聚态物理引申过来的。真正有趣的可能不在我熟悉的领域。去年科学家已经可以将光停止1分钟了。
#casimir force及自发辐射
真空中并不是空无一物（零点能），里面有各种光子产生和湮灭，虽然总的场为零，但是它们的扰动不为零。
考虑上面的模型，有两块金属板，中间有一些空隙。由于电磁波在金属板之间有特定的模式，并且由于两块板的作用，一些低频率的模式不能存在于板之间，也就是说，有部分的光子的涨落别限制了。这就导致板外面的力比板里面的力要强，进而产生casimir力。
另外，范德华力实际上就是casimir力的一种。所以范德华力的也可以用上面的物理来解释。
另外，真空中的扰动，也是自发辐射的根本原因。正是由于真空中的扰动，造成了原子中电子能级的变化，从而辐射出光子。
现在科学家研究的一般都是反直觉的东西。越反直觉越有价值，每一个重大breakthrough都是在刷新人们的世界观。
2022年中级注册安全工程师《安全生产技术基础》考点总结精华四触电防护技术考点
1、绝缘材料性能
触电防护技术包括直接接触触电防护、间接接触触电防护和兼防直接接触和间接接触触电防护技术。触电防护技术:
(1）直接接触触电防护:绝缘、屏护、间距
(2）间接接触触电防护:接地保护、接零保护、双重绝缘、电气隔离
(3）兼防直接接触和间接接触触电防护:特低电压、漏电保护
1.绝缘材料基本性能
(1)电性能:包括绝缘电阻（直流电阻，判断绝缘质量最基本的指标)、耐压强度、泄漏电流（对应电阻率，直流电流）和介电常数（介质损耗)。
(2）热性能:耐热性能（允许工作温度)、耐弧性能、阻燃性能、软化温度和粘度。
(3）吸潮性能:分为吸水性能（木材）和亲水性能（玻璃)。
介电常数是表明绝缘极化特征的性能参数。介电常数越大，极化过程越慢。无机绝缘材料的耐弧性能优于有机绝缘材料的耐弧性能。绝缘材料的阻燃性能用氧指数表示。材料在氧、氮混合气体中恰好能保持燃烧状态所需要的更低氧浓度。
可燃性材料:氧指数<21%;自熄性材料:21%<氧指数<27%;阻燃性材料:氧指数>27%
2绝缘击穿
(1）气体绝缘击穿是由碰撞电离导致的电击穿。气体击穿后绝缘性能会很快恢复。
(2）纯净液体的击穿也是电击穿，击穿强度与液体纯净度有关，液体绝缘击穿，绝缘性能只在一定程度
上恢复，液体的密度越大越难击穿，击穿强度比气体高。
(3）固体绝缘的击穿有电击穿、热击穿，固体绝缘击穿后将失去其原有性能。热击穿电压作用时间较长，击穿电压较低;电击穿作用时间短、击穿电压高。
电气防火防爆技术考点2屏护和间距（高频考点)
1．屏护
(1）遮栏高度不应小于1.7m，下部边缘离地面高度不应大于0.lm。户内栅栏高度不应小于1.2m;户外栅栏高度不应小于1.5m。
(2）对于低压设备，遮栏与裸导体的距离不应小于0.8m，栏条间距离不应大于0.2m。
2．间距
(1)在低压作业中，人体及其所携带工具与带电体的距离不应小于0.lm。在10kV作业中，无遮拦时，人体及其所携带工具与带电体的距离不应小于0.7m;有遮拦时，遮拦与带电体之间的距离不应小0.35m。
考点2接地和接零保护系统（高频考点）
1．保护接地（IT系统)
IT系统即保护接地系统。字母Ⅰ表示配电网不接地或经高阻抗接地、字母T表示电气设备外壳直接接地。
( 1 )IT系统安全原理
1把故障电压限制在安全范围以内，但漏电状态并未消失;
②在 380V不接地低压配电网中，保护接地电阻RE≤49。当电压不超过100kVA时,可以放宽到RE≤102。适用于各种不接地配电网，如煤矿井下低压配电网。只有在不接地配电网中，由于单相接地电流较小，才有可能通过保护接地把漏电设备故障对地电压限制在安全范围之内。
2.TT系统
由于RE和 RN同在一个数量级，漏电设备对地电压一般不能降低到安全范围以内，一般的短路保护不起作用，不能及时切断电源，使故障长时间延续下去。因此在T系统中应优先装设能自动切断漏电故障的漏电保护装置（剩余电流保护装置)。只有在采用其他防止间接接触电击的措施有困难的条件下才考虑采用TT系统。
3．接零保护系统（TN系统)
(1)分类:TN系统分为TN-S、TN-C-S、TN-C三种方式。TN-S系统可用于有爆炸危险，或火灾危险性较大的场所。TN-C系统可用于无火灾爆炸危险的场所。
(2）原理:当设备某相带电体碰连设备外壳时，设备外壳形成短路，短路电流促使线路上的短路保护迅速动作，从而将故障部分断开电源。
(3）切断时间要求:工作接地电阻一般≤49，高土壤电阻值地区允许放宽至≤10Q。固定式电气设备的线路,故障持续时间≤5s;对于供给手持式电动工具、移动式电气设备的线路或插座回路,电压 220V者故障持续时间≤0.4s、380V≤0.2s。否则，应采取能将故障电压限制在许可范围之内的等电位连接措施
考点3、双重绝缘和电气隔离（高频考点）
1．双重绝缘
双重绝缘是强化的绝缘结构，包括双重绝缘和加强绝缘两种类型。具有双重绝缘的电气设备属于Ⅱ类设备，明显部位应有“回”形标志。工作绝缘:位于带电体与不可触及金属件之间，电阻不得低于 2M 9 ;保护绝缘:在工作绝缘因机械破损或击穿等失效的情况下，可防止触电的独立绝缘，位于不可触及金属件与可触及金属件之间，电阻不得低于5M Q ;
1.工作绝缘2.保护绝缘
2．电气隔离
电气隔离的回路必须符合以下条件:
(1）电源变压器必须是隔离变压器。输入绕组与输出绕组间没有电气连接，并具有双重绝缘。(2）二次边保持独立，被隔离回路不得与其他回路及大地有任何连接。
(3)二次边线路符合要求，不能电压过高或线路过长。
(4）各台设备金属外壳采取等电位连接。
考点4、特低电压和漏电保护
1．特低电压
特别危险环境使用的手持电动工具采用42V特低电压;电击危险环境使用的手持照明灯和局部照明灯应采用36V或24V特低电压;金属容器内、隧道内、水井内以及周围有大面积接地导体等工作地点狭窄、行动不便的环境应采用12V特低电压;6V特低电压用于特殊场所。对于电动儿童玩具及类似电器，当接触时间超过ls时，干燥环境中工频特低电压有效值的限值取33V、直流特低电压的限值取70V;潮湿环境中工频特低电压有效值的限值取16V、直流特低电压的限值取35V。当电气设备采用24V 以上特低电压时，必须采取直接接触电击防护措施。
2．漏电保护
(1）保护原理:零序电流互感器—中间环节—脱扣器。
(2)分类:动作电流≤30mA一高灵敏度;动作电流在30mA-1000mA之间一中灵敏度;动作电流>1000mA—低灵敏度。
(3）必须安装漏电保护器的场所:
①属于Ⅰ类的移动式电气设备及手持式电动工具;生产用的电气设备，施工工地的电气机械设备，安装在户外的电气装置，临时用电的电气设备;机关、学校、宾馆、饭店、企事业单位和住宅等除壁挂式空调电源插座外的其他电源插座或插座回路;④游泳池、喷水池、浴池的电气设备;安装在水中的供电线路和设备;医院中可能直接接触人体的电气医用设备等。
1. 电磁波屏蔽材料：如金属网、金属箔、导电材料等，能够有效地阻挡电磁波的传播。
2. 吸声材料：可以减少电磁波反射，使其不会对周围产生干扰。
3. 低介电常数材料：介电常数越低，电磁波在材料中传播时的损耗也就越小，对材料的干扰也就越小。
4. 磁性材料：对高频电磁波有良好的吸收性能，能够有效地减少电磁辐射。
5. 静电屏蔽材料：如碳纤维、金属纤维等，能够有效地屏蔽电磁波和防止静电干扰。
6. 复合材料：将多种防电磁干扰材料组合在一起，能够起到更好的防干扰效果。
7. 电磁波吸收材料：如铁氧体材料、石墨材料等，能够将电磁波转化为热能或其它形式的能量，并将其吸收掉，从而减少电磁波的干扰。
8. 导电胶粘剂：可以将电磁波屏蔽材料粘结在需要防干扰的地方，从而形成具有防干扰功能的屏蔽层。
9. 电磁互容性材料：如电磁波兼容性强的软磁材料、高温陶瓷材料等，能够减少电磁波和其他电子设备之间的相互干扰。
10. 电磁波隔离材料：如EMI屏蔽材料、TEMPEST材料等，能够将电磁波隔离在特定区域内，减少电磁波的泄漏和干扰。
11. 低噪声放大器封装材料：在收发器等射频电路中，低噪声放大器的性能对电路的整体性能有很大影响。低噪声放大器封装材料能够减少射频信号的干扰，提高信噪比。
12. 防爆电缆：在易燃、易爆、高温等特殊环境下，防爆电缆能够提供稳定可靠的电力供应，并能有效防止电磁干扰。
13. 电磁屏蔽房：能够将电磁波隔离在封闭的空间内，可用于测试、研究和开发电子设备。
14. 接地材料：良好的接地能够有效减少电子设备的电磁干扰。接地材料能够提供良好的接地效果，从而减少不必要的电磁干扰。
15. 电磁波屏蔽涂料：具有电磁屏蔽作用的涂料，可在表面形成一层防护层，能够有效地防止电子设备受到外界电磁波的干扰。
16. 电子线材：为了避免电磁波干扰器件的传输，需要使用具有良好的屏蔽效能的电子线材，并采取细致的接线 *** ，从而减少电磁干扰。
17. 电子组装材料：例如丝网布和热缩管，能够使电子组件连接紧密，并减少干扰。
18. 电容器：电容器能够在电路中存储能量，稳定电压和电流，并能帮助分离和降低电磁干扰。
19. 射频屏蔽罩：适用于电池、手机、PDA等微型射频无线产品的屏蔽罩，使用铜、银、铝等材料，有效阻挡电磁波，减少电磁干扰。
20. 电磁屏蔽包装：用于包装易受干扰的电子产品，通过适当的屏蔽措施，将电磁波隔离在包装内部，从而减少电磁干扰对产品的影响。
针对不同的电子设备和应用场景，还有其他不同的防电磁干扰材料可供选择。选择合适的材料能够在保证电子设备的性能和稳定性的基础上，有效地减少电磁干扰的影响。
生物化学·笔记 5-6章节
第五章 酶 类
提要
一.概述
酶的特性 酶的分类
二.酶的结构
单纯酶 结合酶 辅酶与辅基 单体酶 寡聚酶 多酶体系 活性中心 同工酶
三.酶的催化机制
诱导契合假说 酶加快反应速度的因素
四.酶促发应动力学
米氏方程 米氏常数及意义 bi-bi反应 影响酶促反应的因素 激活剂 抑制剂 竞争性抑制 非竞争性抑制
五.酶的调节
变构调节 共价修饰调节 酶原 酶原激活
之一节 概述
一、定义
酶是一种生物催化剂，是有催化功能的蛋白质。
二、人们对酶的认识过程
1833年佩延（Payen）和Persoz从麦芽中抽提出一种对热敏感的物质，这种物质能将淀粉水解成可溶性糖，被称为淀粉糖化酶（diastase），意思是“分离”。所以后人命名酶时常加词尾-ase。由于他们用乙醇沉淀等 *** 提纯得到了无细胞的酶制剂，并发现了酶的催化特性和热不稳定性，所以一般认为他们首先发现了酶。
19世纪西方对发酵现象的研究推动了对酶的进一步研究。巴斯德提出“酵素”一词，认为只有活的酵母细胞才能进行发酵。现在日本还经常使用“酵素”一词（ferment）。1878年德国人库恩（Kuhne）提出“Enzyme”一词，意为“在酵母中”。1896年德国人巴克纳（Buchner）兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，得到了能催化发酵的无细胞滤液，证明发酵是一种化学反应，与细胞的活力无关。这项发现涉及到了酶的本质，有人认为这是酶学研究的开始。
1913年米凯利斯（Michaelis）和门顿（Menten）利用物理化学 *** 提出了酶促反应的动力学原理—米氏学说，使酶学可以定量研究。1926年美国人J. B. Sumner从刀豆中结晶出脲酶（之一个酶结晶），并提出酶是蛋白质的观点。后来陆续得到多种酶的结晶，证明了这种观点，萨姆纳因而获得1947年诺贝尔奖。此后多种酶被发现、结晶、测定结构，并产生了酶工程等分支学科。
进入80年代后，核糖酶（ribozyme）、抗体酶、模拟酶等相继出现，酶的传统概念受到挑战。1982年Cech等发现四膜虫26S rRNA前体具有自我剪接功能，并于1986年证明其内含子L-19 IVS具有多种催化功能。此后陆续发现多种具有催化功能的RNA，底物也扩大到DNA、糖类、氨基酸酯。还有人在实验室中设计合成新的核糖酶。甚至有人发现博莱霉素等肽类抗生素也有催化能力。这些新发现不仅增加了对酶的本质的研究，也有助于对生命起源等问题的探讨，使酶学研究进入新的阶段。
三、酶的特性
酶是生物体产生的，有催化能力的蛋白质。细胞内的蛋白质，90％都有催化活性。酶是一种生物催化剂，与一般催化剂一样，只改变反应速度，不改变化学平衡，并在反应前后本身不变。但酶作为生物催化剂，与一般的无机催化剂相比有以下特点：
1.催化效率高 酶的催化效率比无机催化剂高106－1013倍。举例来说，1mol马肝过氧化氢酶在一定条件下可催化5×106摩尔过氧化氢分解，在同样条件下1mol铁只能催化6×10－4摩尔过氧化氢分解。因此，这个酶的催化效率是铁的1010倍。也就是说，用过氧化氢酶在1秒内催化的反应，同样数量的铁需要300年才能反应完。
2.专一性强 一般催化剂对底物没有严格的要求，能催化多种反应，而酶只催化某一类物质的一种反应，生成特定的产物。因此酶的种类也是多种多样的。酶催化的反应称为酶促反应，酶促反应的反应物称为底物。酶只催化某一类底物发生特定的反应，产生一定的产物，这种特性称为酶的专一性。
各种酶的专一性不同，包括结构专一性和立体专一性两大类，结构专一性又有绝对专一性和相对专一性之分。绝对专一性指酶只催化一种底物，生成确定的产物。如氨基酸：tRNA连接酶，只催化一种氨基酸与其受体tRNA的连接反应。相对专一性指酶催化一类底物或化学键的反应。如醇脱氢酶可催化许多醇类的氧化反应。还有许多酶具有立体专一性，对底物的构型有严格的要求。如乳酸脱氢酶只能催化L-乳酸，不能催化D-乳酸的反应。
3.反应条件温和 酶促反应不需要高温高压及强酸强碱等剧烈条件，在常温常压下即可完成。
4.酶的活性受多种因素调节 无机催化剂的催化能力一般是不变的，而酶的活性则受到很多因素的影响。比如底物和产物的浓度、pH值以及各种激素的浓度都对酶活有较大影响。酶活的变化使酶能适应生物体内复杂多变的环境条件和多种多样的生理需要。生物通过变构、酶原活化、可逆磷酸化等方式对机体的代谢进行调节。
5.稳定性差 酶是蛋白质，只能在常温、常压、近中性的条件下发挥作用。高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、超声波、剧烈搅拌、甚至泡沫的表面张力等都有可能使酶变性失活。不过自然界中的酶是多种多样的，有些酶可以在极端条件下起作用。有些细菌生活在极端条件下，如超噬热菌可以生活在90℃以上环境中，高限为110℃；噬冷菌最适温度为－2℃，高于10℃不能生长；噬酸菌生活在pH1以下，噬碱菌的最适pH大于11；噬压菌更高可耐受1035个大气压。这些噬极菌的胞内酶较为正常，但胞外酶却可以耐受极端条件的作用。有些酶在有机溶剂中可以催化在水相中无法完成的反应。
四、酶的命名与分类
1.命名
酶的命名法有两种：习惯命名与系统命名。习惯命名以酶的底物和反应类型命名，有时还加上酶的来源。习惯命名简单，常用，但缺乏系统性，不准确。1961年国际酶学会议提出了酶的系统命名法。规定应标明酶的底物及反应类型，两个底物间用冒号隔开，水可省略。如乙醇脱氢酶的系统命名是：醇：NAD+氧化还原酶。
2.分类
按照催化反应的类型，国际酶学委员会将酶分为六大类。在这六大类里，又各自分为若干亚类，亚类下又分小组。亚类的划分标准：氧化还原酶是电子供体类型，移换酶是被转移基团的形状，水解酶是被水解的键的类型，裂合酶是被裂解的键的类型，异构酶是异构作用的类型，合成酶是生成的键的类型。
（1）氧化还原酶 催化氧化还原反应，如葡萄糖氧化酶，各种脱氢酶等。是已发现的量更大的一类酶，其氧化、产能、解毒功能，在生产中的应用仅次于水解酶。需要辅因子，可根据反应时辅因子的光电性质变化来测定。按系统命名可分为19亚类，习惯上可分为4个亚类：
2脱氢酶：受体为NAD或NADP，不需氧。
2氧化酶：以分子氧为受体，产物可为水或strongO2，常需黄素辅基。
2过氧物酶：以strongO2为受体，常以黄素、血红素为辅基
2氧合酶（加氧酶）：催化氧原子掺入有机分子，又称羟化酶。按掺入氧原子个数可分为单加氧酶和双加氧酶。
（2）移换酶类 催化功能基团的转移反应，如各种转氨酶和激酶分别催化转移氨基和磷酸基的反应。移换酶也叫转移酶，多需要辅酶，但反应不易测定。按转移基团性质，可分为8个亚类，较重要的有：
2一碳基转移酶：转移一碳单位，与核酸、蛋白质甲基化有关。
2磷酸基转移酶：常称为激酶，多以ATP为供体。少数蛋白酶也称为激酶（如肠激酶）。
2糖苷转移酶：与多糖代谢密切相关，如糖原磷酸化酶。
（3）水解酶类 催化底物的水解反应，如蛋白酶、脂肪酶等。起降解作用，多位于胞外或溶酶体中。有些蛋白酶也称为激酶。可分为水解酯键（如限制性内切酶）、糖苷键（如果胶酶、溶菌酶等）、肽键、碳氮键等11亚类。
（4）裂合酶类 催化从底物上移去一个小分子而留下双键的反应或其逆反应。包括醛缩酶、水化酶、脱羧酶等。共7个亚类。
（5）异构酶类 催化同分异构体之间的相互转化。包括消旋酶、异构酶、变位酶等。共6个亚类。
（6）合成酶类 催化由两种物质合成一种物质，必须与ATP分解相偶联。也叫连接酶，如DNA连接酶。共5个亚类。
3.酶的编号
国际酶学委员会根据酶的类别，给每种酶规定了统一的编号。酶的编号由EC和4个用圆点隔开的数字组成。EC表示酶学委员会，之一个数字表示酶的类别，第二个数字表示酶的亚类，第三个数字表示酶的小组，第四个数字表示酶在小组中的序列号。如EC1.1.1.1表示这个酶是氧化还原酶，电子供体是醇，电子受体是NAD+,序列号是1，即乙醇脱氢酶。胰蛋白酶的编号是EC3.4.4.4，4个数字分别表示它的类型是水解酶；水解的键是肽键；是内切酶而不是外切酶；序列号是4。多功能酶可以有多个编号。
五、酶的活力
1.定义 指酶催化一定化学反应的能力。
2.单位 在特定条件下，1分钟内转化1微摩尔底物所需的酶量为一个活力单位(U)。温度规定为25度，其他条件取反应的最适条件。
比活：每毫克酶蛋白所具有的酶活力。单位是u/mg。比活越高则酶越纯。
转化数：每分子酶或每个酶活性中心在单位时间内能催化的底物分子数(TN)。相当于酶反应的速度常数kp。也称为催化常数（Kcat）。1/kp称为催化周期。碳酸酐酶是已知转换数更高的酶之一，高达36×106每分，催化周期为1.7微秒。
3.测定 一般采用测定酶促反应初速度的 *** 来测定活力，因为此时干扰因素较少，速度保持恒定。反应速度的单位是浓度/单位时间，可用底物减少或产物增加的量来表示。因为产物浓度从无到有，变化较大，而底物往往过量，其变化不易测准，所以多用产物来测定。
第二节 酶的结构
一、酶分子的化学组成
酶的本质是蛋白质。酶与其他蛋白一样，由氨基酸构成，具有一、二、三、四级结构。酶也会受到某些物理、化学因素作用而发生变性，失去活力。酶分子量很大，具有胶体性质，不能透析。酶也能被蛋白酶水解。
1.辅因子
有些酶完全由蛋白质构成，属于简单蛋白，如脲酶、蛋白酶等；有些酶除蛋白质外，还含有非蛋白成分，属于结合蛋白。其中的非蛋白成分称为辅因子(cofactor)，蛋白部分成为酶蛋白，复合物叫全酶。辅因子一般起携带及转移电子或功能基团的作用，其中与酶蛋白以共价键紧密结合的称为辅基，以非共价键松散结合的称为辅酶。
在催化过程中，辅基不与酶蛋白分离，只作为酶内载体起作用，如黄素蛋白类酶分子中的FAD、FMN辅基携带氢，羧化酶的生物素辅基携带羧基等等。辅酶则常作为酶间载体，将两个酶促反应连接起来，如NAD+在一个反应中被还原成NADH，在另一个反应中又被氧化回NAD+。它在反应中象底物一样，有时也称为辅底物。
有30％以上的酶需要金属元素作为辅因子。有些酶的金属离子与酶蛋白结合紧密，不易分离，称为金属酶；有些酶的金属离子结合松散，称为金属活化酶。金属酶的辅因子一般是过渡金属，如铁、锌、铜、锰等；金属活化酶的辅因子一般是碱金属或碱土金属，如钾、钙、镁等。
2.单体酶、寡聚酶和多酶体系
由一条肽链构成的酶称为单体酶，由多条肽链以非共价键结合而成的酶称为寡聚酶，属于寡聚蛋白。有时在生物体内一些功能相关的酶被组织起来，构成多酶体系，依次催化有关的反应。构成多酶体系是代谢的需要，可以降低底物和产物的扩散限制，提高总反应的速度和效率。
有时一条肽链上有多种酶活性，称为多酶融合体。如糖原分解中的脱支酶在一条肽链上有淀粉-1，6-葡萄糖苷酶和4-α-D-葡聚糖转移酶活性；来自樟树种子的克木毒蛋白（camphorin）由一条肽链组成，有三种活性：① RNA N-糖苷酶活性，可水解大鼠28S rRNA中第4324位腺苷酸的糖苷键，释放一个腺嘌呤；② 依赖于超螺旋DNA构型的核酸内切酶活性，专一解旋并切割超螺旋环状DNA形成缺口环状和线状DNA；③ 超氧化物歧化酶活性。来自红色链孢霉的AROM多酶融合体是二聚体，每条肽链含五种酶活性，可催化莽草酸途径的第二至第六步反应，由于有中间产物的传递通道，使催化效率大为提高。
二、酶的活性中心
1.定义
酶是大分子，其分子量一般在一万以上，由数百个氨基酸组成。而酶的底物一般很小，所以，直接与底物接触并起催化作用的只是酶分子中的一小部分。有些酶的底物虽然较大，但与酶接触的也只是一个很小的区域。因此，人们认为，酶分子中有一个活性中心，它是酶分子的一小部分，是酶分子中与底物结合并催化反应的场所。活性中心是有酶分子中少数几个氨基酸残基构成的，它们在一级结构上可能相距很远，甚至位于不同的肽链上，由于肽链的盘曲折叠而互相接近，构成一个特定的活性结构。因此活性中心不是一个点或面，而是一个小的空间区域。
2.分类
活性中心的氨基酸按功能可分为底物结合部位和催化部位。前者负责识别特定的底物并与之结合。它们决定了酶的底物专一性。催化部位是起催化作用的，底物的敏感键在此被切断或形成新键，并生成产物。二者的分别并不是绝对的，有些基团既有底物结合功能又有催化功能。
Koshland将酶分子中的残基分为四类：接触亚基负责底物的结合与催化，辅助亚基起协助作用，结构亚基维持酶的构象，非贡献亚基的替换对活性无影响，但对酶的免疫、运输、调控与寿命等有作用。前二者构成活性中心，前三者称为酶的必须基团。
活性中心以外的部分并不是无用的，它们能够维持酶的空间结构，使活性中心保持完整。在酶与底物结合后，整个酶分子的构象发生变化，这种扭动的张力使底物化学键容易断裂。这种变化也要依靠非活性中心的协同作用。
一般单体酶只有一个活性中心，但有些具有多种功能的多功能酶具有多个活性中心。如大肠杆菌DNA聚合酶I是一条109kd的肽链，既有聚合酶活性，又有外切酶活性。
3.形成过程
有些酶在细胞内刚刚合成或分泌时，尚不具有催化活性，这些无活性的酶的前体称为酶原。酶原通过激活才能转化为有活性的酶。酶原的激活是通过改变酶分子的共价结构来控制酶活性的一种机制，通过肽链的剪切，改变蛋白的构象，从而形成或暴露酶的活性中心，使酶原在必要时被活化成为有活性的酶，发挥其功能。
4.研究活性中心的 ***
酶的底物和竞争性抑制剂的结构特点有助于研究酶的活性中心的结构。酶的最适pH及速度常数等动力学特点也可提供一些信息。
化学修饰在活性中心的研究中起过很重要的作用。因为活性中心的基团反应性常与其他基团不同，所以一些试剂可以专一性地与活性中心中的某种残基反应，而不与活性中心外的残基作用。如DFP（二异丙基氟磷酸）可与活性中心中的丝氨酸反应。TPCK（N-对甲苯磺酰苯丙氨酰氯甲基酮）的专一性更强，只能与糜蛋白酶活性中心的His-57结合，称为亲和标记。它是底物类似物，烷化剂。TLCK（赖氨酸衍生物）作用于胰酶的His-46。某些试剂的专一性不强，可用差示标记法：先用底物类似物保护活性中心，加入修饰剂，与活性中心以外的基团反应，然后除去抑制剂，再加入放射性标记的试剂，此时试剂只能与活性中心的基团反应，测定放射性的位置，即可找到活性中心。
紫外、荧光、园二色光谱等 *** 也可用与活性中心的研究。在酶与底物结合时，位于底物结合部位的生色团必然会发生某种变化，从而导致其光谱的变化。这些生色团可以是酶本身带有的，也可以人工引入。这种 *** 可以用来判断活性中心的构成，也可以研究催化的反应过程。最直接最准确的 *** 是X-射线衍射。
三、同工酶
同工酶是同一生物催化同一反应的不同的酶分子。同工酶的催化作用相同，但其功能意义有所不同。不同种生物有相同功能的酶不是同工酶。同工酶具有相同或相似的活性中心，但其理化性质和免疫学性质不同。同工酶的细胞定位、专一性、活性及其调节可有所不同。每种同工酶都有其独特的功能意义。如乳酸脱氢酶(LDH)是由4个亚基组成的四聚体。亚基有A(M)和B(H)两种，有5种同工酶：LDH1(H4)、LDstrong(MH3)、LDH3(M2strong)、LDH4(M3H)、LDH5(M4)。M、H两个亚基由不同基因编码，在不同细胞中合成速度不同，所以在不同的组织器官中5种同工酶的比例不同，经电泳分离后会得到不同的同工酶谱。人体心肌中LDH1和LDstrong较多，而骨骼肌中LDH5较多。M亚基对丙酮酸的Km较高，且不受底物抑制，因而肌肉可生成大量乳酸；H亚基的Km小，并受底物抑制，随底物增加很快饱和，所以心脏生成乳酸很少，此酶主要用于乳酸的氧化。临床上通过分析病人血清LDH同工酶谱，有助于诊断病变发生的部位。如心肌损害时血清中LDH1升高；肺损害时LDH3升高。
第三节 酶的催化机制
一、酶与底物的结合
酶与底物结合的作用力主要是氢键、盐键和范德华力。盐键是带电荷基团之间的静电吸引力，疏水基团之间的作用也称为疏水键。
酶与底物的结合是有专一性的，人们曾经用锁和钥匙来比喻酶和底物的关系。这种“锁钥学说”是不全面的。比如，酶既能与底物结合，也能与产物结合，催化其逆反应。于是又提出了“诱导契合学说”,认为当酶与底物接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生改变，变得有利于与底物的结合和催化。
二、酶加快反应速度的因素
酶加快反应速度主要靠降低反应的活化能，即底物分子达到活化态所需的能量。例如脲酶可使尿素水解反应的活化能由136kj/mol降到46kj/mol，使反应速度提高1014倍。酶的催化机理主要有以下几点：
1.邻近定向 对一个双分子反应，酶可以使两个底物结合在活性中心彼此靠近，并具有一定的取向。这比在溶液中随机碰撞更容易反应。对不同的反应，由分子间反应变成分子内反应后，反应速度可加快100倍到1011倍。
2.底物形变 酶与底物结合时，不仅酶的构象改变，底物的构象也会发生变化。这种变化使底物更接近于过渡态，因此可以降低活化能。
3.酸碱催化和共价催化 酶活性中心的一些残基的侧链基团可以起酸碱催化或共价催化的作用。酸碱催化可分为一般酸碱催化和特殊酸碱催化两种，特殊酸碱催化是指H+和OH-的催化作用；一般酸碱催化还包括其他弱酸弱碱的催化作用。酶促反应一般发生在近中性条件，H+和OH-的浓度很低，所以酶促反应主要是一般酸碱催化。酶分子中的一些可解离集团如咪唑基、羧基、氨基、巯基常起一般酸碱催化作用，其中咪唑最活泼有效。
有些酶有酸碱共催化机制及质子转移通路。四甲基葡萄糖在苯中的变旋反应如果单独用吡啶（碱）或酚（酸）来催化，速度很慢；如果二者混合催化，则速度加快，即酸碱共催化。如果把酸和碱集中在一个分子中，即合成α－羟基吡啶，它的催化速度又加快7000倍。这是因为两个催化集团集中在一个分子中有利于质子的传递。在酶－底物复合物中经常由氢键和共轭结构形成质子传递通路，从而大大提高催化效率。
共价催化可分为亲电催化和亲核催化。丝氨酸蛋白酶、含巯基的木瓜蛋白酶、以硫胺素为辅酶的丙酮酸脱羧酶都有亲核催化作用。羟基、巯基和咪唑基都有亲核催化作用。金属离子和酪氨酸羟基、－NH3+都是亲电基团。共价催化经常形成反应活性很高的共价中间物，将一步反应变成两步或多步反应，绕过较高的能垒，使反应快速进行。例如胰蛋白酶通过丝氨酸侧链羟基形成酰基-酶共价中间物，降低活化能。
4.微环境的作用 有些酶的活性中心是一个疏水的微环境，其介电常数较低，有利于电荷之间的作用，也有利于中间物的生成和稳定。如赖氨酸侧链氨基的pK约为9，而在乙酰乙酸脱羧酶活性中心的赖氨酸侧链pK只有6左右。
以上几点都可加速反应，但每种酶不同，可同时具有其中的几种因素。
第四节 酶促反应的动力学
酶促反应的动力学是研究酶促反应的速度以及影响速度的各种因素的科学。动力学研究既可以为酶的机理研究提供实验证据，又可以指导酶在生产中的应用，更大限度地发挥酶的催化作用。
一、米氏方程
1.米氏方程的推导
米氏学说是1913年Michaelis和Menton建立的，认为反应分为两步，先生成酶-底物复合物（中间产物），再分解形成产物，释放出游离酶。经过Briggs和Haldane的补充与发展，得到了现在的米氏方程。
Ｓ＋Ｅ＝ＳＥ＝Ｐ＋Ｅ
对于上面的反应，首先有三点假设：之一，底物大过量，即》
v=k2=(k-1+k2)/(k-1+k2)。定义(k-1+k2)/k1=Km，因为/(Km+)。代入速度方程，得到v= k2/(Km+)。因为当
v=Vm×/(Km+)
2.米氏常数的意义
米氏常数的物理意义是反应速度达到更大反应速度一半时的底物浓度。其酶学意义在于，它是酶的特征常数，只与酶的性质有关，与酶浓度无关。不同的酶其Km不同，同种酶对不同底物也不同。在k2极小时1/Km可近似表示酶与底物的亲和力，1/Km越大，亲和力越大。在酶的多种底物中，Km最小的底物叫做该酶的天然底物。
3.米氏常数的测定
从酶的v-图上可以得到Vm，再从1/2Vm处读出，即为Km。但实际上只能无限接近Vm，却无法达到。为得到准确的米氏常数，可以把米氏方程加以变形，使它相当于线性方程，通过作图得到准确的米氏常数。
双倒数作图法 将方程改写为
1/v=Km/Vm×1/+1/Vm
实验时在不同的底物浓度测定初速度，以1/v对1/作图，直线外推与横轴相交，横轴截踞为-1/Km，纵轴截踞为1/Vm。此法称为Lineweaver-Burk作图法，应用最广，但实验点常集中在左端，作图不易准确。
Eadie-Hofstee法 将方程改写为
v=-Km×v/+Vm
以v对v/作图，直线斜率为-Km。
4.其他动力学参数
Kcat/Km称为酶的专一性常数，它不受非生产性结合与中间产物积累的影响，可以表示酶对相互竞争的几种底物的专一性。生理条件下许多反应的底物浓度是很低的。在底物浓度很低时，v=（Kcat/Km），即Kcat/Km是表观二级速度常数。因为Kcat /Km=k3k1/（k2+k3），所以它小于k1，即小于酶和底物复合物生成的速度常数。它不是真实的微观速度常数，只有当反应的限速步骤是酶与底物的相互碰撞时，它才是真实的微观速度常数。扩散限制决定了速度常数的上限是108-109mol-1s-1，碳酸酐酶、磷酸丙糖异构酶、乙酰胆碱酯酶等都接近这一极限，说明他们的进化已经很完善。
反应级数：对于xA+yB=p的反应，其速度v=kab，对底物A是a级，对底物B是b级，整个反应的级数是a+b级。反应分子数是指在最慢的一步反应中，参加的更低分子数目。它是指反应机制，必须是整数；而反应级数是通过实验测得的，可以是小数。根据米氏方程，当底物浓度远大于米氏常数时，v=Vm，是零级反应；反之，v=（Vm/Km），是一级反应。而中间部分则是混合级反应。
二、多底物反应的机制
许多酶催化的反应比较复杂，包含一种以上底物，它们的反应按分子数分为几类，单分子称为uni，双分子称为bi，三分子为ter，四分子为quad。较为常见的是双底物双产物反应，称为bi－bi反应：
A+B→P+Q
目前认为大部分双底物反应可能有三种反应机理：
1.依次反应机理
需要NAD+或NADP+的脱氢酶的反应就属于这种类型。辅酶作为底物A先与酶生成EA，再与底物B生成三元复合物EAB，脱氢后生成产物P，最后放出还原型辅酶NADH或NADPH。
2.随机机理
底物的加入和产物的放出都是随机的，无固定顺序。如糖原磷酸化的反应。
3.乒乓机制
转氨酶是典型的乒乓机制，酶首先与底物A（氨基酸）作用，产生中间产物EA，底物中的氨基转移到辅酶，使辅酶中的磷酸吡哆醛变成磷酸吡哆胺，即EA转变为FP，然后放出产物P（α－酮酸），得到酶F，再与底物B（另一个酮酸）作用，放出产物Q（相应的氨基酸）和酶E。由乙酰辅酶A、ATP和HCO3-三个底物生成丙酰辅酶A的反应也属于乒乓机制。
三、影响反应速度的因素
（一）pH的影响 大部分酶的活力受pH值的影响，在一定的pH值活力更高，称最适pH。一般酶的最适pH在6－8，少数酶需偏酸或碱性条件。如胃蛋白酶最适pH在1.5，而肝精氨酸酶在9.7。
pH影响酶的构象，也影响与催化有关基团的解离状况及底物分子的解离状态。最适pH有时因底物种类、浓度及缓冲溶液成分不同而变化，不是完全不变的。
大部分酶的pH-酶活曲线是钟形曲线，但也有少数酶只有钟形的一半，甚至是直线。如木瓜蛋白酶底物的电荷变化对催化没有影响，在pH4-10之间是一条直线。
（二）温度的影响 酶活随温度变化的曲线是钟形曲线，有一个更高点，即最适温度。温血动物的酶最适温度是35－40度，植物酶在40－50度。这是温度升高时化学反应加速（每升温10℃反应速度加快1－2倍）与酶失活综合平衡的结果。一般酶在60度以上变性，少数酶可耐高温，如牛胰核糖核酸酶加热到100度仍不失活。干燥的酶耐受高温，而液态酶失活快。
最适温度也不是固定值，它受反应时间影响，酶可在短时间内耐受较高温度，时间延长则最适温度降低。
热失活的活化能一般为50-100Kcal/mol，比一般反应的活化能高10倍，在30℃以下是稳定的。
（三）激活剂的影响 凡是能提高酶活性的物质都称为激活剂。大部分激活剂是离子或简单有机化合物。按照分子大小，可分为三类：
1.无机离子 可分为金属离子、氢离子和阴离子三种。起激活剂作用的金属离子有钾、钠、钙、镁、锌、铁等，原子序数在11－55之间，其中镁是多种激酶及合成酶的激活剂。阴离子的激活作用一般不明显，较突出的是动物唾液中的α淀粉酶受氯离子激活，溴的激活作用稍弱。
激活剂的作用有选择性，对另一种酶可能起抑 *** 用。有些离子还有拮抗作用，如钠抑制钾的激活作用，钙抑制镁。有些金属离子可互相替代，如激酶的镁离子可用锰取代。激活剂的浓度也有影响，浓度过高可能起抑 *** 用。如对于NADP+合成酶，镁离子浓度在5－10×10-3M时起激活作用，在30×10-3M时酶活下降。
2.中等大小有机分子 某些还原剂如半胱氨酸、还原型谷胱甘肽、氰化物等，能激活某些酶，打开分子中的二硫键，提高酶活，如木瓜蛋白酶、D-甘油醛-3-磷酸脱氢酶等。另一种是EDTA，可螯合金属，解除重金属对酶的抑 *** 用。
3.蛋白质类 指可对某些无活性的酶原起作用的酶。
（四）抑制剂（inhibitor）的作用
使酶活力下降，但不引起酶蛋白变性的作用称为抑 *** 用。能引起抑 *** 用的物质叫做酶的抑制剂。抑制剂与酶分子上的某些必需基团反应，引起酶活力下降，甚至丧失，但并不使酶变性。研究抑 *** 用有助于对酶的作用机理、生物代谢途径、药物作用机制的了解。抑 *** 用根据可逆性可分为两类：可逆抑制与不可逆抑制。
1.不可逆抑制(irreversible inhibition) 此类抑制剂通常以共价键与酶结合，不能用透析、超滤等 *** 除去。按抑制剂的选择性，又可分为专一性与非专一性不可逆抑制剂。前者只能与活性部位的基团反应，后者可与多种基团反应。如对活性部位基团的亲和力比对其他基团大三个数量级，即为专一性抑制剂。有时因作用对象及条件不同，某些非专一性抑制剂会转化，产生专一性抑 *** 用。常用来判断专一性的 *** 有：有底物保护现象、有化学计量关系，且作用后酶完全失活、与失活的酶不反应。
常见的不可逆抑制剂有：
2有机磷化合物 可与酶中与酶活直接相关的丝氨酸上的羟基牢固结合，从而抑制某些蛋白酶及酯酶，是专一性抑制剂。此类化合物强烈抑制胆碱酯酶，使乙酰胆碱堆积，引起一系列神经中毒症状，又称为神经毒剂。二战中使用过的DFP及有机磷杀虫剂都属于此类。当有大量底物存在时，底物先与酶的活性部位结合，抑 *** 用就会减弱，称为底物保护作用。有机磷与酶结合后虽不解离，但有时可用肟化物（含-CH=NOH基）或羟肟酸把酶上的磷酸根除去，使酶恢复活性。临床上用的解磷定(PAM)就是此类化合物。
2有机砷、汞化合物 与巯基作用，抑制含巯基的酶。如对氯汞苯甲酸，可用过量巯基化合物如半胱氨酸或还原型谷胱甘肽解除。砷化物可破坏硫辛酸辅酶，从而抑制丙酮酸氧化酶系统。路易斯毒气(CHCl=CHAsCl2)能抑制几乎所有的巯基酶。砷化物的毒性不能用单巯基化合物解除，可用过量双巯基化合物解除，如二巯基丙醇等。它是临床上重要的砷化物及重金属中毒的解毒剂。
2氰化物 与含铁卟啉的酶（如细胞色素氧化酶）中的Fe2+结合，使酶失活而抑制细胞呼吸。
2重金属 银、铜、铅、汞等盐类能使大多数酶失活，可用螯合剂如EDTA解除。可能是与酶分子中的巯基发生反应，或置换酶中的金属离子。
2烷化剂 主要是含卤素的化合物，如碘乙酸、碘乙酰胺、卤乙酰苯等，是一种非专一性抑制剂，可以烷化巯基，使酶失活。常用于鉴定酶中巯基。
2自杀底物 以潜伏状态存在，与某些酶的活性中心结合后被激活，产生抑 *** 用。此类抑制剂有高度专一性，只有遇到靶子酶时才转变。也称为Kcat型专一性不可逆抑制剂。另一类专一性不可逆抑制剂称为Ks型，是底物类似物，如TPCK等。
2.可逆抑制 与酶的结合是可逆的，可用透析法除去抑制剂，恢复酶活。根据抑制剂与底物的关系，可逆抑制可分为三种：
（1）竞争性抑制 抑制剂结构与底物类似，与酶形成可逆的EI复合物但不能分解成产物P。抑制剂与底物竞争活性中心，从而阻止底物与酶的结合。可通过提高底物浓度减弱这种抑制。最典型的例子是丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制。竞争性抑制剂使Km增大，Km'=Km×（1+I/Ki），Vm不变。
竞争性抑制最常见，磺胺类药物就是竞争性抑制剂，如对氨基苯磺胺。它与对氨基苯甲酸相似，可抑制细菌二氢叶酸合成酶，从而抑制细菌生长繁殖。人体可利用食物中的叶酸，而细菌不能利用外源的叶酸，所以对此类药物敏感。抗菌增效剂TMP可增强磺胺的药效，因为其结构与二氢叶酸类似，可抑制细菌二氢叶酸还原酶，但很少抑制人体二氢叶酸还原酶。它与磺胺配合使用，可使细菌的四氢叶酸合成受到双重阻碍，严重影响细菌的核酸及蛋白质合成。
植物中的某些生物碱如毒扁豆碱是胆碱酯酶的竞争性抑制剂，含季铵基团，与乙酰胆碱类似，能抑制胆碱酯酶活力。
（2）非竞争性抑制 酶可以同时与底物和抑制剂结合，两者没有竞争。但形成的中间物ESI不能分解成产物，因此酶活降低。非竞争抑制剂与酶活性中心以外的基团结合，大部分与巯基结合，破坏酶的构象，如一些含金属离子（铜、汞、银等）的化合物。亮氨酸是精氨酸酶的非竞争抑制剂，EDTA络合金属引起的抑制也是非竞争抑制，如对需要镁离子的己糖激酶的抑制。非竞争性抑制使Km不变，Vm变小。
（3）反竞争性抑制 酶与底物结合后才能与抑制剂结合，复合物不能生成产物。反竞争性抑制剂使Km和Vm都变小。
第五节 酶的调节
生物体通过调节酶的功能来控制代谢速度。酶的调节机制有两类，一是对酶数量的调节，另一类是对酶活性的调节。前者通过控制酶的合成与降解速度来控制酶量，作用缓慢而持久，称粗调；后者改变酶的活性，效果快速而短暂，称细调。
一、酶活性的调节
（一）变构调节
1.定义
有些酶在专一性的变构效应物的诱导下，结构发生变化，使催化活性改变，称为变构酶或别构酶（allosteric enzyme）。使酶活增加的效应物称为正调节物，反之称为负调节物。变构酶是寡聚酶，分子中除活性中心外还有别构中心（调节中心）。两个中心可在同一亚基，也可在不同亚基。有活性中心的亚基称为催化亚基，有别构中心的亚基称为调节亚基。别构效应也可扩展到非酶蛋白，如血红蛋白与氧结合的过程中也有别构效应。
2.分类
大部分别构酶的v-曲线呈S形，与米氏酶不同。这种曲线表明酶与一分子底物（或效应物）分子结合后，其构象发生改变，有利于后续分子的结合，称为正协同效应。这种现象有利于对反应速度的调节，在未达到更大反应速度时，底物浓度的略微增加，将使反应速度有极大提高。所以正协同效应使酶对底物浓度的变化极为敏感。
另一类别构酶具有负协同效应，其动力学曲线类似双曲线，在底物浓度较低时反应速度变化很快，但继续下去则速度变化缓慢。所以负协同效应使酶对底物浓度变化不敏感。
3.判断
有一些没有别构效应的酶也可产生类似的曲线，所以作图法不能完全作为判断别构酶的依据。可用Rs值（saturation ratio，饱和比值）(90%V/10%V)来定量地区分三种酶：Rs等于81为米氏酶，大于81则有正协同效应，反之为负协同。更常用的是Hill系数法，以log(v/(Vm-v))对log作图，曲线的更大斜率h称为Hill系数，米氏酶等于1，正协同酶大于1，负协同小于1。
4.机
齐变模型（M. W. C.）：认为酶分子中所有原子的构象相同，无杂合状态。在低活性的紧张态（tight，T）和高活性的松弛态（relaxed form，R）之间存在平衡，效应物使平衡移动，从而改变酶的活性。此模型不适于负协同的酶。
序变模型（K.N.F.）：认为各个亚基可以杂合存在，变构是由于配体的诱导，而不是因为平衡的移动。协同性取决于与配体结合的亚基对空位亚基的影响。此模型对两种酶都适用。
5.举例
（1）天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）：
这是嘧啶合成途径的之一个酶，受到CTP的反馈抑制，可被ATP激活。Asp、氨甲酰磷酸均有正同促效应，CTP有异促效应，可使酶的S形程度增大，即Rs值减小，CTP之间具有正协同作用，n=3。ATP使Rs增大，当达到饱和时即成为双曲线。ATP和CTP都只改变酶的亲和力，而不影响Vm。琥珀酸是天冬氨酸的类似物，在天冬氨酸浓度高时是竞争性抑制剂，而当天冬氨酸不足时则可模拟天冬氨酸的正调控变构作用而成为激活剂。
此酶共12个亚基，其中催化和调节亚基各6个。分子结构为2个C3中间夹着3个R2，活性中心位于两个催化亚基中间。别构中心位于调节亚基的远端，通过变构影响催化亚基的活性。
（2）磷酸甘油醛脱氢酶GDP
共四个亚基，Km1和Km2都较小，易与NAD＋结合，即在低底物浓度时反应较快；而Km3则增大了100倍，很难与NAD＋反应。这是由构象变化引起的。在生物体内，当NAD＋不足时可以保证酵解的进行，而当过NAD＋多时则供给其它反应，避免造成酸中毒。
（二）共价调节
这种调节是通过酶促共价修饰使其在活性形式与非活性形式之间转变。最典型的例子是动物组织的糖原磷酸化酶，它催化糖原分解产生葡萄糖-1-磷酸。这个酶有两种形式：高活性的磷酸化酶a和低活性的磷酸化酶b。前者是四个亚基的寡聚酶，每个亚基含有一个磷酸化的丝氨酸残基。这些磷酸基是活性必需的，在磷酸化酶磷酸酶的作用下可水解除去，变成两个低活性的半分子：磷酸化酶b。磷酸化酶b在磷酸化酶激酶的催化下又可以接受ATP的磷酸基变成磷酸化酶a。
共价调节酶可以将化学信号放大。一分子磷酸化酶激酶可以在短时间内催化数千个磷酸化酶b，每个产生的磷酸化酶a又可催化产生数千个葡萄糖-1-磷酸，这样就构成了两步的级联放大。实际上这是肾上腺素使糖原急剧分解的更长的级联放大的一部分。
另一类共价调节酶是大肠杆菌谷氨酰胺合成酶等，它们接受ATP转来的腺苷酰基的共价修饰，或酶促脱去腺苷酰基而调节活性。此外，酶原的激活也是一种共价调节。
（三）酶原（proenzyme; zymogen）激活
消化道分泌的蛋白酶往往以无活性的酶原形式分泌，到达目的地时才被激活。这样可以避免对消化腺的水解。
胰凝乳蛋白酶原先被胰蛋白酶切割，产生π-胰凝乳蛋白酶，π-胰凝乳蛋白酶活性高，但不稳定，自相切割产生活性较低但稳定的α-胰凝乳蛋白酶。酶原激活后构象发生变化，形成疏水口袋，即有活性的酶。
胃蛋白酶原中已形成完整的活性中心，但酶原中有一段碱性序列与活性中心形成盐桥，将活性中心堵塞。在pH5以下时，酶原可自动激活，失去44个残基的前体片段。激活的酶还可再激活其它酶原。
胰蛋白酶原可被肠激酶激活，然后激活胰凝乳蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原及羧肽酶原。所以胰蛋白酶是胰脏蛋白酶原的共同激活剂。
酶原激活有时会切掉很多残基，如牛羧肽酶B激活时要从505个残基中切掉约200个残基。
（四）激促蛋白和抑制蛋白
钙调蛋白(C AM)与钙离子结合后可以结合到许多酶上，将其激活。视觉激动过程中的一个酶含有抑制亚基，当这个亚基可逆释放时，酶的活性增加。
二、酶含量的调节
（一）合成速度的调节
有一类酶称为诱导酶，是在细胞经特定诱导物诱导产生的。它的含量在诱导物存在下显著增高。诱导物一般是其底物或类似物。其他含量基本不变的酶称为结构酶。诱导酶在微生物中较多见，如大肠杆菌的半乳糖苷酶，在培养基中加入乳糖，则诱导产生，使细菌能利用乳糖。
结构酶和诱导酶的区分是相对的，只是数量的区别，不是本质的区别。酶的合成受基因和代谢物的双重控制。基因是形成酶的内因，但酶的形成还受代谢物的调控，诱导物可增加酶量，酶的产物也能产生阻遏作用，使酶的生成量大大减少。也就是说，代谢物可以控制酶的生成速度和数量。
（二）降解的控制
酶量还可通过加快或减慢酶分子的降解来调节，如在饥饿时，肝脏中的精氨酸酶降解速度减慢，酶量增多；乙酰辅酶A羧化酶降解加快，酶量减少。
本 章 考 点
本 章 名 词 解 释
酶（enzyme）:生物催化剂，除少数RNA外几乎都是蛋白质。酶不改变反应的平衡，只是
通过降低活化能加快反应的速度。
脱脯基酶蛋白(apoenzyme):酶中除去催化活性可能需要的有机或无机辅助因子或辅基后的蛋白质部分。
全酶（holoenzyme）:具有催化活性的酶，包括所有必需的亚基，辅基和其它辅助因子。
酶活力单位（U,active unit）:酶活力单位的量度。1961年国际酶学会议规定：1个酶活力单位是指在特定条件（25oC，其它为最适条件）下，在1min内能转化1μmol底物的酶量，或是转化底物中1μmol的有关基团的酶量。
比活（specific activity）:每分钟每毫克酶蛋白在25oC下转化的底物的微摩尔数。比活是酶纯度的测量。
活化能（activation energy）:将1mol反应底物中所有分子由其态转化为过度态所需要的能量。
活性部位（active energy）:酶中含有底物结合部位和参与催化底物转化为产物的氨基酸残基部分。活性部位通常位于蛋白质的结构域或亚基之间的裂隙或是蛋白质表面的凹陷部位，通常都是由在三维空间上靠得很进的一些氨基酸残基组成。
酸-碱催化（acid-base catalysis）:质子转移加速反应的催化作用。
共价催化（covalent catalysis）：一个底物或底物的一部分与催化剂形成共价键，然后被转移给第二个底物。许多酶催化的基团转移反应都是通过共价方式进行的。
靠近效应（proximity effect）：非酶促催化反应或酶促反应速度的增加是由于底物靠近活性部位，使得活性部位处反应剂有效浓度增大的结果，这将导致更频繁地形成过度态。
初速度(initial velocity)：酶促反应最初阶段底物转化为产物的速度，这一阶段产物的浓度非常低，其逆反应可以忽略不计。
米氏方程（Michaelis-Mentent equation）:表示一个酶促反应的起始速度（υ）与底物浓度()关系的速度方程：υ=υmax米氏常数（Michaelis constant）:对于一个给定的反应，异至酶促反应的起始速度（υ0）达到更大反应速度（υmax）一半时的底物浓度。/(Km+)
催化常数（catalytic number）(Kcat):也称为转换数。是一个动力学常数，是在底物处于饱和状态下一个酶（或一个酶活性部位）催化一个反应有多快的测量。催化常数等于更大反应速度除以总的酶浓度（υmax/
竞争性抑 *** 用（competitive inhibition）:通过增加底物浓度可以逆转的一种酶抑制类型。竞争性抑制剂通常与正常的底物或配体竞争同一个蛋白质的结合部位。这种抑制使Km增大而υmax不变。
非竞争性抑 *** 用（noncompetitive inhibition）: 抑制剂不仅与游离酶结合，也可以与酶-底物复合物结合的一种酶促反应抑 *** 用。这种抑制使Km不变而υmax变小。
反竞争性抑 *** 用（uncompetitive inhibition）: 抑制剂只与酶-底物复合物结合而不与游离的酶结合的一种酶促反应抑 *** 用。这种抑制使Km和υmax都变小但υmax/Km不变。
丝氨酸蛋白酶（serine protease）: 活性部位含有在催化期间起亲核作用的丝氨残基的蛋白质。
酶原（zymogen）:通过有限蛋白水解，能够由无活性变成具有催化活性的酶前体。
调节酶（regulatory enzyme）:位于一个或多个代谢途径内的一个关键部位的酶，它的活性根据代谢的需要而增加或降低。
别构酶（allosteric enzyme）:活性受结合在活性部位以外的部位的其它分子调节的酶。
别构调节剂（allosteric modulator）:结合在别构调节酶的调节部位调节该酶催化活性的生物分子，别构调节剂可以是激活剂，也可以是抑制剂。
齐变模式（concerted model）：相同配体与寡聚蛋白协同结合的一种模式，按照最简单的齐变模式，由于一个底物或别构调节剂的结合，蛋白质的构相在T（对底物亲和性低的构象）和R（对底物亲和性高的构象）之间变换。这一模式提出所有蛋白质的亚基都具有相同的构象，或是T构象，或是R构象。
序变模式（sequential model）：相同配体与寡聚蛋白协同结合的另外一种模式。按照最简单的序变模式，一个配体的结合会诱导它结合的亚基的三级结构的变化，并使相邻亚基的构象发生很大的变化。按照序变模式，只有一个亚基对配体具有高的亲和力。
同功酶（isoenzyme isozyme）：催化同一化学反应而化学组成不同的一组酶。它们彼此在氨基酸序列，底物的亲和性等方面都存在着差异。
别构调节酶（allosteric modulator）：那称为别构效应物。结合在别构酶的调节部位，调节酶催化活性的生物分子。别构调节物可以是是激活剂，也可以是抑制剂。
第六章 核 酸
提要
一.概述
核酸分类 分布与功能
二.核苷酸
碱基 嘌呤与嘧啶 DNA与RNA中的核苷与核苷酸 多磷酸核苷酸 环核苷酸
三.DNA的结构
磷酸二酯键 DNA的一级结构 DNA的二级结构 DNA的三级结构 DNA的拓扑结构
四.RNA的结构
DNA与RNA的区别 RNA的种类与功能 tRNA的结构特点 mRNA的结构特点
五.核酸的理化性质
紫外吸收 DNA的变性与复性 限制性内切酶
之一节 概述一发现
核酸占细胞干重的5－15％，1868年被瑞士医生Miescher发现，称为“核素”。在很长时间内，流行“四核苷酸假说”，认为核酸是由等量的四种核苷酸构成的，不可能有什么重要功能。
1944年Oswald Avery通过肺炎双球菌的转化实验首次证明DNA是遗传物质。正常肺炎双球菌有一层粘性发光的多糖荚膜，有致病性，称为光滑型（S型）；一种突变型称为粗糙型（R型），无荚膜，没有致病能力（缺乏UDP-葡萄糖脱氢酶）。1928年，格里菲斯发现肺炎双球菌的转化现象，即将活的粗糙型菌和加热杀死的光滑型菌混合液注射小鼠，可致病，而二者单独注射都无致病性。这说明加热杀死的光滑型菌体内有一种物质使粗糙型菌转化为光滑型菌。艾弗里将加热杀死的光滑型菌的无细胞抽提液分级分离，然后测定各组分的转化活性，于1944年发表论文指出“脱氧核糖型的核酸是型肺炎球菌转化要素的基本单位”。
其实验证据如下：
1.纯化的、有高度活性的转化要素的化学元素分析与计算出来的DNA组成非常接近。
2.纯化的转化要素在光学、超速离心、扩散和电泳性质上与DNA的相似。
3.其转化活性不因抽取去除蛋白质或脂类而损失。
4.用胰蛋白酶和糜蛋白酶处理不影响其转化活性。
5.用RNA酶处理也不不影响其转化活性。
6. DNA酶可使其转化活性丧失。
艾弗里的论文发表后，有些人仍然坚持蛋白质是遗传物质，认为他的分离不彻底，是混杂的微量的蛋白质引起的转化。1952年，Hershey和Chase的T2噬菌体旋切实验彻底证明遗传物质是核酸，而不是蛋白质。他们用35S标记蛋白质，用32P标记核酸。用标记的噬菌体感染细菌，然后测定宿主细胞的同位素标记。当用硫标记的噬菌体感染时，放射性只存在于细胞外面，即噬菌体的外壳上；当用磷标记的噬菌体感染时，放射性在细胞内，说明感染时进入细胞的是DNA，只有DNA是连续物质，所以说DNA是遗传物质。
1956年，Fraenkel Conrat的烟草花叶病毒（TMV）重建实验证明，RNA也可以作为遗传物质。把TMV在水和酚中震荡，使蛋白质与RNA分开，然后分别感染烟草，只有RNA可以使烟草感染，产生正常后代。
1953年DNA的双螺旋结构模型建立，被认为是本世纪自然科学的重大突破之一。由此产生了分子生物学、分子遗传学、基因工程等学科和技术，此后的30年间，核酸研究共有15次获得诺贝尔奖，占总数的1/4，可见核酸研究在生命科学中的重要地位。
二、核酸的分类
核酸是由核苷酸组成的大分子，分子量最小的是转运RNA，分子量25kd左右；人类染色体DNA分子量高达1011kd。核酸分为DNA和RNA两类，DNA主要集中在细胞核中，在线粒体和叶绿体中也有少量DNA。RNA主要分布在细胞质中。对病毒来说，或只含DNA，或只含RNA。因此可将病毒分为DNA病毒和RNA病毒。
核酸可分为单链（single strand，ss）和双链（double strand，ds）。DNA一般为双链，作为信息分子；RNA单双链都存在。
第二节 核苷酸一、核苷酸的结构
核苷酸可分解成核苷和磷酸，核苷又可分解为碱基和戊糖。因此核苷酸由三类分子片断组成。戊糖有两种，D-核糖和D-2-脱氧核糖。因此核酸可分为两类：DNA和RNA。
（一）碱基（base）
核酸中的碱基分为两类：嘌呤和嘧啶。
1.嘧啶碱（pyrimidine,py） 是嘧啶的衍生物，共有三种：胞嘧啶(cytosine,Cyt)、尿嘧啶(uracil,Ura)和胸腺嘧啶(thymine,Thy)。其中尿嘧啶只存在于RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，但在某些tRNA中也发现有极少量的胸腺嘧啶。胞嘧啶为两类核酸所共有，在植物DNA中还有5-甲基胞嘧啶，一些大肠杆菌噬菌体核酸中不含胞嘧啶，而由5-羟甲基胞嘧啶代替。因为受到氮原子的吸电子效应影响，嘧啶的2、4、6位容易发生取代。
2.嘌呤碱(purine,pu) 由嘌呤衍生而来，常见的有两种：腺嘌呤(adenine,Ade)和鸟嘌呤(guanine,Gua)。嘌呤分子接近于平面，但稍有弯曲。自然界中还有黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸、茶叶碱、可可碱和咖啡碱。前三种是嘌呤核苷酸的代谢产物，是抗氧化剂，后三种含于植物中，是黄嘌呤的甲基化衍生物，具有增强心脏功能的作用。
此外，一些植物激素，如玉米素、激动素等也是嘌呤类物质，可促进细胞的分裂、分化。一些抗菌素是嘌呤衍生物。如抑制蛋白质合成的嘌呤霉素，是腺嘌呤的衍生物。
生物体中（A+T）/（G+C）称为不对称比率，不同生物有所不同。比如人的不对称比率为1.52，酵母为79，藤黄八叠球菌为0.35。
3.稀有碱基 除以上五种基本的碱基以外，核酸中还有一些含量极少的稀有碱基，其中大多数是甲基化碱基。甲基化发生在核酸合成以后，对核酸的生物学功能具有重要意义。核酸中甲基化碱基含量一般不超过5％，但tRNA中可高达10％。
（二）核苷
核苷是戊糖与碱基缩合而成的。糖的之一位碳原子与嘧啶的之一位氮原子或嘌呤的第九位氮原子以糖苷键相连，一般称为N-糖苷键。戊糖是呋喃环，C1是不对称碳原子，核酸中的糖苷键都是β糖苷键。碱基与糖环平面互相垂直。糖苷的命名是先说出碱基名称，再加“核苷”或“脱氧核苷”。
在tRNA中含有少量假尿嘧啶核苷（用Ψ表示），它的核糖与嘧啶环的C5相连。
规定用三字母符号表示碱基，用单字母符号表示核苷，前面加d表示脱氧核苷。戊糖的原子用带’的数字编号，碱基用不带’的数字编号。
（三）核苷酸
核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，就形成核苷酸。核糖核苷的糖环上有三个羟基，可形成三种核苷酸：2’、3’和5’-核糖核苷酸。脱氧核糖只有3’和5’两种。生物体内游离存在的多是5’核苷酸。用碱水解RNA可得到2’和3’核糖核苷酸的混合物。
稀有碱基也可形成相应的核苷酸。在天然DNA中已找到十多种脱氧核糖核苷酸，在RNA中找到了几十种核糖核苷酸。
（四）多磷酸核苷酸
细胞内有一些游离的多磷酸核苷酸，它们具有重要的生理功能。5’-NDP是核苷的焦磷酸酯，5’-NTP是核苷的三磷酸酯。最常见的是5’-ADP和5’-ATP。ATP上的磷酸残基由近向远以αβγ编号。外侧两个磷酸酯键水解时可释放出7.3千卡能量，而普通磷酸酯键只有2千卡，所以被称为高能磷酸键（～P）。因此ATP在细胞能量代谢中起极其重要的作用，许多化学反应需要由ATP提供能量。高能磷酸键不稳定，在1NHCl中，100℃水解7分钟即可脱落，而α磷酸则稳定得多。利用这一特性可测定ATP和ADP中不稳定磷的含量。
细胞内的多磷酸核苷酸常与镁离子形成复合物而存在。GTP,CTP,UTP在某些生化反应中也具有传递能量的作用，但不普遍。UDP在多糖合成中可作为携带葡萄糖的载体，CDP在磷脂的合成中作为携带胆碱的载体。各种三磷酸核苷酸都是合成DNA或RNA的前体。
鸟嘌呤核苷四磷酸酯和五磷酸酯在代谢调控中起作用，在大肠杆菌中，它们参与rRNA合成的控制。
（五）环化核苷酸
磷酸同时与核苷上两个羟基形成酯键，就形成环化核苷酸。最常见的是3',5'-环化腺苷酸(cAMP) 和cGMP。它们是激素作用的第二信使，起信号传递作用。可被磷酸二酯酶催化水解，生成相应的5'-核苷酸。
二、有关缩写符号
碱基用三字母符号表示，核苷用大写单字母符号表示，前面加d表示脱氧核苷。戊糖的原子用带’的数字编号，碱基用不带’的数字编号。
稀有核苷（修饰核苷）也用单字母符号表示，如D表示二氢尿嘧啶核苷，T表示胸苷。如果碱基上有修饰基团，就在表示核苷的大写字母前加上代表修饰基团的小写字母，在这个小写字母的右上方写明修饰位置，右下方写明修饰基团的数量（如只有一个可省略）。如m2G表示2-N-甲基鸟苷，m2，2，73G表示N2,N2,7-三甲基鸟苷，S4U表示4-硫代尿苷。核糖上的修饰基团写在表示核苷的大写字母右边，如Cm表示2'-O-甲基胞苷。
核苷酸可在核苷符号旁加小写p表示，写在左边表示5'核苷酸，写在右边表示3'核苷酸。写几个就表示几个磷酸。3',5'-环化核苷酸可在前面加小写c，2',3'-环化核苷酸可在核苷符号后加〉P，如U〉P表示2',3'-环化尿苷酸。
三、核苷酸的功能
1.作为核酸的成分。
2.为需能反应提供能量。UTP用于多糖合成，GTP用于蛋白质合成，CTP用于脂类合成，ATP用于多种反应。
3.用于信号传递。如cAMP、cGMP是第二信使。
4.参与构成辅酶。如NAD、FAD、CoA等都含有AMP成分。
5.参与代谢调控。如鸟苷四磷酸等可抑制核糖体RNA的合成。又如反义RNA。
第三节 DNA的结构
一、DNA的一级结构
1.定义
DNA是由成千上万个脱氧核糖核苷酸聚合而成的多聚脱氧核糖核酸。它的一级结构是它的构件的组成及排列顺序，即碱基序列。
2.结构
在DNA分子中，相邻核苷酸以3’，5’－磷酸二酯键连接构成长链，前一个核苷酸的3’－羟基与后一个核苷酸的5’－磷酸结合。链中磷酸与糖交替排列构成脱氧核糖磷酸骨架，链的一端有自由的5’－磷酸基，称为5’端；另一端有自由3’－羟基，称为3’端。在DNA中，每个脱氧核糖连接着碱基，碱基的特定序列携带着遗传信息。
3.书写
书写DNA时，按从5’向3’方向从左向右进行，并在链端注明5’和3’，如5’pApGpCpTOH3’。也可省略中间的磷酸，写成pAGCT。这是文字式缩写。还有线条式缩写，用竖线表示戊糖，1'在上，5'在下。
二、DNA的二级结构
（一）双螺旋结构的建立
DNA双螺旋结构的阐明，是本世纪最重大的自然科学成果之一。在40年代，人们已经发现脱水DNA的密度很高，X射线衍射表明DNA中有0.34nm和3.4nm的周期性结构。1950年，Chargaff通过对碱基的分析发现了互补配对规律：在任何DNA中，A=T，G=C，所以有A+G=T+C。
1953年Watson和Crick根据Wilkins的DNAX-射线衍射数据和碱基组成规律，建立了DNA的双螺旋结构模型，从而揭开了现代分子生物学的序幕。当年Watson只有24岁，在剑桥Cavendish实验室进修，他在美国时就认识到核酸的重要性，所以在大家都在研究蛋白质时致力于核酸研究，从而得到了划时代的成果。
Watson和Crick阐明的是B-DNA结晶的结构模型，与细胞内存在的DNA大体一致。近年来又发现，局部DNA还可以其他双螺旋或三螺旋的形式存在。
（二）B-DNA双螺旋结构的要点
1.基本结构
DNA双螺旋是由两条反向、平行、互补的DNA链构成的右手双螺旋。两条链的脱氧核糖磷酸骨架反向、平行地按右手螺旋走向，绕一个共同的轴盘旋在双螺旋的外侧，两条链的碱基一一对应互补配对，集中地平行排列在双螺旋的中央，碱基平面与轴垂直。DNA双螺旋中的两条链互为互补链。
2.基本数据
双螺旋外径2nm，螺距3.4nm，每10对碱基上升一圈。因此每对碱基距离0.34nm，夹角36度。
3. 作用力
有两种作用力稳定双螺旋的结构。在水平方向是配对碱基之间的氢键，A=T对形成两个氢键，GC对形成三个氢键。这些氢键是克服两条链间磷酸基团的斥力，使两条链互相结合的主要作用力。在垂直方向，是碱基对平面间的堆积力。堆积力是疏水力与范德华力的共同体现。氢键与堆积力两者本身都是一种协同性相互作用，两者之间也有协同作用。
4.大小沟
脱氧核糖磷酸骨架并未将碱基对完全包围起来，在双螺旋表面有两个与双螺旋走向一致的沟，一个较深较宽，称大沟；一个较窄较浅，称小沟。大沟一侧暴露出嘌呤的C6、N7和嘧啶的C4、C5及其取代基团；小沟一侧暴露出嘌呤的C2和嘧啶的C2及其取代基团。因此从两个沟可以辨认碱基对的结构特征，各种酶和蛋白因子可以识别DNA的特征序列。
5.修正
以上模型是DNA的平均特征，由于碱基序列的影响，在局部会有所差异。如两个核苷酸之间的夹角可以从28度到42度不等，互补配对的碱基之间有一定夹角，称为螺旋桨状扭曲。螺旋一圈含有10.4个碱基对。
（三）DNA的其他结构
DNA纤维在92％的相对湿度下可形成B-DNA。DNA钠盐、钾盐或钙盐在75％的相对湿度下可形成A型结构，它也是右手螺旋，但碱基略有倾斜（19度），螺距和骨架结构也稍有不同，每匝11个碱基对，短粗。其生物学意义在于它与双链RNA及DNA-RNA杂合体在溶液中的构象极其相似。由于2’－羟基的存在，RNA不易采取B型构象，所以在转录时，DNA要采取A型构象。一些有机溶剂和蛋白质可将B型DNA变成A型构象。
在66％相对湿度的DNA锂盐纤维中发现有C型结构。可以认为C型构象在浓盐溶液和乙二醇溶液中发生。此时堆积力降低，氢键结合能量相对增加。C型结构也是右手螺旋，存在于染色质和某些病毒中。此外还有D型及被称为T和P的两种亚稳态结构。富含A-T对的DNA区域有较大的结构多样性。
DNA还有左手螺旋，即Z-DNA。其骨架呈锯齿走向，在嘌呤与嘧啶交替排列的寡聚DNA中发现，也是反平行互补的双螺旋，每匝12个碱基对，螺旋细长。这说明DNA的碱基序列不仅储存遗传信息，也储存了自身高级结构的信息。Z-DNA作为特殊的结构标志，与基因表达的调控有关。
三、DNA的三级结构
（一）超螺旋
DNA的三级结构是指双螺旋的进一步扭曲。其基本形式是超螺旋，即螺旋的螺旋。三级结构决定于二级结构。B-DNA以每10个碱基一圈盘绕时能量更低，处于伸展状态；当盘绕过多或不足时，就会出现张力，形成超螺旋。盘绕过多时形成正（右手）超螺旋，不足时为负超螺旋。因为超螺旋是在双螺旋的张力下形成的，所以只有双链闭合环状DNA和两端固定的线形DNA才能形成超螺旋，有切口的DNA不能形成超螺旋。无论是真核生物的双链线形DNA，还是原核生物的双链环形DNA，在体内都以负超螺旋的形式存在，密度一般为100－200bp一圈。DNA形成负超螺旋是结构与功能的需要。
（二）高级结构的动态变化
在细胞内DNA的高级结构是变化的。通过多种蛋白因子和酶的作用，改变DNA的二级结构和三级结构，是生物功能的需要。DNA的复制、转录、重组、修复，都伴随着其高级结构的变化。在生物体内，改变高级结构有以下三种 *** ：
在解链酶的作用下，破坏碱基对间的氢键，使DNA局部解链成为单链区，以增加未解链的双链区的盘绕数，从而增加正超螺旋或减少负超螺旋。
通过局部形成Z-DNA（左手）双螺旋，也可增加B-DNA部分的盘绕数，减少负超螺旋。
通过拓扑异构酶切断DNA的一条或两条链，在双螺旋张力的推动下，使断端绕互补链旋转，释放张力后再连接，可消除超螺旋，也可引入超螺旋。
DNA的拓扑结构有公式如下：
L=T+W
其中L称为连环数，是一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，必须是整数。缠绕数T是双螺旋周数，W是超螺旋数。T、W可以是小数。超螺旋密度一般在-0.03到-0.09之间。
（三）超螺旋的多层次性
真核生物的染色体是DNA与蛋白质的复合体，其中DNA的超螺旋结构是多层次的。染色体由染色质细丝经过多次卷曲而成。染色质细丝由核小体重复单位构成串珠状结构。核小体由DNA和组蛋白组成。组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白，有H1、strongA、strongB、H3和H4共5种。后四种各2分子组成核小体的蛋白核心，约140bp双螺旋DNA（核心DNA）在蛋白核心外绕行1.75圈，共同构成核小体的核心颗粒。核心颗粒之间有约60bp的连接DNA。1分子组蛋白H1结合在连接DNA的进出部位，将核心DNA固定在核心蛋白外围。核小体呈扁球形，高约6nm，直径约11nm。由核心DNA与连接DNA构成的核小体重复单位包括约200bp，长度由68nm压缩至11nm。所以之一次超螺旋使直径2nm的DNA双螺旋变成直径11nm的染色质细丝，长度压缩6－7倍。染色体细丝经过再一次超螺旋，形成直径30nm的染色体粗丝，长度又压缩6倍。第三次超螺旋使粗丝盘绕成直径400nm的单位纤维，长度压缩40倍。最后由单位纤维折叠形成染色单体，长度压缩4－5倍。这样，经过4次超螺旋，DNA的长度压缩了近万倍（8400倍）。
第四节 RNA的结构
一、RNA的结构特点
1. RNA分子是一条单链。可以回折，自身互补配对，形成发夹或称为茎环结构。形成局部A螺旋至少要有4-6个碱基对。某些分子中回折可占50%。
2. RNA分子中的核糖有2'-羟基，但不用于成键。
3.以尿嘧啶代替胸腺嘧啶，含有多种稀有碱基。
4. RNA是DNA部分序列的转录产物，分子量小得多。有些病毒含有RNA复制酶，可以催化以RNA为模板的RNA合成，即RNA的复制。
5. RNA是多拷贝的。
6.RNA按功能分为三类：转运RNA(tRNA)、信使RNA(mRNA)和核糖体RNA(rRNA)。此外还有snRNA和hnRNA。前者与RNA的加工有关，后者是mRNA的前体。
二、转运RNA
（一）一级结构
转运RNA是小分子，一般由74－93个核苷酸构成，分子量在25kd上下，沉降系数4s。其功能是转运氨基酸，按照信使RNA的碱基序列合成蛋白质。20种氨基酸都有专一的转运RNA，有的还有2种或多种转运RNA。原核生物有30－40种tRNA，真核生物有50－60种或更多。有报道说有一种RNA(tRNASer)可专一转运硒代半胱氨酸，可识别UGA（终止密码）。
tRNA是修饰成分最多的核酸。已经发现的约70种修饰成分中，有50种存在于tRNA中。每个tRNA分子都有修饰成分，有的多达十几个，占全部构件的20％。修饰成分包括修饰碱基和修饰核苷，都是转录后由4种标准碱基或核苷加工修饰而成的。在tRNA分子中，修饰碱基主要是甲基化碱基，修饰核苷主要是假尿嘧啶核苷。
（二）tRNA的二级结构
单链的RNA借部分序列互补结合，可以形成确定的二级结构。维持二级结构的作用力也是氢键和堆积力。RNA分子二级结构的基本单元是发夹结构。RNA链通过自身回折，两段互补序列配对形成一段双螺旋，两段之间未配对的碱基形成突环。由双螺旋和突环(loop)构成了发夹结构(hair pin)。回折比例高，结构稳定。
tRNA分子都有由一个臂和三个发夹构成的三叶草形二级结构。tRNA链的5’端与3’端序列构成的双螺旋区称为氨基酸臂，其3’末端都有不变的单链CCAOH，因末端A结合氨基酸而得名。三个发夹依次由二氢尿嘧啶环(DHU loop)与DHU茎、反密码子环与反密码子茎、TψC环与TψC茎组成。反密码子环中央的三个碱基构成反密码子，与信使RNA的密码子配对。有些tRNA在反密码子茎与TψC茎之间有一个额外的、长度不一的可变茎。
（三）tRNA的三级结构
tRNA分子在二级结构的基础上进一步扭曲形成确定的三级结构。各种tRNA的三级结构都象一个倒置的L。分子的右上端是氨基酸臂，下端是反密码子。两端距离约8nm。不同tRNA的精细结构不同，能被专一的氨基酸tRNA连接酶和有关的蛋白因子识别。
三、核糖体RNA
高等动物核糖体有4种rRNA成分：18s、28s、5.8s、5s，他们与80多种蛋白质共同构成真核生物的核糖体（80s）。核糖体可分解为大小两个亚基，小亚基（40s）由18s rRNA和33种蛋白构成，大亚基由28s、5s、5.8s rRNA和49种蛋白构成。原核生物核糖体（70s）由三种rRNA与50多种蛋白质构成，大亚基（50s）包括23s、5s rRNA和34种蛋白，小亚基（30s）包括16s rRNA和21种蛋白。
多种rRNA的一级结构已经测出。rRNA只含少量修饰成分，主要是甲基化核苷酸，包括m7G、m6G等修饰碱基和各种2’-O-甲基修饰核苷。
同种rRNA的二级结构具有共同特点。
四、信使RNA
mRNA作为指导合成蛋白质的模板，具有种类多、拷贝少、寿命短、修饰成分少的特点。mRNA的主体序列是编码区，在其上游5’侧和下游都有非编码区。真核生物mRNA分子两端还有5’帽子和3’尾部结构。原核细胞一般没有尾，某些真核病毒有。
最简单的帽子结构是掉转方向的7－甲基鸟苷三磷酸，它与mRNA原来的5’端核苷酸借5’ppp5’连接形成m7GpppN。较复杂的帽子结构在后面的一个或两个核苷酸还有2’-O-甲基修饰。帽子结构的通式可写为m7GpppN(m)pN(m)……。帽子结构对稳定mRNA及其翻译具有重要意义，它将5’端封闭起来，可免遭核酸外切酶水解；还可作为蛋白合成系统的辨认信号，被专一的蛋白因子识别，从而启动翻译过程。
5’非编码区是帽子与编码区起始密码子之间的一段较短的序列，其中包括标志翻译起始的序列，如原核生物的SD序列。编码区由起始密码子AUG开始，到终止密码子(UAG、UGA、UAA)截止，编码一种蛋白质的一级结构。其中每三个碱基构成一个密码子，编码一个氨基酸。3’侧非编码区是终止密码子以后的转录序列，其中包括AAUAAA一段序列，可能是添加3’尾的标志，也可能是翻译终止的协调信号。3’端尾部是一段多聚A尾。成熟的mRNA一般在它的3’端都加上了长度为20－200碱基的多聚A尾，作为核膜孔转运系统的标志，与成熟的mRNA通过核膜孔被运到胞浆有关。
第五节 核酸的理化性质
一、粘度
大分子溶液比普通溶液粘度大，线形大分子又比球形大分子粘度大。DNA是线形大分子，人类二倍体DNA总量3.3×109bp，全长可达1.75米，DNA分子平均长度在4cm以上，而双螺旋直径只有2nm，长度与直径之比高达107。因此，DNA粘度极高，也极易在机械力作用下折断。双链DNA解链成为单链DNA时，由较伸展的双螺旋变成较紧凑的线团结构，粘度明显下降。RNA因为分子量小，且呈线团结构，所以其粘度低得多。
二、密度
利用密度梯度离心可以测定大分子的浮力密度。CsCl溶解度大，可制成8M溶液。DNA的浮力密度一般在1.7以上，RNA为1.6，蛋白质为1.35-1.40。分子量相同结构不同的DNA沉降系数不同，线形双螺旋DNA、线形单链DNA、超螺旋DNA沉降系数之比为1:1.14:1.4。因此通过测定沉降系数可以了解DNA的结构及其变化。
三、紫外吸收
嘌呤和嘧啶因其共轭体系而有 强紫外吸收。核酸在260nm有紫外吸收峰，蛋白质在280nm。利用紫外吸收可测定核酸的浓度和纯度。一般测定OD260/OD280，DNA=1.8，RNA=2.0。如果含有蛋白质杂质，比值明显下降。不纯的核酸不能用紫外吸收法测定浓度。紫外吸收改变是DNA结构变化的标志，当双链DNA解链时碱基外露增加，紫外吸收明显增加，称为增色效应。双链、单链DNA与核苷酸的紫外吸收之比是1:1.37:1.6。
四、DNA的变性
在一定条件下，双链DNA解链变成单链DNA的现象称为变性或熔化。加热引起的变性称为热变性；碱性条件（pH>11.3）下，DNA发生碱变性。此外，尿素、有机溶剂、甚至脱盐都可引起DNA变性。除去变性因素后，互补的单链DNA又可以重新结合为双链DNA，称为复性或退火。DNA复性由局部序列配对形成双链核心的慢速成核反应开始，然后经过快速的所谓拉链反应而完成。
DNA变性后粘度降低，密度和吸光度升高。
变性后的单链DNA与具有同一性序列的DNA链或RNA分子结合形成双链的DNA－DNA或DNA－RNA杂交分子的过程称为杂交或分子杂交。分子杂交技术的发展和应用，对分子生物学和生物高技术的发展起到了重要的推动作用。
通常将50%DNA分子变性时的温度称为熔点（Tm）。一般DNA在生理条件下的熔点在85-95度之间。熔点主要取决于碱基组成，G-C对含量越高，熔点越高。一般G-C对含量40%时熔点是87度，每增加1%，熔点增加约0.4度。离子强度也有影响，因为离子能与DNA结合，使其稳定，所以离子强度越低，熔点越低，熔解范围越窄。因此DNA应保存在高盐溶液中。如果DNA不纯，则变性温度范围也会扩大。甲酰胺可以使碱基对之间的氢键不稳定，降低熔点。所以分子生物实验中经常用甲酰胺使DNA变性，以避免高温引起DNA断裂。乙醇、丙酮、尿素等也可促进DNA变性。
DNA的复性速度与其初始浓度C0及复杂度有关。当温度、离子强度等其他条件固定时，一半DNA复性时的C0t值只与其复杂度有关，可用来计算基因组的复杂度。
五、限制性内切酶
限制性内切酶II识别并切割特定的回文序列，生物体用来防止外源DNA的影响，在基因工程中用于DNA的切割，被称为分子手术刀。如EcoRI，E是属名，co是种名，R是菌株名，I是发现次序。
六、核酸的提纯
提取：一般先破碎细胞，得到DNP或RNP。然后用酚-氯仿除蛋白，用乙醇或异丙醇将核酸沉淀出来，干燥后再溶解即可。
纯化：常用电泳或层析。PAGE一般用于分离1K以下的核酸，如测序。较大的要用琼脂糖电泳。纯化mRNA常用oligo-dT的层析柱或磁珠。
目前核酸研究的特点
八十年代以后，核酸研究有以下特点：
1. RNA研究受到重视。以前的研究以DNA为重点，现在RNA成为研究热点。核糖酶的发现和RNA的加工编辑机制是两大发现。一个基因在不同组织或不同生理状态下，从不同转录起始位点开始转录，通过不同的剪接方式和不同的3’端成熟机制，可形成不同的蛋白质，这是一种比基因重排更灵活的调控方式。RNA的应用也日益广泛，如用ribozyme切割病毒核酸，用反义RNA阻断有害基因的表达等。因此，有人称90年代为RNA的十年。
2.研究材料从原核走向真核。真核生物的复制、转录、翻译都比原核复杂得多，材料的改变导致了ribozyme、RNA的剪接、编辑等重大发现，大大推动了核酸的研究。
3.研究核酸与核酸、核酸与其他生物大分子的相互作用。生物体内的核酸多数处于各种复合物中，其结构与功能都与复合物相关。真核基因转录调控的研究主要集中在顺式作用元件（cis-acting elements）、反式作用因子（trans-acting factor）、以及它们之间的相互作用上。核糖体的结构与功能、氨酰tRNA的合成一直是研究核酸与蛋白质相互作用的两个重要对象，近来又形成剪接体（spliceo-some）、核不均一核糖 *** 白体（hn-RNP）、核小分子核糖 *** 白体（snRNP）、编辑体（editosome）等研究热点。
研究进入分子水平与整体水平相结合的阶段。比如果蝇的发育受调控基因 *** 的控制，一些实验室正在以整体与分子水平相结合的方式进行研究。
本 章 名 词 解 释
核苷（nucleoside）：是嘌呤或嘧啶碱通过共价键与戊糖连接组成的化合物。核糖与碱基一般都是由糖的异头碳与嘧啶的N-1或嘌呤的N-9之间形成的β-N-糖键连接。
核苷酸（uncleoside）：核苷的戊糖成分中的羟基磷酸化形成的化合物。
cAMP(cycle AMP)：3ˊ,5ˊ-环腺苷酸，是细胞内的第二信使，由于某部些激素或其它分子信号 *** 激活腺苷酸环化酶催化ATP环化形成的。
磷酸二脂键（phosphodiester linkage）:一种化学基团，指一分子磷酸与两个醇（羟基）酯化形成的两个酯键。该酯键成了两个醇之间的桥梁。例如一个核苷的3ˊ羟基与别一个核苷的5ˊ羟基与同一分子磷酸酯化，就形成了一个磷酸二脂键。
脱氧核糖核酸（DNA）：含有特殊脱氧核糖核苷酸序列的聚脱氧核苷酸，脱氧核苷酸之间是是通过3ˊ,5ˊ-磷酸二脂键连接的。DNA是遗传信息的载体。
核糖核酸（RNA）：通过3ˊ,5ˊ-磷酸二脂键连接形成的特殊核糖核苷酸序列的聚核糖核苷酸。
核糖体核糖核酸（Rrna,ribonucleic acid）：作为组成成分的一类 RNA，rRNA是细胞内最 丰富的 RNA .
信使核糖核酸(mRNA,messenger ribonucleic acid):一类用作蛋白质合成模板的RNA .
转移核糖核酸（Trna,transfer ribonucleic acid）:一类携带激活氨基酸，将它带到蛋白质合成部位并将氨基酸整合到生长着的肽链上RNA。TRNA含有能识别模板mRNA上互补密码的反密码。
转化（作用）（transformation）:一个外源DNA 通过某种途径导入一个宿主菌，引起该菌的遗传特性改变的作用。
转导（作用）（transduction）:借助于病毒载体，遗传信息从一个细胞转移到另一个细胞。
碱基对（base pair）:通过碱基之间氢键配对的核酸链中的两个核苷酸，例如A与T或U , 以及G与C配对 。
夏格夫法则（Chargaff’s rules）：所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等（A=T），鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔含量相等（G=C），既嘌呤的总含量相等（A+G=T+C）。DNA的碱基组成具有种的特异性，但没有组织和器官的特异性。另外，生长和发育阶段`营养状态和环境的改变都不影响DNA的碱基组成。
DNA的双螺旋（DNAdouble helix）：一种核酸的构象，在该构象中，两条反向平行的多核甘酸链相互缠绕形成一个右手的双螺旋结构。碱基位于双螺旋内侧，磷酸与糖基在外侧，通过磷酸二脂键相连，形成核酸的骨架。碱基平面与假象的中心轴垂直，糖环平面则与轴平行，两条链皆为右手螺旋。双螺旋的直径为2nm，碱基堆积距离为0.34nm， 两核甘酸之间的夹角是36゜，每对螺旋由10对碱基组成，碱基按A-T，G-C配对互补，彼此以氢键相联系。维持DNA双螺旋结构的稳定的力主要是碱基堆积力。双螺旋表面有两条宽窄`深浅不一的一个大沟和一个小沟。
大沟（major groove）和小沟（minor groove）:绕B-DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都、是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。
DNA超螺旋（DNAsupercoiling）:DNA本身的卷曲一般是DNA双`螺旋的弯曲欠旋（负超螺旋）或过旋（正超螺旋）的结果。
拓扑异构酶（topoisomerse）:通过切断DNA的一条或两条链中的磷酸二酯键，然后重新缠绕和封口来改变DNA连环数的酶。拓扑异构酶Ⅰ、通过切断DNA中的一条链减少负超螺旋，增加一个连环数。某些拓扑异构酶Ⅱ也称为DNA促旋酶。
核小体（nucleosome）:用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。
染色质（chromatin）: 是存在与真核生物间期细胞核内，易被碱性染料着色的一种无定形物质。染色质中含有作为骨架的完整的双链DNA，以及组蛋白`非组蛋白和少量的DNA。
染色体（chromosome）:是染色质在细胞分裂过程中经过紧密缠绕`折叠`凝缩和精细包装形成的具有固定形态的遗传物质存在形式。简而言之，染色体是一个大的单一的双链DNA分子与相关蛋白质组成的复合物，DNA中含有许多贮存和传递遗传信息的基因。
DNA变性（DNAdenaturation）:DNA双链解链，分离成两条单链的现象。
退火（annealing）：既DNA由单链复性、变成双链结构的过程。来源相同的DNA单链经退火后完全恢复双链结构的过程，同源DNA之间`DNA和RNA之间，退火后形成杂交分子。
熔解温度（melting temperature,Tm）：双链DNA熔解彻底变成单链DNA的温度范围的中点温度。
增色效应（hyperchromic effect）:当双螺旋DNA熔解（解链）时，260nm处紫外吸收增加的现象。
减色效应（hypochromic effect）:随着核酸复性，紫外吸收降低的现象。
核酸内切酶（exonuclease）: 核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶中能够水解核酸分子内磷酸二酯键的酶。
核酸外切酶（exonuclease）:从核酸链的一端逐个水解核甘酸的酶。
限制性内切酶（restriction endonuclease）:一种在特殊核甘酸序列处水解双链DNA的内切酶。Ⅰ型限制性内切酶既能催化宿主DNA的甲基化，又催化非甲基化的DNA的水解；而Ⅱ型限制性内切酶只催化非甲基化的DNA的水解。
限制酶图谱（restriction map）:同一DNA用不同的限制酶进行切割，从而获得各种限制酶的切割位点，由此建立的位点图谱有助于对DNA的结构进行分析。
反向重复序列（inverted repeat sequence）:在同一多核甘酸内的相反方向上存在的重复的核甘酸序列。在双链DNA中反向重复可能引起十字形结构的形成。
重组DNA技术（recombination DNA technology）:也称之为基因工程（genomic engineering）.利用限制性内切酶和载体，按照预先设计的要求，将一种生物的某种目的基因和载体DNA重组后转入另一生物细胞中进行复制`转录和表达的技术。
基因（gene）:也称为顺反子（cistron）.泛指被转录的一个DNA片段。在某些情况下，基因常用来指编码一个功能蛋白或DNA分子的DNA片段。
文|小君
编辑|小君
前言
磁性纳米复合材料是一种嵌入于非磁性外壳中的金属和软磁合金颗粒，具备高磁矩、高磁化率、低矫顽力和高电阻率等所需特性，为电磁辐射吸收材料提供了卓越的性能。
随着合金纳米技术的进一步发展，含铁、钴、镍等元素的多元磁性合金纳米粒子的合成，在调控磁性性能上带来更大的灵活性，特别是FeCoNi/C与FeCoCu/C。
由于成本和资源等问题，替代贵金属（如钴）或与其混合的 *** 日益受到关注，以期在保持性能的前提下降低成本。
这一趋势催生了针对Fe-Co-Cu三元合金纳米颗粒的研究，以探索其结构和性能，但关于该类材料的合成和性能研究数据仍然较为有限。
在此背景下，本研究旨在通过化学还原等 *** 合成具有不同组分的FeCoNi/C和FeCoCu/C纳米复合材料，并深入研究其电磁性能。
实验的目的和 ***
使用包含聚合物(聚丙烯腈(PAN))、金属盐(乙酰丙酮铁、乙酸钴和乙酸铜)和溶剂(二甲基甲酰胺)的体系将合成FeCoCu/C纳米复合材料。
在这些材料中，除了乙酰丙酮铁以外，所有的金属盐都是盐水合物的形式。其中联合溶解的原理在实现前体组中进行均匀分布。
当т≤70°C的时候，由于过于干燥，将要去除溶剂。但因为与聚合物的腈基会形成供体、受体络合物，所以金属保持了在聚合物中的均匀分布。
在之后的的实验中，将溶液干燥成恒重的固体残余物，并且在空气中进行初步退火。而该过程是逐步进行的，先将固体残余物加热到 150℃并保持 15 分钟，然后再加热到220℃保持15 分钟。
在聚合物初始交联的时候，将会形成阻止金属扩散的聚合物链，而其中的刚性和稳定结构正是所需要的，并且金属盐也将分解成氧化物，还需要进行初步热处理。
在之后的实验阶段中，需要合成金属-碳纳米的复合材料。而IR需要加热在惰性气氛(超高纯度氮气)中，并且温度在500到700℃的范围内进行。
在实验过程中，线性加热速率为50℃，并且保持时间为5分钟。加热时间结束后将样品冷却，并在研钵中粉碎成均匀的形状。
在总功率为4kW卤素灯的MILA-5000 IR炉中，纳米复合材料将会进行合成。这些灯的更大辐射强度将会发射在 0.8-1.2毫米范围内，而这也是聚合物碳化加速过程和金属有机盐分解的更佳范围。
在纳米复合材料的结构和相组成中，可以在CrKa辐射下，用室温下的X射线衍射仪来测定。之后，便会得到一个实验结果，从PDF-数据库中所借用的参考数据进行比较后，发现X射线相分析的数据可以通过方程计算得到，其中所合成合金纳米颗粒也能计算出平均尺寸。
在实验中，拉曼光谱仪在514nm的激光激发下，可以获得拉曼光谱。在使用具有矩形多模谐振器的谐振技术的时候，应该测量相对介电常数和磁导率。
假设纳米复合材料层是无限的、平面的，并且还位于金属上，那么平面波可以从周围空间入射，反射损失可以用方程公式来计算。
在方程公式中，Z是位于金属层上的平面层的波阻抗，k是波数，d 是厚度，RL是反射损耗。
结果和讨论
如果将反磁性金属(即铜)引入Fe-Co系统中，那么将会改变FeCoCu合金的微观结构和性能。
在射线相分析中，FeCoCu合金与FeCo/C纳米复合材料(具有等原子金属含量)不同，其中PAN基FeCoCu/C纳米复合材料不能形成单相体系。
铜在 FeCo 合金中的引入，将会影响纳米复合材料的相组成和结构模式。不过铜在铁中的溶解度只有百分之几，而铜在钴中的溶解度要高得多。
铜和钴的还原温度可能发生在约200℃时，而铁的还原温度需要450℃或更高，这取决于还原剂的原因。
当T=600的时候，FeCoCu/C纳米复合材料样品的相分析证明了一些现象。
当金属相以金属间化合物的形式的时候，会存在于合成的纳米复合材料中，这是因为在X射线衍射图中，并不包含铜相或纯钴相的反射。
纳米复合材料包含三种类型的纳米颗粒:基于钴的 fcc 晶格的 CuCo 固溶体，基于铁的体心立方晶格(bcc)的 FeCo 相以及 Fe3C 相。
而这些纳米颗粒对应于含金属相的反射强度是适中的，这也表明了纳米颗粒的尺寸很小。
将FeCoCu/C的分析数据与FeCo/C纳米复合材料的分析数据进行比较，可以发现在600℃的时候，在所合成的FeCoCu/C 纳米复合材料中，部分铁将以碳化物的形式存在。
FeCoCu/C纳米复合材料合成温度升高到T=700的时候，将会引起相组成的重大变化。
如果增加纳米复合材料合成温度，将导致对应于金属相的反射强度增加，还表明了颗粒尺寸的增加，就连Fe3C的反射也被完全消除;
当bcc相反射达到更大值的时候，其位置会向低衍射角移动，这就表明了铁溶解会导致晶格参数的增加。
碳化铁的反射随着合成温度的升高而消除，这是因为其扩散速率在较高温度下增加，从而导致具有不同晶格类型(CoCu、FeCo和Fe3C)的纳米粒子之间的相互作用。
在钴和铜与Fe3C纳米颗粒之间，所产生的作用将导致这些金属进行部分溶解。而这也导致了碳化铁的分解，以及 FeCoCu纳米颗粒的形成。
在FeCoCu/C纳米复合材料中，将含金属纳米颗粒的相干散射区域(CSR)，用计算表明其尺寸，随着合成温度从600℃增加到700℃，CoCu纳米颗粒的平均尺寸也从6nm增加到11nm，而bcc相纳米颗粒的尺寸从8nm增加到16nm，而这远小于不含铜的FeCo/C纳米复合材料的尺寸(18 nm)。
之后，随着合成温度的升高，纳米颗粒尺寸也会增长，这是因为纳米复合材料碳基体的结构转变，以及在铁氧化物的还原过程中，金属聚集和聚结的原因。
在纳米复合材料中，相对铜含量的增加，会导致相组成的变化，而这也让上述相的反射强度进行重新分布。
其中bcc 相的反射更大值可以向更高的角度移动，并且对应于 FeCo bcc 相。而fcc峰向左移动的时候，会形成CuCo 固溶体，并且还是具有几乎等原子组成的 CuCo 固溶体。而之后由于空气中的二次氧化，剩余的铜会以氧化物的形式存在。
随着金属相的变化，合成温度的升高会引起碳基体结构的变化。
在600℃生长的复合材料中，其 X射线衍射在20°到45°的20角处中，包含非晶晕，而这也是石墨相的典型特征。
从数据中来看，该峰的形状是乱层碳的典型形状，在微晶中的小尺寸相干散射区域得到时候，由于石墨烯平面的不规则相互移动，导致了其无定形状态。
当合成温度升高到700 ℃的时候，晕圈会更加对称，其强度也会增加，还会达到石墨的更大值。在实验中，为了深入了解地层，所以进行了拉曼散射研究碳矩阵。
在光谱之间的直接比较显示中，如果增加纳米复合材料的合成温度，那么也将会增加G带相对于D带的强度。
当有序度的时候，微晶尺寸的增加会导致基体的石墨状部分也增加。并且在1200-1300和1520-1540cm-1附近的时候，微晶尺寸的高强度和宽谱带的数据，也证明了无定形碳的相对含量较高。
当ID/IG和ID’/IG强度比降低的时候，如果纳米复合材料合成温度的升高，将会降低无定形碳的含量。
在2D谱带的低强度中，至少存在两个碳相，分别为纳米晶石墨和无定形石墨。
如果纳米复合材料合成温度进行增加，那么I2D/IG强度比将会降低，而这一实验数据可以表明石墨晶体中层数的增加，通过类推的 *** ，石墨烯中层数将会逐层增加。
在实验的数据中，纳米复合材料中铜相对含量的增加，La的尺寸将会略微减小，而这个时候非晶化程度也进行增加。
这一现象与X射线相分析数据非常一致，其中在X射线相分析数据中，可以看出d002峰的强度降低和宽度增加。
在FeCoCu/C金属-碳复合材料的拉曼光谱分析中，表明碳基体是石墨纳米晶的混合物，并且如果增加纳米复合材料的合成温度，那么碳基体微结构中结晶部分的团簇尺寸也会增加。
在纳米复合材料中， 想要增加Cu 含量，可以通过降低碳在含铁颗粒中的溶解度，但这也阻碍了碳基体中的结构有序化。
当添加Ni或Al的纳米复合材料的时候，纳米复合材料合成温度的升高，也将会引起纳米复合材料基体的结构变化，其中纳米颗粒的尺寸组成，和前体中铜的含量也会产生变化，而这也导致了材料电磁性能的明显变化。
在实验中发现，合成的纳米复合材料在T=700时是最有希望的，因此实验将在700℃合成的条件下进行，分析feco Cu/c体系材料的性质，而这也具有不同的金属含量比。
在所选定的FeCoCu 合金成分中，两种不同物质的相对介电常数也不同。在3-14 GHz金属含量比中，纳米复合材料中的的介电常数为14.5，而FeCoCu/C 纳米复合材料的介电常数为13.0。
在不同金属含量比的纳米复合材料中，其介电常数的虚部在3-14 GHz下为3.0，而具有较高金属含量比的纳米复合材料中，其介电常数的虚部为ε=4.0。
纳米复合材料中相对铜含量的增加会降低磁损耗角正切，但增加了介电损耗角正切。
磁损耗角正切的降低是由于相对磁导率虚部的降低而导致的，但相对来说，磁导率虚部的降低又是由合金总磁化强度的降低引起的。
不过相对介电常数的虚部增加，不光是因为更多的无定形碳基质导致的，还是因为在拉曼光谱数据中，所得的的石墨烯状碳结构的原因。在实验中得出结论，相对颗粒的形成会导致纳米复合材料的电导率增加。
将数据进行比较后，得到FeCo/C 纳米复合材料中的相对介电常数数据。
对于2GHz来说，介电常数为e'=12.5，对于18GHz，介电常数会突然下降到e'=3.0，而对于2GHz，虚相对介电常数为e”=3.7，并不下降，而在18 GHz的时候为介电常数为1.2。
对于FeCoCu/C和FeCo/C纳米复合材料来说，它的相对介电常数的数据表明了一种情况，那就是Cu对碳基体的性质有很大的影响。
在700℃合成的时候，具有Fe:Co:Cu=35:35:30和Fe:Co:Cu=40:40:20两种不同的金属含量比，甚至FeCoCu/C纳米复合材料的相对磁导率也不同。
当纳米复合材料具有Fe :Co:Cu=40:40:20金属含量比的时候，其金属含量比是1.02，并且在4-12 GHz范围内保持不变。
通过实验数据的比较，得出了FeCo/C纳米复合材料的相对磁导率的实部数据，当2GHz时的2.75变化到18GHz时的1.5时候，该纳米复合材料的相对磁导率的虚部数据进行降低，其以步进的方式从2GHz时为1.0至18GHz时为0.3。
在材料吸收微波辐射的能力中，是由相对介电常数和磁导率的虚部来表示的，而反射微波辐射的能力由其实部来表示的，只要周围介质和活性材料表面层的阻抗匹配。
微孔复合材料在气体介质中，可以充分满足这些条件。μ'和e’参数与电磁辐射能量转移有关，而μ”和E”参数与材料中导电性、共振和弛豫机制引起的能量损失或散射有关。甚至就连FeCoCu/C纳米复合材料基吸收层中，其更佳厚度都包含铜量较高的er。
对实验结果进行分析，如果考虑到更大磁损耗，那么更佳吸收层厚度会略有变化(从1.4到1.5毫米)，但反射指数RL会从-26降低到-38 分贝。
结论
在实验中，FeCoCu/C纳米复合材料因为它们的反射损耗在-20和之间-32分贝之间(铁:钴:铜=40:40:20)、以及-25和之间-52分贝之间(铁:钴:铜= 35 :35:30)，频率为3-13 GHz。这些值分别对于0.9-0.97和0.944-0.997相对值，并且高于FeCo/C纳米复合材料的反射值。
由于与材料厚度相关的共振现象发生，纳米复合材料层厚度的增加，将会导致反射更大值向较低频率移动。
而这种移动的幅度的意动，会随着纳米复合材料中相对铜含量的增加而降低。对于具有dFe:Co:Cu=35:35:30金属含量比的纳米复合材料层，那么偏移为6.7 GHz.0，对于FeCoCu/C纳米复合材料，其中铁:钴:铜= 40:40:20金属含量比转变到7.4 GHz(从13.8到6.4 GHz)。
当Fe :Co:Cu=35:35:30金属含量比的纳米复合材料具有更低的反射值，因此应该优先考虑。
在实验中所研究的频率范围内，FeCoCu/C纳米复合材料在Fe:Co:Cu=35:35 :30的金属含量比中，是最有效的，也因此更有前途。
近日，上海海事大学/山东大学范润华研究组制备了介电常数为负值的随机复合超材料，其微结构通过自组装模板技术控制，实现了对射频电磁性能进行精准调控，并从逾渗理论、等离振荡和等效电路等不同角度揭示了负介电常数的产生机理。这种负介材料，作为“具有超材料性能的常规材料”，或者说“利用常规材料技术实现的超材料”，为电子元器件、微波吸收等领域选材用材提供了全新的思路。相关成果以“Targeted Double Negative Properties in Silver/Silica Random Metamaterials by Precise Control of Microstructures”为题发表在《Research》(Research.2019, DOI: 10.1155/2019/1021368)上。
1、研究背景
复介电常数是材料的基本物性参数之一，其实部一直被认为正，负介电早先未被注意、近来被视为超材料的典型性质。超材料在性能方面的特点是负的物性参数，在结构方面的特点是相应于物理场特征尺寸的周期性结构。超材料和常规材料的融合已成为重要发展趋势：一方面，将常规材料引入超材料，提升超材料的性质和功能；另一方面，发挥超材料的可设计优势重构常规材料，结合超材料的负物性“超常”性能重新审视常规材料，拓展材料性能空间。受超材料的负物性参数启发，范润华研究组系统研究了常规材料的负介电性质，建立了负介材料这一超材料分支。负介材料可以由导体/绝缘体随机复合的逾渗复合材料实现。负介材料在微波吸收和衰减、新一代电容器、通讯天线和无线电力传输等领域具有重要应用背景。
逾渗复合材料的电磁性能对组分和微结构很敏感，为了精准调控结构和性能，有必要发展新的制备技术，并进一步阐明常规材料负介电机理。
2、研究进展
开发了自组装模板技术对Ag/SiO2逾渗复合材料的微结构和电磁性能进行精准调控：单分散SiO2微球构建复合材料基体，微球间隙形成了尺寸、形状和连通性可控的孔结构，进而在孔结构中填充金属银。如图1所示。
图1 工艺流程图
不同银含量和连通状态的复合材料发生Drude型和Lorentz型介电响应，为控制两种介电响应的相对强度，可以对负介电常数的数值和频散特性进行精确的调控，实现对负介材料的性能设计。负介材料本身具有重要应用背景，兼具负磁导率也为超材料领域关注。通过对微结构的精准调控，在负介材料中获得了负磁导率。不同于阵列型超材料“磁等离子体”的磁共振，上述负介材料的磁响应具有弛豫型频散特性，并与f0.5（为电磁场频率）呈线性关系（图2（b））。
图2 Ag-SiO2逾渗复合材料的负介电常数和负磁导率
导体/绝缘体复合材料的介电性能已有很长的研究历史，为何可以呈现“超常”的负介电性质？对于这类复合材料，导电相含量超过但仍然接近逾渗阈值时，绝缘基体中连通的导电相成为电感（L）功能体，自由电子集体性的射频等离体振荡导致负介电；孤立的导电相则作为电容（C）功能体，并通过LC谐振影响负介电行为。逾渗复合材料为负介性能调控提供了丰富的手段，导电相可以是金属、碳材料等不同类别，可以是颗粒、纤维、片层等不同形貌；绝缘体可以是树脂，也可以是陶瓷。此外，电磁仿真分析可知，此类负介材料频散曲线中的介电近零特性可实现高的屏蔽效能和智能频选窗口等优异的电磁屏蔽性能（图3）。
图3 逾渗理论、等效电路和电磁仿真的理论分析
3、展望
本项工作通过自组装模板技术制备的负介材料，克服了逾渗复合材料电磁性能对异质微结构的高度敏感性，实现了负介电常数的精准调控。系统揭示了负介电行为的物理机制，对于深刻理解超材料、拓展电介质物理学具有重要的科学意义。同时，该研究团队指出了此类负介材料在电子元器件、微波吸收和衰减等领域的潜在应用，对推动超材料应用具有重要研究价值。
4、作者简介
范润华，上海海事大学材料系特聘教授、博士生导师，山东大学材料加工教育部重点实验室博士生导师。在国际上创建了负介材料这一超材料分支，引领十余个国家30多个课题组开展该领域研究。在Adv Mater、Adv Funct Mater、J Mater Chem C、Carbon、Appl Phys Lett等刊物发表负介材料方面论文60余篇，8篇为ESI高被引论文，4篇同时入选ESI热点论文；阶段性研究成果“金属陶瓷材料的微结构调控和超常电磁性质” 获2017年度山东省自然科学二等奖。兼任中国材料研究学会理事、中国复合材料学会理事、中国海洋工程咨询协会理事。作为共同发起人创建了中国材料研究学会超材料分会，并担任副理事长。
范润华
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随着高频化PCB 技术与产品占有越来越重要的地位，高频PCB板材的发展也出现了高速化，其中比较重要的一方面就是低介电常数和低介质损耗因数的材料的选择，这是PCB高频板材实现高速化，高频化的重要性能项目。文章针对基板材料的介电常数与介电损耗的关系加以论述，并对它们与外部环境的关系做出相应的阐述，使得在PCB 的制造中对各种基板材料进行合理正确的评估和使用。
前言
目前已经商品化的高频板材主要有三大类<1> <2>：聚四氟乙烯（PTFE）板材；热固性 PPO（Polyphenyl Oxide）；交链聚丁二烯基板和环氧树脂复合基板（FR-4）。PTFE 基板具有介电损耗小，介电常数小且随温度和频率的变化小，与金属铜箔的热膨胀系数接近等优点<3> <4>，从而得到了广泛的应用。PTFE 与玻璃纤维、陶瓷搭配制备的基板，例如：RO3200，RO3210，RO4003 等系列已经能够满足介电常数 2.2~10.8，工作频段为 30 MHz~30 GHz 的要求<5>。虽然，PTFE 微波板制造发展迅猛，但与之相适应的工艺是由传统的 FR-4 印制电路制造工艺改进而成<6>。现在电子信息产品特别是微波器件的高速发展，集成度极大的提高和数字化、高频化、多功能化和在特殊环境中应用等要求已经向一般的 PTFE 高频板以及制造工艺提出了挑战。对于微波 PCB 的高速、高频化的特性, 主要是通过两方面的技术途径：一方面是使这种发展成为高密度布线微细导线及间距、微小孔径、薄形以及导通、绝缘的高可靠性。这样, 可以进一步缩短信号传输的距离, 以减少它在传输中的损失。另一方面, 要采用具有高速、高频特性的用基板材料。而后者的实现, 是要求业开展对这类基板材料比较深入的了解、研究工作找出并掌握准确控制的工艺 *** , 以此来达到所选用的基板材料与的制造工艺、性能及成本要求能够实现合理匹配的目的。
在高频电路中,信号传输速度可以表示为：
可以看出，基板介电常数越低，信号传播得越快，因此要得到高的信号传输速率，就必须研究开发低介电常数的基板材料。
介电常数除了直接影响信号的传输速度以外，还在很大程度上决定特性阻抗，它可以表示为
可以看出，影响特性阻抗的主要因素是: （1）基板的介电常数 ε r；（2）介质厚度h ； （3）导线宽度w ；（4）导线厚度t 等。基板介电常数越小，特性阻抗就越大。
在高速电路中需要高的特性阻抗值，必须研究开发低介电常数的材料。同时为了实现高速数字电路 PCB 中的阻抗连续稳定，要求基板材料有稳定的介电常数.
1 PCB 上的信号传输损失与高频板材性质的关系
导体电路上的传输损失中的介质损失是主要受到基板材料绝缘层的介电常数（ ε r）、介质损失因数（tan δ ）所支配的。对传输损失的影响与 ε r、tan δ 的大小成正比, 并与介质工作时的频率大小相关。在同一 ε r或 tan δ 下, 频率越高, 其传输损失就越大,图 1 表示了上述关系。
随着频率增加, 基板中的损耗不能再忽略不计,信号的传播损耗或衰减可以表示成 ：
可以看出，基板 tan δ 越小，信号传播的衰减越小。因此在高频电路基板材料的选择或者研究开发时,要求其具有较低的 ε r 和 tan δ 。另外还要综合考虑其他因素：如热能、机械性能、吸水性等。
基板材料所用树脂的 ε r 值和 tan δ 值的高低，主要受到树脂结构本身的极化程度大小。极化程度愈大，介电常数值就愈高。为此,消除或降低树脂中的易极化的化学结构，来达到有效的降低基板材料 ε r，tan δ 值的目的，这已经成为这类基板材料提高此项特性的重要途径。由此也看出，一种高速高频化基板材料的特性好坏，它所用的树脂种类,更具体的讲它所用树脂的分子组成结构，是相当关键、重要的。
2 树脂的改性
对高频PCB板材的研究通常从下面几个方面进行：对树脂和玻纤及整体结构的改进，通过布线或其它方式改进基板特性。同时在这些研究中，高频下介电常数的测量起着很重要的作用，有的学者还提出了复合材料中介电常数计算的理论模型。
由于环氧树脂本身具有含量较大的极性基团，介电性能较差，通常的改性 *** 有：增加支链数，增大材料的自由体积，降低极性基团的浓度；在环氧树脂中加入双键结构，使树脂分子不易旋转；或引入占有空间体积较大的基团或高分子非极性树脂等 *** ，降低极性基团的含量，提高其介电性能。
2.1 聚苯醚改性环氧树脂
使用改性聚苯醚对环氧树脂进行改性<7>，聚苯醚（PPO）分子结构中含有重复的苯环与醚键，且具有对称结构，在大分子中没有强极性基团，电气绝缘性能优良。改性聚苯醚（MPPO）在保持 PPO的电气特性的同时，改善了 PPO 的加工性能。在保证环氧覆铜板基本阻燃性和力学性能的基础上，利用 ε r只有 2.45 的 MPPO 掺混改性环氧体系，形成半互穿 *** 结构，提高改性环氧覆铜板的介电性能，达到降低 ε r和 tan δ 的目的。MPPO 含量对基板 ε r、tan δ 的影响如图 2 所示。由图 2 可知，随着 MPPO 含量的增加，覆铜板的 ε r和 tan δ 都减小，表明 MPPO 的添加对环氧树脂的绝缘特性确实有所改善，但是由于工艺条件较为苛刻，稳定性欠佳，该技术离工业化大生产还有一定距离，有待改进与提高。另外通过 PPO 改性溴化环氧树脂（BEP），使其耐热性能得到了改善，介电常数降低到3.2，而其阻燃性能较佳，其它各项性能均有不同程度的提高。
2.2 氰酸酯改性环氧树脂
环氧树脂在固化反应过程中，可在交联点间生成含有 OH 等极性基团，它们对介质的 ε r和 tan δ均有强烈影响。tan δ 与 OH 含量的关系如图 3 所示<11>。从图 2 中可知，降低交联点间极性基团的浓度，可以降低 tan δ 。在不减少环氧树脂体系交联密度的前提下，降低体系中 OH 的含量，许多学者对此进行了大量的研究工作。在树脂体系中加入氰酸酯，可降低树脂固化体系中 OH 的浓度，同时改善树脂体系的交联密度<12>，提高了体系固化物的玻璃化转变温度，这也是 PCB 基板所需要的。
2.3 聚四氟乙烯
聚四氟乙烯（PTFE）是一种超高分子量的聚合物，其分子结构为四个完全对称的取向氟原子中心连接一个碳原子，因而极性极低， ε r只有 2.0（1 MHz），加上 C-F 键的键能很高，其耐热性好。具有优良的电气性能、耐化学腐蚀、耐热、使用温度范围广、吸水性低，高频率范围内 ε r、tan δ变化小，非常适用于作为高速数字化和高频的基板材料。胡福田等<13>人的研究表明，在 PTFE 和玻璃纤维布组成的复合材料中，PTFE 树脂含量与介电常数、介质损耗因数的影响分别如图 3、图 4 所示。由图 3 可知，其 ε r随 PTFE 树脂重量百分数的增加而减少，树脂重量百分数在 72%时得到 ε r为2.6 的产品。由图 5 可知，tan δ 随树脂含量增加有一个显著减少的过程。PTFE 的热膨胀系数相对高，质地柔软，其机械性能差，尺寸稳定性较差，价格昂贵，加工要求苛刻，不适合普及使用。
2.4 氰酸酯树脂
氰酸酯树脂具有优异的电绝缘性能、耐高温性能、高尺寸稳定性和低吸水率，可用作高性能复合材料的基体树脂，是一种理想的高频印刷电路板树脂基体。王结良等人的研究表明，采用有机锡催化剂固化得到的氰酸酯树脂基固化树脂及其复合材料具有低 ε r和低 tanδ，力学性能非常出色;同时还发现复合材料表现出与固化树脂相似的耐水煮和耐湿热老化性能，是一种优异的高频印刷电路板树脂体系<14>。但是交联密度大及高结晶度而引起的韧性较差。可利用双马来酰亚胺树脂（BMI）和CE 得到共聚物 *** 树脂，在其他性能保持不变的前提下改善其韧性。
3 玻纤的改性
玻纤增强材料是复合材料中力学强度的主要承担者，一般来说其介电常数高于树脂基体，又在复合材料中占有较高的体积含量，因此是决定复合材料介电性能的主要因素<15>。目前，世界各国生产的硅酸盐成分的玻璃纤维织物组成大体相同，其基础成分都是 SiO2、Al2O3、CaO 三元系统，重量百分比在小范围内波动<16>。常温下构成玻璃 *** 的硅氧或硼氧、铝氧骨架无弱联系离子几乎不导电。但是 *** 中充填了阳离子，特别是碱金属离子时，点阵结构在碱金属离子处中断，形成弱联系离子，产生热离子极化。这是影响玻璃介电性能的主要因素。目前通常采用的是无碱玻纤 E 玻纤，其介电常数为 7.2 (1 MHz)，不能满足高频电路的要求。首先可以采用的办法是混杂。在无碱玻纤中，除了 E 玻纤外，还有介电性能优秀的 D 玻纤（ ε r= 4.7，1M Hz）和 Q 玻纤（ ε r= 3.9，1M Hz），但是它们加工性能和成本较高，单独使用并不合适。通过对不同品种的玻纤进行合理的选配，要求既保证优良的低介电性能、加工性能，又能很好地解决工业化生产的成本问题。
4 基板材料的整体改进
除了对基板本身材料的改性外，还可以通过改进基板整体结构，调整多层介质的分布，改善其介电性能。合理调整多层介质的分布，可以在减小成本的前提下提高基板的介电性能。
如图 6 所示，是一种常用的四层混合介质布层 *** 。其中，外层（顶部和底部）是低介电常数和低介质损耗因数的高频介质。这种结构可以很好的控制阻抗，信号损失也很小（约为 FR-4 的1/10），信号传播速度比 FR-4 快 10%。而且，大部分材料都是廉价的介质，根据高频材料和中间FR-4 的比值不同，这样的设计最多可以使总成本降低 25%。在几 GHz 的范围内经常使用这种结构，此时顶部和底部不一定要求为热固性塑料，只要能与 FR-4 粘结的高频材料就可以使用。图 7 所示的是四层混合介质带状线布层，多用于数字电路。这种结构除了具备图 6 所示结构的优点外，还具有串音和电磁干扰更低的优点。另外还可以在 PCB 的制造过程中控制阻抗:由于内层的制造过程是“印刷和腐蚀”而不是制造外层时所需要的“印刷、制版和腐蚀”，所以可以精确控制传输线的宽度，控制阻抗。但是这种结构通常只适用于数字电路，因为数字器件具有更好的抗噪声能力，可以承受一定的阻抗不连续。
5 结论
从理论和实践中感悟到，在选择用于高频电路的所用的基板材料时，对基板材料的特性要求要特别注重考察它的 tan δ ，在不同频率下的变化特性如何。而对侧重于信号高速传输方面的要求，或对侧重于具备有特性阻抗高精度控制要求时，则应该重点考察所用的基板材料的 ε r 特性及其它在频率、湿度、温度等条件变化下的性能情况。国内外学者们也从不同的方面对这个问题进行了深入的研究:包括对环氧树脂的改性、换用其它树脂体、混杂玻纤、使用空心玻纤、适当布置多层结构、合理布线、采用嵌入无源元件等，都可以在某种程度上改善高频PCB板材的特性。但要得到一个普遍使用的方案，还需要进一步研究。另外，高频下介电性能的测量也是学者们研究的热点，还有的学者从理论上得到混合物介电常数的估算模型，这些对高频PCB板材的改性都有很重要的意义。
说明书上写1万公里保养一次，4S店说5天就要来，基本上按说明书做就可以了。不过极少数情况下，4S店确实是可以更改保养周期的，不放心还是给厂家打个 *** 。
4S店的忽悠大部分并没有道理
4S店建议缩短保养周期主要是为了赚钱。根据汽车维修专家陈佩华给出的一个数据，一般家用车更换一次机油，4S店至少能赚到100到200块钱。
如果从1万公里一次，变成了5千公里一次。好了， 30万公里的使用周期，光机油这一项，每台车多赚6000块钱。
- 国内道路环境没国外好，需缩短保养周期
4S店最常用的忽悠说法，就是说明书上说的是国外的同款的这种车型，国外有雾霾不了，国内道路环境差，保养当然要勤快一点的了，老外戴口罩吗，想想清楚这是为了你好。
胡扯，车子在投产之前都会生产少量的样车，进行数万甚至数十万公里的封闭场地测试，然后是实地道路测试。
它测完了之后，会针对情况来定保养规则的，而且这些测试不少都是在当地市场完成的，车型研发过程中叫本地化。
比如奔驰，美规和中规的发动机调校就不太一样的，大众官方也是类似的说法，所以说明书上的保养周期，是已经经过优化之后的结果了，不用再来一次了。
- 缩短保养周期，并不能提升车况
有的4S店还说，保养勤快点，车况会更好，你吃50的快餐和吃5块钱的快餐，身体状况能一样嘛？
其实厂家说明书上，给的保养周期已经是比较保守了，缩的太短简直就是浪费钱。你比如说机油，新加到车里面开一段里程之后，各项指标才会慢慢达到更佳水平的。
举个例子来说，机油的介电常数，也就是一项反映机油内，水分、磨损金属含量和总酸值的一个综合指标。
它差不多是在2千到3千公里的时候才会达到更低，指标越低说明机油杂质越少，是好事情。
你如果是3千、5千公里直接就把机油给换掉了，刚刚捂热，运动员刚刚热身热完，教练你说怎么办，他说你可以去休息了，比赛结束了，难受。
- 缩短保养周期，对二手车价影响不大
4S店赚钱套路多的去了，你缩短保养周期，对二手车价是有影响的，做的勤点、车况好一点卖的多，不是这样的。
二手车价有影响的，反而是车子保养记录全不全，是不是全程4S店保养的，或者说是有没有断档过的，倒不是说好像你做的频次越短，这二手车就可以卖的越贵。
国内有几个门户网站，对南京的某二手车行业的老板进行一个采访，全程打码，即便是全程4S店保养，对二手车车价的影响也就是几千块钱左右。
- 少数情况下4S店可以更改保养周期
4S店还有一种说法，厂家通知我们修改保养里程的，这是厂家通知我们，你看手册上说明书，还粘了一张白的不干胶粘上去，把1万贴成5千了。
4S店确实是有帮助车厂收集用户使用信息的职能，让车厂可以根据市场数据反馈，对保养、保修政策进行调整，有点像是厂家设在全国各地的眼线。
毕竟厂家再怎么测试也是测试，总是会有疏漏的，你想想人家DSG、本田的机油，就是那个时候没测出来，现在才有问题的。
车厂在分析数据之后，发现某一地区的车型故障率，是由于保养周期较长而明显变高的话，还有可能真的是会修改保养周期的。
这个时候4S店起到的作用，就好像是用户和厂家之间沟通的桥梁，你买的是索尼电视机，但是苏宁来跟你说，索尼有新的政策变化。车场的这些不少召回，也是通过4S店发起的。
- 遇到这种情况建议打 *** 咨询厂家
遇到这种情况，你打个 *** 问一下厂家，是不是真有这个事，确认一下，厂家说我们的确改了，根据汽车三包政策，是需要向国家质检总局备案的。
就好比说班长想要制定个规矩，你总要跟老师汇报一下，老师同意了之后才能实行的。明明是早上8点钟上课，你说早上6点钟一定要在教室，我还是问一下老师。
车辆的使用说明，是具备一定的法律效力的。如果厂家只是说建议听从4S店安排的话，还是可以无视他们的说辞，按照说明书来保养的。
总的来说，基本只要按照车子的说明书来保养，就真的是可以了，如果厂家真的就是巧碰巧，修改了保养周期，直接打个 *** 问厂家最安全。
在4S店喝咖啡时，保养师傅怎么坑你的？
除了在保养时间上面给我们下套路，去保养的时候接待员还是有各种连招的，尊敬的贵宾一位，你们走进去，咖啡倒上来、可乐倒上来、杂志倒上来、 *** 姐陪你聊天，你要不要玩电脑。
这个时候修车间的师傅，他们在手忙脚乱地干些什么东西？你笑得很开心，喝的那杯咖啡到底值多少钱？一定比星巴克贵。
关键词：保养
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这保养怎么样省钱？哪些保养根本没有必要做？你笑眯眯的喝的那杯咖啡到底值多少钱？
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撰文 | 刘寄星 ( 中国科学院理论物理研究所 )
来源 | 本文选自《物理》2021年第10期
不久前，俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所的物理学史专家V. M. 别列赞斯卡亚出版了一本书，书名叫做《异口同声说朗道——一个不落俗套的人》(图1) <1>。在这本书里，作者刊出了30篇有关朗道的访问记录，其中10篇是作者本人2001年到2014年期间的访问记录，20篇是1978年出版《朗道传》<2>的作者A. M. 里万诺娃1962年到1976年期间的访问记录 (里万诺娃去世后这些记录遗留在作者手中)。她们的访问对象包括了朗道生前的同学、同事、学生、朋友，访问内容则是被访者各自与朗道交往的故事以及对朗道的看法。在朗道逝世半个多世纪以后读这样一本书，了解各种人对朗道的看法，自然会加深人们对这样一位杰出学者的全面认识。有兴趣的读者不妨找来一读。这本书之所以吸引我，除了以上原因外，还在于书的作者不愧是一位科学史专家，她细心、认真地把从被访者手中收集到的许多宝贵资料，做成19个附录，附在了书后供读者浏览。这些资料中有许多历史性文献，如1939年4月卡皮察为了救朗道出狱写给斯大林和贝利亚信件的手写底稿，1938年4月朗道被捕后物理问题研究所开除他的决定书以及1939年卡皮察从鲁布扬卡监狱将他保释出来后该所恢复其职务的决定书，还有朗道、金兹堡和费因伯格1957年就提名切连科夫效应获奖联名写给诺贝尔委员会的信件，以及朗道历年发布的理论物理更低标准大纲。除了历史文献，还有些有纪念意义的东西，比如1958年朗道50岁祝寿时，有人送给他的那副“理论物理学扑克牌”，在那副牌上，当时朗道学派的各色人物纷纷登场，煞有一番情趣 (图2)。可以说，书中所附的每件珍贵历史文件后面，都有一段吸引人的历史故事可讲。
图1 《异口同声说朗道—— 一个不落俗套的人》的封面
图2 朗道50寿辰时收到的“理论物理扑克牌”中的朗道和其学派的四大爱司(鲁梅尔、米格达尔、泽尔多维奇和波梅兰丘克)
大家可能都知道，任何人如果想要投到朗道门下，都必须通过朗道的理论物理学更低标准考试。这种考试被戏称为“朗道势垒”。这篇文章想利用书中提供的朗道历年发布的理论物理更低标准大纲，回答一下朗迷们想要知道的下面三个问题：朗道势垒是如何铸成的？这个势垒到底有多高？究竟一共有多少人通过了这个考试？
1 理论物理学更低标准大纲的历史演变
1935年，朗道在乌克兰物理技术研究所发布了对该所高级研究人员的理论物理更低要求大纲 (图3)，其中包含力学、统计物理学、电动力学、量子理论和连续介质理论五部分的内容及各部分的参考书目。具体而言，力学部分包括：(1)最小作用量与拉格朗日方程；(2)动量及能量与拉格朗日函数的关系；(3)约化质量；(4)角动量；(5)一个自由度情况下运动方程的积分；(6)循环坐标；(7)中心对称场；(8)卢瑟福公式；(9)一个自由度情况下的小振动；(10)受迫振动；(11)阻尼振动；(12)本征频率与简正坐标；(13)非简谐振动；(14)转动坐标系中的运动方程；(15)惯性张量；(16)固体的动量矩；(17)哈密顿函数及哈密顿方程；(18)哈密顿—雅可比方程。
图3 朗道1935年发布的理论物理学更低标准大纲
统计物理部分包括：(1)热量与熵；(2)热函数；(3)自由能；(4)热力学势；(5)热力学量的变换；(6)刘维定理；(7)吉布斯分布；(8)玻尔兹曼分布；(9)麦克斯韦分布；(10)气体分子碰壁数；(11)外场中的理想气体；(12)自由能与统计积分的关系；(13)理想气体的自由能；(14)处于平衡中的理想气体的熵；(15)理想气体的混合物；(16)等分布定理；(17)相平衡条件——化学势；(18)克拉珀龙—克劳修斯公式；(19)弱溶液的化学势；(20)渗透压与温度；(21)溶液蒸气的弹性；(22)冻结点的降低；(23)亨利定律；(24)化学平衡条件；(25)理想溶液和理想气体情况——质量作用定律；(26)表面张力与表面热力学势的关系；(27)弱附着情况下的表面张力。
电动力学部分包括：(1)自有时间；(2)洛伦兹变换；(3)速度的地位；(4)速度的四维矢量；(5)质点的作用和拉格朗日函数；(6)能量、动量—四维动量；(7)标量势和矢量势，四维势；(8)能量和动量之间的关系；(9)麦克斯韦—洛伦兹方程；(10)偶极场；(11)磁矩；(12)达朗贝尔方程；(13)波矢；(14)瑞利—金斯公式的推导；(15)推迟势；(16)偶极辐射；(17)介电体与导电体的宏观麦克斯韦方程与磁极化；(18)伽伐尼电池；(19)电热效应；(20)群速度；(21)复折射率；(22)金属中的折射；(23)伦琴射线的折射系数。
量子理论部分包括：(1)自由运动粒子的波函数；(2)含时薛定谔方程；(3)定态；(4)角动量投影的本征值及其绝对值，术语命名法；(5)谐振子的能级；(6)空间转子，能级；(7)周期场中的电子；(8)穿越位垒的跃迁；(9)算符；(10)矩阵；(11)用哈密顿算符表示对时间的微商；(12)自旋；(13)对称原理；(14)泡利原理；(15)多值性；(16)反常塞曼效应；(17)原子价；(18)元素的周期系；(19)一级与二级近似下恒定场中能级的微扰；(20)恒定场中矩阵元的微扰；(21)周期场中矩阵元的微扰；(22)连续谱情况下波函数的归一化；(23)光电效应；(24)快速电子的散射；(25)狄拉克方程的含义，正负电子对；(26)选择定则；(27)含辐射的量子跃迁概率；(28)玻色与费米理想气体；(29)化学常数；(30)普朗克公式；(31)退化费米气体；(32)托马斯—费米模型。
连续介质理论部分包括：(1)理想液体的流体动力学方程；(2)不可压缩流体情况；(3)声速；(4)形变张量；(5)能量密度；(6)应力张量；(7)弹性模量的相互关系；(8)弹性体的运动方程；(9)纵波速度与横波速度；(10)热传导方程与扩散方程；(11)系数与流动性之间的关系；(12)不可压粘性流体的流体动力学方程。
从这个提纲不难看出，这就是朗道当年对其《理论物理学教程》所含内容的最初规划1)，1938年出版的《统计物理学》和1940年出版的《力学》两卷的章节，基本上就是按这个提纲安排的。从这个提纲还可看出，朗道当年对电动力学的设想是将真空中的电动力学和介质中的电动力学合在一起，量子力学中对相对论量子理论也没有太多要求，只提到了狄拉克方程和正负电子对。从1935年到1947年，以上这个大纲可以代表当时的“朗道势垒”。
图4 1947-1949年《连续介质力学》的更低标准大纲
1947—1949年，朗道发布了新的理论物理更低标准大纲，在这个新大纲中，将原来的5部分内容扩展成了7部分，即：(1)力学；(2)场论；(3)量子力学；(4)相对论量子理论；(5)统计物理学；(6)连续介质力学；(7)连续介质电动力学。其具体内容也远比1935年发布的提纲广博高深。此时，他规划的《理论物理学教程》已经出版了《力学》(1940)、《场论》(1941)、《统计物理学》(1938，1940)和《连续介质力学》(1944)4卷2)，因此这几门课程对投考者的要求也就是掌握教程中所包含的内容，如《力学》只要求如下6章内容，即运动方程；守恒定律；运动方程的积分；小振动；固体的运动；正则方程。而《场论》则要求相对性原理；相对论力学；场中的电荷；恒定电场；电磁波；运动电荷的场；引力场中的粒子；引力场方程等9方面内容。《连续介质力学》的要求比教程中的章节要少 (图4)，仅包括理想液体；粘性液体；液体中的热传导；声；间断；表面现象；气体动理论；弹性理论的基本方程；固体的热传导和粘滞性等内容，而略去了该书第3、4、8、9、10、15章的内容3)。《量子力学》则被分作非相对论部分和相对论理论两部分分别考试 (图5)，非相对论部分比起1935年的大纲扩展很多，其37个要点几乎就是1948年将要出版的《量子力学—非相对论理论》的主要章节安排；相对论量子理论则包括了狄拉克理论；二次量子化；偶极辐射概率，选择定则；拉曼效应；康普顿效应；光电内转换；快电子的散射；电子场的傅里叶积分展开；对的形成；簇射理论和β衰变理论等10个要点，远比1935年大纲要广得多。新增加的《连续介质电动力学》列出了12个要点 (图6)，分别为：由洛伦兹方程导出麦克斯韦方程；场中的球；电热和磁热效应；气体的介电极化率；强电解质理论；磁化率；低温下的铁磁性；金属中电子的磁性；超导体的热力学；偏振面的旋转；运动物体的麦克斯韦方程；涨落与光的散射。不难发现，这部分大纲包含了10年后将要出版的《连续介质电动力学》的部分内容，但后者远比这个大纲更为广泛深入4)。
图5 1947-1949年非相对论量子力学和相对论量子力学两部分的更低要求大纲
图6 1947-1949 年连续介质电动力学部分更低要求大纲
1956年，朗道发布了理论物理学更低要求考试的第三个大纲 (图7)，这时《理论物理学教程》除《连续介质电动力学》、《相对论量子力学》和《物理动理学》未出版外，各卷均已出版，故朗道的大纲仅仅对《连续介质电动力学》、《相对论量子力学》两部分有明确的要点提示 (图8、图9)，其他各门只列出了备考时教程已出版各卷中不必阅读的章节，如《力学》要求阅读全书，《场论》则不必阅读33、50、54—57、59—61、68、69、73、75、89、101等15节。
图7 朗道1956年发布的理论物理学更低标准大纲
图8 1956年大纲对相对论量子力学的要求要点
图9 1956年大纲对连续介质电动力学的要求要点
值得注意的是，这个大纲开头的说明中明确指出，今后的考试不再只由朗道一人主持，而是由朗道、栗夫席兹和哈拉特尼科夫三人分别主持：朗道主持数学1(积分，常微分方程，矢量分析和张量代数)和相对论量子力学的考试；栗夫席兹主持数学2(复变函数论，微分方程的解析理论和拉普拉斯 *** )，宏观电动力学和量子力学的考试；哈拉特尼科夫主持力学、场论、连续介质力学和统计物理学的考试5)。
至此，所谓“朗道势垒”正式铸成，凡是想要成为朗道学生的人，必须掌握相当的数学技能，熟读朗道—栗夫席兹《理论物理学教程》各卷中除大纲不要求部分外的全部内容，并且经过严格的9门考试6)。
2 朗道的试题有多难？
朗道对于更低标准考试的态度极为认真，他亲自接待每一个投考者，亲自给他们写出题目，考试中每隔一段时间观察他们的答题状况，并作出相应评价。1950年通过朗道更低标准考试、1990年被选为苏联科学院通讯院士的鲍里斯·约飞曾生动地回忆过他参加朗道考试的过程<4>，特直译如下：
“1947年夏天，我鼓起全部勇气走出了决定性的一步——给朗道打 *** ，问他我是否可以开始参加他的更低标准考试。他告诉我，我可以在最近几天中的一天去他家参加考试。我相当容易地通过了入门的数学考试，然后他给了我用打字机打好的余下七门考试的大纲 (实际上，还有第八门数学考试：复变函数，特殊函数，积分变换等等)。那时候朗道的理论物理学教程只出版了朗道和皮亚季戈尔斯基的《力学》、朗道和栗夫席兹的《场论》、《连续介质力学》和《统计物理学》(经典统计部分)，其余的教程则要阅读别的书籍或原始论文，这些论文是用英文和德文写的，比如量子力学就有汉斯·贝特发表在Annalender Physik上的两篇各100页以上的大论文(图5)。这意味着每位应试者至少要掌握两种语言。
考试一般以如下方式进行：应试者先打 *** 告诉朗道他想要考哪门课程 (考试课程的次序在一定程度上是任意的)，朗道会说：‘好吧，你何时何时来’。到达之后你要把随身带的书籍、笔记等等放在一楼门厅，然后朗道把你领到二楼的一个小房间，那里有一张摆放着几张白纸的桌子和一把椅子，朗道在白纸上写下题目后走开，每15—20分钟后回来在应试者的背后看答题情况。他如果不吭声就是好现象，如果他‘嗯’一声，则情况不妙。我倒没有过考砸了的个人体验(我只知道考砸了还允许再考)。我只是在考《统计物理学》那一次接近了危险的边缘。当时我没有用朗道期望的 *** 开始解题，朗道走过来在我背后看了一眼，‘嗯’了一声就走开了。过了20分钟他又走过来看了一眼，用更不满意的音调发出‘嗯’声。这时不知为什么栗夫席兹走了进来，他也看了我的答卷，高声喊道：‘道，把这家伙轰走算了，不值得为他浪费时间！’。朗道不同意，说‘再给他20分钟’。我正好利用这段时间得到了答案，而且这个答案是正确的！朗道走过来看了我的答案并仔细看了我的计算，承认我是对的。他和栗夫席兹又问了我几个简单问题后，这门考试就算通过了。
朗道的试题相当复杂，学生解一道题大约需要花一个小时(通常，他的试题是一到两道难题加一道简单题)，因此，准备考试时要花功夫多解些题目。为了要多做练习，我曾努力到处收集题目。(那时候没有习题集，也没有地方收集朗道的《教程》上现在作为习题的那些题目)。我曾问过在我之前通过更低标准考试的阿布里科索夫朗道考他的题目(当然不是问他如何解这些题！)并解出了这些题目。经过几次考试后，我发现朗道的考题数量相当有限，因为他有时给我的考题和考阿布里科索夫的题目是一样的。我想，朗道明白参加他的考试的考生之间会相互交流他给出的考题，但他并不担忧这些，因为他完全可以通过观察学生如何解题判断出他的能力和知识水平。下面就是他的考题之一例——一道宏观电动力学的考题：介电常量及磁化率分别为ε1和μ1的介质小球以角速度ω在处于恒定电场E 内的介质中转动，介质的介电常量和磁化率为ε2和μ2，转动轴与电场E 的夹角为α，试求小球和介质内的电场与磁场”。
朗道的考题数目有限这一说法也得到阿布里科索夫的证实，他在一篇回忆朗道的文章中写道：“我们几个人(栗夫席兹、哈拉特尼科夫和阿布里科索夫)开始参加主持更低标准考试时，正好赶上莫斯科物理技术学院成立后该院学生结伙来投考。很快我们就得知，考生们相互之间在传抄我们那些数目有限的试题。那时我想出了一道复变积分的难题用来对付那些机灵鬼，并为此感到洋洋得意。当我把这事告诉朗道时，他骂了我一顿并要求我把考题改回到原来的标准题目。我反驳说：‘道，你知道他们除了这几道题之外，什么都不知道！’。他的回答是：‘他们用不着知道的更多’。”<5>
图10 德列敏保存下来的他参加朗道理论物理更低标准考试的两张记录
由以上所述可见，朗道的考题虽然不容易，但他也并非专出难题、怪题为难学生之人。虽然有不少人在他们的回忆中谈起参加朗道考试的经历<5>，但除了鲍里斯·约飞上面所举的一个例子之外，并没有更多的应试者透露过他的考题，所以朗道的考题究竟有多难，长期以来一直是个谜。幸好别列赞斯卡亚这本书中有一篇伊戈尔·德列敏博士的访问记<6>，其中附上了德列敏保存的他参加朗道考试的两页记录 (图10)，提供了数学、力学和场论的几道考题，笔者据此译出，有兴趣的读者不妨考考自己7)。
数学1
(1) 试求不定积分
(2) 试将面积分
转换为体积分。
力学
(1) 试求在势场 α/r^n(n > 2 )中的俘获截面；
(2)试写出抛物线坐标下的哈密顿—雅可比方程；
(3)当a和b均为时间的缓变函数时，试求出在场U=ax^2+bx中振动周期的变化。
场论
试给出在磁场中作匀速圆周运动电荷的场的谱分解。
初看起来，人们可能会觉得数学1的之一道题过于简单，不过所有回忆过参加朗道数学1考试的人都无一例外地提到过朗道的一个古怪的禁戒：求带根号的不定积分时不得使用欧拉代换，解非齐次常微分方程时不得使用常数变异法，谁在做这些题时用了欧拉代换或常数变异法，谁肯定出局。1955年通过朗道考试、1997年被选为俄罗斯科学院通讯院士的马克西莫夫曾感叹说：“直到现在我都弄不明白，欧拉先生究竟是哪里得罪了列夫·达维多维奇？”8) <7>。如果不用欧拉代换，你能轻易地求出这个不定积分吗？
3 到底有多少人通过了朗道的考试？
从朗道1935年发布理论物理学更低标准大纲到1962年1月7日朗道遭遇车祸，总共约有27年时间，在这段期间内究竟有多少人参加过朗道的考试，文献上没有记载，无从查起。但通过朗道九门严格考试的人数却是有据可查的。一般的说法是43人，其根据是朗道在遭遇车祸两个月之前自己整理出的一个名单 (图11)。朗道在整理这个名单时很认真，在名单上标出了他们通过考试的时间，1961年底之前所取得的学位或荣誉称号。整理这个名单的依据显然是他保存的原始考试记录 (图12)，从这个原始记录中可以看出考生姓氏，参加考试的科目和考试时间。从这页记录中不难看出，通过全部考试的学生所占比例相当低，不少人考过几门后就放弃了。据哈拉特尼科夫回忆：“朗道从不公布学生的考试成绩，仅在极特殊的情况在其名下画个惊叹号或问号。如果某人积累了三个问号，则认为其不适合从事理论物理学的研究。向考生解释这种最不令人愉快决定的活总是由朗道自己去干。”<5>
图11 朗道 1961 年底整理的通过理论物理更低标准考试人员名单
图12 朗道的考试结果登记本之一页
从保存科学史料的角度出发，2008年郝柏林同志发表《朗道百年》时曾专门加了一个附录，把这43人的姓名全部记录了下来，并且标出了其中一些人当选为科学院通讯院士或院士的年代<8> 9)。为满足对此有兴趣的读者的要求，我将这个名单照抄如下 (表1)。
表1 朗道笔记本上的43人名单
应当指出的是，朗道给出的这个名单其实是个不完全名单。首先，他把1935年第五个通过考试的皮亚季戈尔斯基清除出了这个名单。我们在“谈书说人之四：师徒反目的缘由及其教训”中已详细交代过朗道与皮亚季戈尔斯基交恶的缘由，不难理解任性的朗道为何将后者“革除”出这个名单。被朗道清除出这个名单的另一个人叫弗拉基米尔·浩加因诺夫 (Vladimir Khozianov)。此人不仅通过他的全部考试而且还在他指导下完成了论文得到副博士学位。据鲍里斯·约飞在<4>中所述，此人学业差劲、人品可疑，约飞虽曾多次提醒，朗道执意培养此人。不料浩加因诺夫取得学位后飞黄腾达，成为苏联科学院物理问题研究所的苏共党委书记。他不但不感谢朗道的培养，反而在1952年苏共中央在物理学界发起的“反世界主义”运动 *** 中反咬朗道一口，控诉朗道在理论部“迫害”他这个“唯一的俄罗斯人”。为改变物理问题研究所理论部犹太人严重超标的情况，当时的所领导(原所长卡皮察已被撤职并被“流放”，研究所的领导权由克格勃派来的特派员巴布金少将操纵)决定成立由福克当主任的第二理论部，浩加因诺夫为此不遗余力决心要用福克换掉朗道。结果由于福克拒绝到任，加之斯大林于1953年初去世，此事被迫流产。哈拉特尼科夫发表在俄罗斯《自然》杂志1996年第7期上的一篇文章中回忆，1950年代浩加因诺夫去法国访问期间勾引接待人的妻子，回国后仍书信不断，结果被克格勃在书信检察中查了出来，成为苏联科学院整顿院风的典型，被撤职查办10)。朗道为何不听劝告执意培养浩加因诺夫，也许和哈拉特尼科夫在回忆录中所说的以下故事有关：“当时不知道为何(所里的)理论物理学家绝大多数都是犹太人，卡皮察为此和朗道开玩笑，承诺如果他接收到一个非犹太裔研究生，就给他发一笔奖金。当我从第聂伯罗彼得洛夫斯克来莫斯科参加更低标准考试时，朗道看着我本人和我的姓，确认我正好就是这样的人选。他并没有直接问我属于哪个民族，但是由于我的金发看起来像是俄罗斯人，再加之我姓读起来充满俄罗斯味道的哈拉特尼科夫 (Halatnikov)11)。于是他就愉快地通知卡皮察，他终于有了一个俄罗斯族的研究生。后来听说卡皮察还真如他承诺的那样，给朗道发了一笔奖金。(当发现我又是个犹太人后) 卡皮察曾告诉我，他得从朗道手里把那笔钱要回来。不过直到现在我也不知道他的这个打算实现没有。”<9>
图13 蒂萨(1907-2009)
朗道的43人名单中只有一个外国人，那就是匈牙利人蒂萨 (Tissa Laslo)(图13)。蒂萨比朗道大一岁，曾因参加匈牙利 *** 活动在国内被抓进监狱，经爱德华·特勒等人营救并介绍到哈尔科夫进入朗道的理论部并于1935年通过朗道的考试。他1937年离开苏联，1941年到美国在MIT当物理学教授，直到2009年才去世，活了102岁。其实，参加并通过朗道全部考试的外国人还有中国学者卓益忠 (图14) 和郝柏林 (图15)，他们没有出现在名单中的原因不同。卓益忠1956年被派往苏联科学院物理问题研究所学习，他在两年内考完了朗道理论物理更低标准的九门考试，但朗道没有留他做研究生，也没有把他的名字写在名单中，其中缘由我曾在纪念他的一篇文章中有所分析<10>。郝柏林则是在1961年11月才开始参加朗道的考试，未及在朗道次年1月出车祸前考完，直到1962年9月才由阿布里科索夫考完最后一门《量子场论》，开始跟从阿氏做研究生<8>，他的名字当然不会出现在朗道1961年底整理出的名单上。与郝柏林相似，也有一些苏联学生是在朗道出车祸前未及考完而由朗道亲密同事主持考完全部科目的，这中间就有莫斯科大学物理学教授扎依采夫 (Zaichev R. O.)，朗道出车祸前他考完了8门，最后一门由栗夫席兹主持通过。
图14 卓益忠(1932—2017)
图15 郝柏林(1934—2018)
朗道通过严格更低标准考试挑选出来的这些人，除个别人之外，构成了苏联理论物理学“朗道学派”的生力军12)，他们为苏联理论物理学在上世纪后半叶的几十年里称雄世界发挥了不可磨灭的作用。应当说，这是朗道对物理学的一大贡献。
注
1)朗道最初对教程的规划是5卷：(1)力学；(2)统计(物理)学；(3)电动力学；(4)量子力学；(5)宏观物理学。
2)教程中的《量子力学—非相对论性理论》之一版1948年出版，故1947年发布的此大纲未提及这一卷。
3)略去的这些章的内容为湍流、边界层、可压缩流体绕固体的流动、燃烧流体动力学、扩散及杆和板的平衡等专门性问题。
4)《连续介质电动力学》之一版于1957年出版，共含15章：即导体的静电学、电介质的静电学、稳恒电流、稳恒磁场、铁磁性、超导性、准静态电磁场、磁流体动力学、电磁波方程、电磁波的各向异性介质中的电磁波传播、快速粒子穿过物质、电磁涨落、电磁波的散射、晶体中的X射线衍射。
5)阿布利科索夫后来也参加主持了数学2和相对论量子力学的考试。朗道何时开始将自己一个人主持的考试改由自己和几位亲密同事分工主持，文献上说法不一。有意思的是，朗道的几个学生，如1947年通过考试的阿布里科索夫和1951年通过考试的卡岗均曾在他们的回忆录中宣称自己是“最后一个通过朗道主持的全部考试的人”，据格洛别兹考证，阿布里科索夫所说可能不确<3>。鲍里斯·约飞回忆，朗道把考试分工给自己亲密同事的时间大约是1954—1955年<4>。
6)据1961年参加考试的郝柏林同志回忆，除数学外，物理方面的考试科目为力学、场论、统计物理、非相对论量子力学、连续介质电动力学、物理动理学、连续介质力学(流体力学和弹性理论)、量子场论。比起1956年发布的大纲，多了一门物理动理学，因朗道—栗夫席兹教程的《物理动理学》一卷在朗道生前尚未出版，使用的参考书是古烈维奇1940年出版的《物理动理学基础》（Л. Э. Гуревич，Основы Физической Кинетики，Государственное Издательство Тхнико-Теоретической Литературы，Ленинград-Москва，1940）。
7)伊戈尔·德列敏(Igor’Dremin)博士1956年10月参加了朗道的更低标准考试，他在50天内考完了《数学1》，《力学》和《场论》三门考试，后因被列别捷夫物理研究所接收为研究生而没有继续考下去。他把朗道的考试题记在一个笔记本上，这个笔记本曾经差点被该所理论部发生的一场火灾烧毁。
8)朗道为何有这两条禁戒的一个可能的解释，是他想要看看考生在一般数学技巧上有无创造性。据他的学生回忆，朗道对自己求积分的能力很得意，如果在谁的论文中出现了一个新的困难积分，他总会自己独立地算一遍，而且每回都能成功算出。在早年的伽莫夫、伊万年科、朗道“三剑客”中，伊万年科以光会说不会算招人鄙视，伽莫夫虽然提出了原子核α衰变理论而扬名世界，但却因在文末感谢苏联著名力学家科钦(N. E. Kochin)的帮助不免遭人嘲笑，原因是当人们询问科钦对伽莫夫有何帮助时，科钦的回答是“我帮他算了一个带根号的积分”，唯有朗道的数学技巧纯熟备受赞扬。
9)表中之一列姓氏中的名字缩写是2008年请卡岗诺夫(M. I. Kaganov)补加的，朗道的原表只写了姓氏。第二列和第三列的符号是朗道原来给出的，第二列的两位数XX表示通过考试的年份(19XX)；第三列中的K和D分别表示1961年底前所取得的学位，K表示副博士，D表示科学博士。第四列xxxx/yyyy是当选通讯院士/院士的年份，这一列是郝柏林和刘寄星2008年共同核查后加上的。
10)按哈拉特尼科夫的文章，在苏联科学院为出国干部召开的大会上，苏共在苏联科学院的大总管托比切夫公布了浩加因诺夫的丑闻并宣布撤销其物理问题研究所党委书记职务，并声称：“出国出差期间背叛自己的妻子等同于背叛祖国！”。
11)Halatniknik这个俄文词的意思是“穿长袍的人”或“懒蛋”，是典型的俄文词。
12)属于朗道学派的著名理论物理学家金兹堡、泽尔多维奇、米格达尔、I. M. 栗夫席兹等人都没有参加过朗道的理论物理更低标准考试，因此不能以是否通过这个考试来判断一个人是否属于“朗道学派”。
参考文献
<1> Березанская Валентина Михайловна. Беседы о Ландау：Человек вне стереотипа. — М.：ЛЕНАНД，2016
<2> Ливанова А. Л.Д.Ландау. М.：Знание，1978
<3> Горобец Борис Соломонович. Круг Ландау：Физика войны и мира/Предисл. Б. А. Кушнера. —М.：Книжный дом《ЛИБРОКОМ》，2009. p152
<4> Иоффе Б . Л. Без ретуши . Портреты физиков на фоне эпохи. -М.: ФАЗИС，2004. p5
<5> Воспоминания о Л. Д. Ландау. Ответственный редактор академик И. М. Халатников，Москва，《Наука》，1988. p36
<6> 同<1>，p156—161
<7> 同<3>，p154
<8> 郝柏林. 物理，2008，37(9)：666
<9> Халатников И. М. Дау，Кентавр и другие. Top non-secret. M.：Физматлит，2007. p13—14 (此书有英译本：Khalatnikov I M. From the Atomic Bomb to the Landau Institute. Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2012)
<10> 刘寄星. 物理，2017，46(11)：764
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