生物物理學(xué)導(dǎo)論8課件

1、生物物理學(xué)導(dǎo)論81生物物理學(xué)導(dǎo)論-08第五章 生物能力學(xué)生物物理學(xué)導(dǎo)論825.1 生物的能量流 生物功： 生物功是被生命機(jī)體連續(xù)實(shí)現(xiàn)的活細(xì)胞或在其內(nèi)部或在其所處的環(huán)境中所做的功。 生物功的種類：肌肉收縮的機(jī)械功，傳遞電荷時(shí)的電功，物質(zhì)穿過半透膜傳輸時(shí)的滲透功，或者新物質(zhì)合成時(shí)的化學(xué)功。 生物循環(huán)：為了實(shí)現(xiàn)所有這些功，細(xì)胞必須通過一定的機(jī)構(gòu)使能量可以適當(dāng)?shù)姆绞阶儞Q(轉(zhuǎn)化)。一般說來，在恒溫下，大多數(shù)細(xì)胞只有在消耗能星亦即能量轉(zhuǎn)化為較為無用的形式時(shí)，方才可以獲得功的凈輸出。 活細(xì)胞具備復(fù)雜而又非常有效的器件, 用以達(dá)到這一目的。生物物理學(xué)導(dǎo)論83生物物理學(xué)導(dǎo)論84光合作用 對于生命，能量的主要來源

2、是太陽。 綠色植物、藻類和少數(shù)細(xì)菌能夠從太陽光攝取能量，并將其轉(zhuǎn)化為適于維持它們自身的生命和其余生命世界的形式。 使這一轉(zhuǎn)化發(fā)生的過程，稱為光合作用。 光合作用的產(chǎn)物大量的化學(xué)潛能(食物)則用于”逆”過程， 產(chǎn)生適合于做功的能量形式。生物物理學(xué)導(dǎo)論85光合作用過程 在光合作用中，一種專門的分子在所謂反應(yīng)中心內(nèi)的激發(fā)，導(dǎo)致一初級氧化還原反應(yīng)，還原反應(yīng)又啟動同一類型的反應(yīng)序列。這樣的最終結(jié)果是氫的給體h2a的氧化，伴隨著產(chǎn)生較強(qiáng)的還原劑h2x； 在光合細(xì)菌中，a可以是從硫到有機(jī)基團(tuán)的各種物質(zhì)。 在高等植物和藻類中，a總是氧，因而給體總是水。生物物理學(xué)導(dǎo)論86 還原劑隨后用于將二氧化碳還原為糖， 這

3、一反應(yīng)中無需光。因此，光合作用的整個(gè)反應(yīng)可以寫作生物物理學(xué)導(dǎo)論87 對于這些有機(jī)體，總反應(yīng)就變?yōu)?這是通常熟知的形式。這一方程左側(cè)的能量項(xiàng)(光)是被吸收光的電磁能，能量在方程右側(cè)就是物質(zhì)和的化學(xué)潛能。 方程左側(cè)的化合物水和二氧化碳比之右側(cè)的糖和氧更穩(wěn)定，因此，左側(cè)的總結(jié)合能比右側(cè)更低。 由于反應(yīng)是不可逆的，這一能量差的一部份必然丟失掉，其余部分作為糖和氧的化學(xué)潛能被貯存起來。生物物理學(xué)導(dǎo)論88呼吸 糖和氧的再化合可以導(dǎo)致貯存能量的釋放。 如果這一再化合是通過在試管中的燃燒來實(shí)現(xiàn)的，則所有能量都以熱的形式釋放。 一般的常溫下，在大多數(shù)有機(jī)體中，這樣的熱不能用來作功。 當(dāng)這一能量釋放是通過一平衡的

4、氧化還原反應(yīng)序列實(shí)現(xiàn)，就像在活細(xì)胞的線粒體中發(fā)生的那樣，則能量以逐步的方式放出，并以有可能在必要的時(shí)間和地方作功的形式被截獲(重又作為化學(xué)潛能)。生物物理學(xué)導(dǎo)論89水解反應(yīng) 能量捕獲的形式發(fā)生在化合物三磷酸腺苷(atp)中，它是在食物逐步氧化時(shí)產(chǎn)生的。水解反應(yīng) 伴隨能量的釋放。式中， 為二磷酸腺苷代表無機(jī)磷酸根。 當(dāng)反應(yīng)在有控制的條件下進(jìn)行時(shí)，這一能量可用來作功。生物能量循環(huán)的控制過程可以想像為開動一系列水車，驅(qū)動發(fā)電機(jī)恢蓄電池充電的過程。生物物理學(xué)導(dǎo)論810充電 放電 當(dāng)把光合作用比作“應(yīng)用電磁能”將“水”升至高水平的泵時(shí)，呼吸就可看作“水”的分步降落，驅(qū)動“水車”使“atp蓄電池”充電，然

5、后，這樣的蓄電池即可輸送到需要做功的地方，當(dāng)有適當(dāng)?shù)穆?lián)接時(shí)，它們又可以在做功時(shí)通過水解反應(yīng)“放電”。生物物理學(xué)導(dǎo)論811生物物理學(xué)導(dǎo)論812生物能力學(xué)最有挑戰(zhàn)性的問題 盡管釋放能量的氧化反應(yīng)與atp形成的偶聯(lián)，以及在執(zhí)行化學(xué)功、電功、滲透功或機(jī)械功時(shí)atp的水解，在熱力學(xué)上可以是很簡單的，但它們的分子機(jī)理(或其機(jī)制)卻遠(yuǎn)末明了。這構(gòu)成生物能力學(xué)當(dāng)前研究中一個(gè)最中心和最有挑戰(zhàn)性的問題，生物物理學(xué)導(dǎo)論8135.2 偶聯(lián)反應(yīng)中的三磷酸腺苷： 吡啶核苷酸 生命系統(tǒng)中普遍的能量攜帶者atp是一種核苷酸，它由一種堿基腺嘿吟組成，其嘌呤基通過糖苷鍵與d核糖分子相連，一連三個(gè)磷酸根聯(lián)在核糖的5位置上。如果去掉

6、末端的磷酸根，就變成二磷酸腺苷(adp)，當(dāng)僅帶一個(gè)磷酸根時(shí)，就是一磷酸腺苷(amp)。生物物理學(xué)導(dǎo)論814atp的特征 在完整細(xì)胞中，在ph7，atp分子有很高的荷電量，它的三個(gè)磷酸根都電離，因而分子有四個(gè)負(fù)電荷。分子可以很容易與像mg2+和ca2+這樣的二價(jià)正離子形成絡(luò)合物，結(jié)果使其活細(xì)胞只有很少的atp是以自由負(fù)離子存在，而大多數(shù)都是與mg結(jié)合的。這一特征可能與atp的專一性酶水解有些關(guān)系，通過這樣的酶水解使化學(xué)潛能轉(zhuǎn)化為功。生物物理學(xué)導(dǎo)論815生物物理學(xué)導(dǎo)論816水解的自由能 atp攜帶能量的功能并不與磷酸基的化學(xué)鍵相關(guān)聯(lián)，后者被不準(zhǔn)確地稱為“高能鍵”。這一功能是由于水解反應(yīng)產(chǎn)生很強(qiáng)的

7、負(fù)自由能 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下， 反應(yīng)平衡時(shí)的自由能約為-7千卡克分子。 反應(yīng)的平衡大大地偏向右端，因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)物由于它們的負(fù)電荷和新的雜化分子軌道的形成而很穩(wěn)定。 生物物理學(xué)導(dǎo)論817化合物的水解標(biāo)準(zhǔn)自由能 atp并非生物系統(tǒng)中具有這一特征的僅有的磷酸化合物，實(shí)際上，有許多其它磷酸化合物還有更多的(較多的是有更低的)水解標(biāo)準(zhǔn)自由能。 表51簡列了生物系統(tǒng)中一些化合物的水解標(biāo)準(zhǔn)自由能，從表中可見，atp實(shí)際上處于水解標(biāo)準(zhǔn)由能區(qū)間的中間，這對于通過具有共同中間體的偶聯(lián)反應(yīng)來傳遞能量的功能，是非常合適的。生物物理學(xué)導(dǎo)論818生物物理學(xué)導(dǎo)論819偶聯(lián)反應(yīng) 在偶聯(lián)反應(yīng)中，一個(gè)具有負(fù)自由能變化的反應(yīng)，可以用來“起

8、動”另一個(gè)具有正自由能變化的反應(yīng)。 例如，考慮反應(yīng) a p + q 反應(yīng)的自由能變化為aqpqpaqpaacccrtg/ln生物物理學(xué)導(dǎo)論820考慮反應(yīng)p + b r 反應(yīng)的自由能變化為 式中， 是適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)潛能，c代表濃度(更確切地說是活度)。bprrbprbpbcccrtg/ln生物物理學(xué)導(dǎo)論821 我們假定，ga是負(fù)的， gb是正的；當(dāng)p(它是兩個(gè)反應(yīng)共有的)的濃度非常低，因而給p一個(gè)很大的負(fù)值時(shí)，這種情況是真實(shí)的。 這一條件促使： (1) 反應(yīng) a p + q向右 (2) 反應(yīng) p + b r向左 直到所有反應(yīng)物的濃度達(dá)到使ga和gb都為0的值為止。 釋放的自由能將以熱的形式耗散，唯一

9、的結(jié)果將是溶液溫度的升高。生物物理學(xué)導(dǎo)論822 如果反應(yīng)a p + q形成的物質(zhì)p不允許進(jìn)入溶液，而是直接用于反應(yīng)p + b r以形成r，則這兩個(gè)反應(yīng)是偶聯(lián)的，且總自由能為ga和gb的代數(shù)和。 如果這一加和是負(fù)的，則總反應(yīng) a + b p + q 向右進(jìn)行，從而保證反應(yīng)a p + q的自由能變化用作有用功，在反應(yīng)p + b r中從b合成r。生物物理學(xué)導(dǎo)論823 許多這類偶聯(lián)反應(yīng)發(fā)生在生物系統(tǒng)中，而且atp被包含在大多數(shù)這樣的反應(yīng)里。把3-磷酸甘油醛的酶氧化期間釋放的能量貯存在atp中的反應(yīng)，就是一個(gè)實(shí)例。 這一反應(yīng)是糖酵解的一部份，細(xì)胞中的糖在這一過程里無氧分解。在這一反應(yīng)里，醛并不直接氧化成

10、羧酸，而是首先氧化(在磷酸根參加的情況下)成一叫做1，3二磷酸甘油酸的中間體。生物物理學(xué)導(dǎo)論824 如將醛寫作 其中p代表磷酸根，則反應(yīng)可以表示為 這一反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化約為 -7千卡克分子，但由于二磷酸甘油酸的濃度開始可以假定為很低，所以實(shí)際的自由能變化有一更大的負(fù)值。生物物理學(xué)導(dǎo)論825 反應(yīng)(5.11)通過二磷酸甘油酸與adp的磷酸化偶聯(lián)，并形成磷酸甘油酸和atp： 由于這一反應(yīng)有大約7千卡克分子的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化，因而它可以向右進(jìn)行，且兩個(gè)反應(yīng)的偶聯(lián)保證了使用磷酸甘油酸氧化的自由能變化來合成atp。從葡萄糖和果糖合成蔗糖是一個(gè)atp的水解過程，這一過程與合成反應(yīng)相偶聯(lián)。生物物理學(xué)導(dǎo)論8

11、26 這一反應(yīng)需要能量，其標(biāo)準(zhǔn)自由能為+5.5千卡克分子。 通過首先使葡萄糖磷酸化為葡糖-1-磷酸，然后再與果糖反應(yīng)形成蔗糖和無機(jī)磷酸鹽， atp提供這一能量。 由這些反應(yīng)清楚說明，atpadp偶聯(lián)起著能量和磷酸根“傳遞者”的作用。生物物理學(xué)導(dǎo)論827 反應(yīng)偶聯(lián)的分子機(jī)理還是很不了解的。在所有已經(jīng)知道的情況中，都需要酶，其中許多都被發(fā)現(xiàn)在膜中或膜上。包含在與atp的水解相偶聯(lián)的反應(yīng)中的酶，稱為atp酶。 膜中的na+-k+-atp 酶，它調(diào)節(jié)應(yīng)用atp的水解能使na+和k+正離子穿過膜的主動傳輸過程。 肌肉中的肌動球蛋白系統(tǒng)，它引起肌肉收縮。 膜中的na+-k+-atp 酶、肌肉中的肌動球蛋白

12、系統(tǒng)以及在特定條件下線粒體、葉綠體和細(xì)菌系統(tǒng)中的偶聯(lián)因子，都是這類酶的實(shí)例。生物物理學(xué)導(dǎo)論828吡啶核苷酸 atp的形成總是與具有較大負(fù)自由能變化的氧化反應(yīng)相偶聯(lián)。這些反應(yīng)一定是酶反應(yīng)，常常還需要輔酶存在。 兩種吡啶核苷酸菸胺腺嘌呤二核苷酸(nad)和磷酸菸胺腺嘌呤二核苷酸(nadp)，是最普通的輔酶。 這些輔助因素通過電子載體的作用調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)。 例如，在糖酵解中，磷酸甘油醛的氧化就是由nad調(diào)節(jié)的，而nad自身在這一過程里變成還原型。生物物理學(xué)導(dǎo)論829nad和na dp的結(jié)構(gòu) nad和na dp都是二核苷酸. 由通過兩個(gè)磷酸基聯(lián)在一起的兩個(gè)核糖(d-核糖)分子組成，腺嘌呤連在一個(gè)核糖

13、上(在na dp情況下這個(gè)核糖分子多含一個(gè)磷酸根)，另一個(gè)核糖聯(lián)著堿性菸胺腺。 氧化還原反應(yīng)發(fā)生在菸胺腺上，在氧化型中，菸胺腺環(huán)上的氮帶有正電荷，還原需要兩個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子，使電荷中和并在環(huán)上加一個(gè)氫。生物物理學(xué)導(dǎo)論830 磷酸甘油醛的氧化伴隨著nad+的還原，總反應(yīng)方程變?yōu)樯镂锢韺W(xué)導(dǎo)論831生物物理學(xué)導(dǎo)論832轉(zhuǎn)氫酶 兩種吡啶核苷酸有接近相同的結(jié)構(gòu)，并且都是氧化還原的調(diào)節(jié)物，但它們的生物學(xué)功能卻稍有不同。 一般說來，nadp用于還原性合成，而nad在能量代謝中更有用。 細(xì)胞有一種有效的機(jī)制，通過它可使nadph轉(zhuǎn)化為nadh，反之亦然。這是一種酶反應(yīng)。這種酶稱為轉(zhuǎn)氫酶。 在完整的線粒體中，

14、測量nadph和nadh的水平表明，在能量可供利用的情況下，nadph的水平超過nadh 。這暗示，在無須進(jìn)一步保存能量時(shí)，氫從nadph轉(zhuǎn)移到nadh，并可用于還原性合成。 細(xì)胞將具備協(xié)調(diào)合成過程和能量輸送過程的手段。生物物理學(xué)導(dǎo)論833光合作用 光合作用的結(jié)構(gòu) 光合作用是攝取太陽光能，用以維持生命的過程。 能夠?qū)崿F(xiàn)這一過程的有機(jī)體有植物、藻類(多細(xì)胞和根細(xì)胞藻)和某些種類的細(xì)菌。 在真核光合作用有機(jī)體(包括所有植物和大多數(shù)藻類)中，這一過程發(fā)生在一種叫做葉綠體的細(xì)胞器中。 光合作用器嵌在片層中，其少一些區(qū)域(基粒)致密堆積，另一些區(qū)域擴(kuò)展成基質(zhì)(基粒間的片層)。片層閉合成雙層膜，形成扁平的

15、密封小泡，稱為類囊體。生物物理學(xué)導(dǎo)論834生物物理學(xué)導(dǎo)論835載色體 原核光合作用生物(藍(lán)綠藻和光合作用細(xì)菌）的光合作用器也嵌在膜狀結(jié)構(gòu)中，在這些生物里，這種膜狀結(jié)構(gòu)延伸到整個(gè)細(xì)胞。在破碎細(xì)胞中，常?？梢园l(fā)現(xiàn)膜碎片，它們形成直徑從300至500埃的封閉微囊，這些微囊稱為載色體或裁色組分。生物物理學(xué)導(dǎo)論836生物物理學(xué)導(dǎo)論837光合作用單位 光合作用從光的吸收開始。 在所有發(fā)生光合作用生物中，被光合色素吸收的光引起色素聚合體的激發(fā)，激發(fā)能量轉(zhuǎn)移到所謂反應(yīng)中心(實(shí)際發(fā)生轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的地方)。 光合色素的聚合體連同反應(yīng)中心合在一起，稱為光合作用單位。 在高等植物中，一個(gè)光合作用單位的大小約為每個(gè)反應(yīng)

16、中心200至400個(gè)葉綠素分子；在光合細(xì)菌中，這一大小為每個(gè)反應(yīng)中心50個(gè)細(xì)菌葉綠素分子。生物物理學(xué)導(dǎo)論838葉綠素 在光合作用生物中發(fā)現(xiàn)的吸光色素是各種各樣的，其中最重要的是葉綠素，它是一組彼此差別不大的高度共扼結(jié)構(gòu)。這一共扼結(jié)構(gòu)是一封閉的四吡咯環(huán)，稱為卟啉。中間圍著一個(gè)鎂原子，一條稱為葉綠醇尾的長碳?xì)滏溸B在環(huán)iv上 葉綠素a在所有植物和藻類中發(fā)現(xiàn)的主要葉緣素； 在光合細(xì)菌中的主要葉綠素，稱為細(xì)菌葉綠素。生物物理學(xué)導(dǎo)論839生物物理學(xué)導(dǎo)論840生物物理學(xué)導(dǎo)論841輔助色素 大多數(shù)光合作用生物還含有所謂輔助色素。 綠色植物和綠藻有葉綠素b，紅藻和藍(lán)綠藻有藻膽色素(打開的四吡咯)。 所有光合作用

17、生物都有一種或多種類胡蘿卟素基因。 類胡蘿卟素基因是在兩側(cè)帶有芳香末端基團(tuán)的未飽和碳?xì)滏?。生物物理學(xué)導(dǎo)論842生物物理學(xué)導(dǎo)論843生物物理學(xué)導(dǎo)論844初級反應(yīng) 光合作用基本分為兩個(gè)階段， 第一階段是在有光的情況下產(chǎn)生一還原劑， 策二階段是在沒有光的情況下利用還原劑還原二氧化碳來合成糖。 光產(chǎn)生的還原劑是一種吡啶核苷酸，對較高等植物和藻類是nadph。 生物物理學(xué)導(dǎo)論845 光誘導(dǎo)的nadp+的還原被下列形式的所謂初級反應(yīng)起動 這些反應(yīng)在激發(fā)后的l0-8秒之內(nèi)，經(jīng)過天線包素(antenna pigment)聚合體，發(fā)生在反應(yīng)中心。因此，初級反應(yīng)相當(dāng)于極迅速地產(chǎn)生一初級氧化劑(p+)和一初級還原劑

18、(a-)。生物物理學(xué)導(dǎo)論846高等植物和藻類的光合作用 在高等植物和所有藻類(包括原核藍(lán)綠藻)中，對于導(dǎo)致nadph還原的氧化還原反應(yīng)的完整序列，需要兩個(gè)這樣的初級反應(yīng)。 光合系統(tǒng)i的初級反應(yīng) 光合系統(tǒng)ii的初級反應(yīng)生物物理學(xué)導(dǎo)論847生物物理學(xué)導(dǎo)論848 在圖中，垂直軸標(biāo)出了所合電子傳遞中間體的氧化還原電位(相對于在ph7的標(biāo)準(zhǔn)氫電極)，箭頭表示從一個(gè)中間狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)中間狀。從這張圖中可以看到，光系統(tǒng)ii的初級反應(yīng)，產(chǎn)生一能氧化水的強(qiáng)氧化劑z+和一較弱的還原劑q-。生物物理學(xué)導(dǎo)論849 光系統(tǒng)i 的另一初級反應(yīng)產(chǎn)生一強(qiáng)還原劑 x-，它通過一些諸如非血紅素鐵蛋白鐵氧還蛋白這樣的中間體和一種

19、稱為吡啶核苷酸還原酶的酶(一種黃索蛋白fp)，可以還原nadp+。生物物理學(xué)導(dǎo)論850 在這一初級反應(yīng)中附帶產(chǎn)生一較弱的氧化劑p 700+，然后通過一些如質(zhì)體醌pq、細(xì)胞色素c和一種銅蛋白質(zhì)體藍(lán)素(fd)這樣的中間體，光合系統(tǒng)ii的強(qiáng)還原劑q-與光合系統(tǒng)i的弱氧化劑p 700 +反應(yīng)，使氧化還原鏈閉合。生物物理學(xué)導(dǎo)論851 電子從q - 傳遞到 p 700+與atp的形成相偶聯(lián)，以這兩個(gè)反應(yīng)的氧化還原電位差為基礎(chǔ)，偶聯(lián)在熱力學(xué)上有利于每從q -到 p 700 +傳遞兩個(gè)電子就產(chǎn)生一分子atp。氧化還原電位在平橫狀態(tài)是確定的。 因此， 常在這一狀態(tài)下進(jìn)行測量生物物理學(xué)導(dǎo)論852 但從它引出結(jié)論要

20、謹(jǐn)慎。由于反應(yīng)可以在遠(yuǎn)離平衡處發(fā)生，所以實(shí)際上電位會是非常不同的。事實(shí)上，atp電子比的實(shí)際測量給出相互矛盾的結(jié)果。生物物理學(xué)導(dǎo)論853 nadp+的光還原并非從光系統(tǒng)i的初級反應(yīng)得到的僅有光反應(yīng)；電子還可從初級還原劑x_循環(huán)返回到主鏈，從而實(shí)現(xiàn)一循環(huán)的電子傳遞。這一循環(huán)的電于傳遞與atp的形成相偶聯(lián)，細(xì)胞色素b似乎是生物的中間體。生物物理學(xué)導(dǎo)論854生物物理學(xué)導(dǎo)論855細(xì)菌的光合作用 迄今似乎沒有足夠的證據(jù)表明在光合細(xì)菌中有多于一種類型的初級反應(yīng)，被初級反應(yīng)起動的電子傳遞，在這些生物中更為原始，但也比高等植物更為靈活。最可能的是，主電子傳遞鏈?zhǔn)茄h(huán)的，類似于高等植物中光系統(tǒng)i的循環(huán)電子傳遞系

21、統(tǒng)。在這一循環(huán)電子傳遞期間，atp或一些其它的“高能中間體”產(chǎn)生，然后可用以驅(qū)動偶聯(lián)反應(yīng)中與熱力學(xué)梯度相反的那些反應(yīng)。生物物理學(xué)導(dǎo)論856生物物理學(xué)導(dǎo)論857 光合細(xì)菌制劑可以通過琥珀酸性化nad+的還原，這是一個(gè)帶正自由能變化的反應(yīng)。對于發(fā)生在黑暗中的這樣一個(gè)反應(yīng)的能量，可以從偶聯(lián)的atp或焦磷酸的水解獲得。在體內(nèi)的生理?xiàng)l件下，最可能發(fā)生這樣的反應(yīng)，因而光合細(xì)菌中光反應(yīng)的主要任務(wù)將是以適當(dāng)?shù)男问教峁┠芰恐虚g體(atp或其它)。在生理?xiàng)l件下，不能排除存在其它光驅(qū)動的電子傳遞反應(yīng)。生物物理學(xué)導(dǎo)論858反應(yīng)中心 到目能為止，在植物、藻類和光合細(xì)菌中，參與原初反應(yīng)的大多數(shù)組分并不必然有同一性，只有植

22、物和藻類中允系統(tǒng)i的初級給體以及細(xì)菌系統(tǒng)初級給體的同一性是已知的，它們分別是在特定環(huán)境中的葉綠素b和細(xì)菌葉綠素a。 在植物和藻類的光系統(tǒng)i中，特殊的環(huán)境導(dǎo)致主要的紅吸收帶移到700毫微米附近，因此色素稱為p 700，它捕獲從天線色素轉(zhuǎn)化來的激發(fā)能，并由此變成激發(fā)態(tài)。 電荷的轉(zhuǎn)移則發(fā)生在非常短的時(shí)間里(10-10秒)，繼而色素變?yōu)檠趸模?00毫微米處的吸收帶消失，吸收光譜中的這一變化可以不難測定。生物物理學(xué)導(dǎo)論859生物物理學(xué)導(dǎo)論860 亮-暗差值光譜是樣品在光照下測得的光譜與保持在黑暗中測得的光譜之差，它與菠菜葉綠體制劑的氧化一還原差值光譜相同，p 700的白化明顯可見。 光合細(xì)菌中的初

23、級給體也是一種捕獲激發(fā)能量的色素，當(dāng)它通過光或化學(xué)途徑氧化時(shí)，經(jīng)受光譜變化；它的一個(gè)吸收極大值是在波長835890毫微米之間，確切位置依種屬而定，因而其名稱也隨之變化為p 840(綠菌)， p 870 和 p 880 球形紅色單胞菌(rhodopseudomonas spheroides 和 rhodopirllum rubrum), p 890 (著色菌屬 chromatium)生物物理學(xué)導(dǎo)論861 紫菌（rhodopirllum rubrum）制劑在紅外區(qū)的亮-暗差值光譜。 制劑的氧化型和還原型的光譜也以同樣的波長比例示于圖中。 光引起氧化，這在光譜中不僅使其870毫微米附近白化，而且使8

24、00毫微米附近的吸收帶向光譜藍(lán)區(qū)移動。這一特征證明了這樣的事實(shí)：細(xì)菌葉綠素a在反應(yīng)中心是以稍為復(fù)雜的形式組織的。生物物理學(xué)導(dǎo)論862生物物理學(xué)導(dǎo)論863 無論是初級給體還是初級受體，在高等植物和藻類的光系統(tǒng) ii 的反應(yīng)中心，都不能確切知道；電荷轉(zhuǎn)移(從初級給體到初級受體)的機(jī)制，部分也仍然是一“黑箱”反應(yīng)。 從被葉綠體和藻類閃光誘導(dǎo)的氧的動力學(xué)演比實(shí)驗(yàn)可以斷定，光系統(tǒng) ii 的初級給體在可以與水反應(yīng)給出一個(gè)氧分子之前，積累了四個(gè)正電荷(通過送給初級受體四個(gè)電子)。在這一過程里，錳似乎是一基本的因素。生物物理學(xué)導(dǎo)論864葉綠索熒光產(chǎn)率變化 激發(fā)能從天線色素向反應(yīng)中心的轉(zhuǎn)移，可以通過觀察發(fā)生在轉(zhuǎn)

25、移期間的天線色素的熒光產(chǎn)率的變化來跟蹤。 當(dāng)一反應(yīng)中心被從天線色素聚合體轉(zhuǎn)移來的激發(fā)能激發(fā)時(shí)(通常隨之發(fā)生化學(xué)變化，如初級給體的氧化和初級受體的還原)，隨后來的激發(fā)量子就不可接近反應(yīng)中心，直到反應(yīng)中心的始態(tài)(基態(tài))恢復(fù)為止。生物物理學(xué)導(dǎo)論865 在高強(qiáng)度，當(dāng)許多反應(yīng)中心同時(shí)被激發(fā)時(shí)，熒光產(chǎn)率f 必然高； 在低光強(qiáng)，當(dāng)許多反應(yīng)中心對激發(fā)仍然“開放”時(shí)，熒光產(chǎn)率f必然低。ki可以看作能量轉(zhuǎn)移最終到反應(yīng)中心的速率常數(shù)。 天線色素?zé)晒猱a(chǎn)率的變化可以給出關(guān)于反應(yīng)中心中氧化還原進(jìn)程的信息。 高等植物和藻類中光系統(tǒng)ii的色素聚合體的葉綠素a，就是這種情況。 盡管光系統(tǒng)ii反應(yīng)中心里電的氧化還原反應(yīng)不能直接跟

26、蹤，但葉綠素“熒光產(chǎn)率變化的動力學(xué)反映了那些氧化還原反應(yīng)。生物物理學(xué)導(dǎo)論866 在由葉綠素a組成的光系統(tǒng)i的天線色素聚合體中，沒有發(fā)熒光的色素，在這一系統(tǒng)里，我們只能跟蹤光誘導(dǎo)的 p 700的吸光率變化，這反映它的氧化。 在光合作用細(xì)菌中，反應(yīng)中心的氧化還原反應(yīng)，可以通過視察由于反應(yīng)中心的氧化產(chǎn)生的光譜變化來直接跟蹤，也可通過考察天線細(xì)菌葉綠素a的熒光產(chǎn)率變化來間接跟蹤。這樣可以建立吸光率變化與熒光產(chǎn)率變化之間的關(guān)系。對在不同激發(fā)光強(qiáng)水平的穩(wěn)態(tài)情況是如此。生物物理學(xué)導(dǎo)論867 如果假設(shè)解激過程的速率常數(shù)是一級的，反應(yīng)中心的能量捕獲速率是與“開放”反應(yīng)中心的濃度cp成比例的，則從式 可以得到 式

27、中，k0, ki, kl,分別是熒光、輻射躍遷和能量捕獲的速率常數(shù)，cp是開放陷阱的濃度。iifkkk001plifckkkk00生物物理學(xué)導(dǎo)論868 開放陷阱的濃度cp與吸收變化a相關(guān) 式中，k1和k2是與在還原型和氧化型里反應(yīng)中心細(xì)菌葉綠素的速率常數(shù)和克分子吸收系數(shù)有關(guān)的常數(shù)?，F(xiàn)在很容易證明，熒光產(chǎn)率的倒數(shù)是與吸收變化線性相關(guān)的： 式中和是從常數(shù)k1和k2導(dǎo)出的常數(shù)。pckka21af1生物物理學(xué)導(dǎo)論869 對在各種光強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)，實(shí)驗(yàn)證明這一線性關(guān)系是正確的，圖513示出了一個(gè)這種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。 光合作用中的許多生物物理研究都應(yīng)用這一技術(shù)。正如我們指出的，這是基于下述事實(shí)：只要后者是從熒光態(tài)開始，而不管化學(xué)是否可被測量。生物物理學(xué)導(dǎo)論870生物物理學(xué)導(dǎo)論871光合磷酸化和碳固定 在光合作