超快光譜在生物學(xué)中應(yīng)用

1生命科學(xué)中的物理問題

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生物體內(nèi)的超快現(xiàn)象張蕾中山大學(xué)理工學(xué)院

提綱1.光物理簡介4.植物對(duì)光的感受6.超快過程控制25.人眼對(duì)光的感受3.超快過程測量2.光化學(xué)簡介7.我們的工作超快光譜自旋電子學(xué)12生物醫(yī)學(xué)3分子激發(fā)態(tài)456光化學(xué)反應(yīng)光催化過程能量及電荷傳輸過程7納米材料表征8蛋白質(zhì)折疊光合作用原初過程人工光伏發(fā)光器件31999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授給了埃及出生的科學(xué)家AhmedH.Zewail提綱1.光物理簡介4.植物對(duì)光的感受6.超快過程控制45.人眼對(duì)光的感受3.超快過程測量2.光化學(xué)簡介5

根據(jù)量子力學(xué)原理，分子的能量是量子化的。其中能量最低的量子態(tài)稱為基態(tài)groundstate。其它的量子態(tài)稱為激發(fā)態(tài)excitedstate。當(dāng)分子與光或其它分子的相互作用滿足某種特定條件時(shí)，分子會(huì)在這些量子態(tài)之間發(fā)生躍遷。分子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷稱為激發(fā)excitation。

分子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷稱為弛豫relaxation。光物理?分子的激發(fā)與弛豫

光與生物化學(xué)分子的相互作用與分子的這種量子態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。1.光物理簡介6

分子是由多原子組成的。分子的量子態(tài)包含電子量子態(tài)與核運(yùn)動(dòng)量子態(tài)。核運(yùn)動(dòng)量子態(tài)包含振動(dòng)態(tài)、轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)、平動(dòng)態(tài)三種形式。通常，由于相鄰的平動(dòng)量子態(tài)的能級(jí)間隔非常小，可以認(rèn)為分子的平動(dòng)能量是連續(xù)分布的。1.光物理簡介7分子的電子能級(jí)激發(fā)弛豫基態(tài)第一激發(fā)態(tài)第二激發(fā)態(tài)能量光子的能量

當(dāng)入射光子的能量等于某一激發(fā)態(tài)到基態(tài)的能級(jí)差時(shí)，分子就會(huì)吸收光子而激發(fā)。弛豫的過程有多種途徑，包括發(fā)射光子和與周圍交換熱量等。（愛因斯坦關(guān)系）氫分子：氫原子：葉綠素a：分子的電子量子態(tài)1.光物理簡介8rE電子基態(tài)電子第一激發(fā)態(tài)振動(dòng)基態(tài)

對(duì)于分子，其每一個(gè)電子能級(jí)的大小還與原子核間的距離r有關(guān)。使電子態(tài)能量達(dá)到最小值的核間距稱為平衡核間距。平衡核間距定義了化學(xué)鍵的鍵長。分子的電子量子態(tài)1.光物理簡介9振動(dòng)基態(tài)分子的振動(dòng)能級(jí)電子基態(tài)電子第一激發(fā)態(tài)振動(dòng)第一激發(fā)態(tài)rE電子基態(tài)電子第一激發(fā)態(tài)振動(dòng)基態(tài)電子第二激發(fā)態(tài)根據(jù)量子理論，分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)也是量子化的。分子的總的量子態(tài)能級(jí)是三套能級(jí)的疊加。三種運(yùn)動(dòng)能級(jí)差如下表所示：分子轉(zhuǎn)動(dòng)分子振動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)10-4

—0.0510-4

—0.050.05

—11

—20104

—2525

—11

—0.11

—400400

—104104

—105表4-1三種運(yùn)動(dòng)的能級(jí)差、波數(shù)、波長范圍及光譜名稱遠(yuǎn)紅外光譜或微波譜紅外光譜紫外及可見光譜光譜名稱分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)量子態(tài)1.光物理簡介10振動(dòng)基態(tài)電子基態(tài)電子第一激發(fā)態(tài)振動(dòng)基態(tài)單態(tài)基態(tài)單態(tài)激發(fā)態(tài)三重態(tài)T系間交叉磷光熒光系間竄越激發(fā)弛豫單態(tài)：分子中的配對(duì)電子，自旋反向，總自旋為零。三重態(tài)：分子中配對(duì)電子之一自旋反向，使兩電子自旋平行，總自旋為一。光子吸收非輻射共振能量轉(zhuǎn)移內(nèi)轉(zhuǎn)換發(fā)熒光發(fā)磷光非輻射共振能量轉(zhuǎn)移激發(fā)與弛豫的各種途徑1.光物理簡介11在電子能級(jí)躍遷過程中，電子的狀態(tài)雖然有所改變，但是，分子中原子核的變化來不及在如此短暫的時(shí)間內(nèi)跟上，所以可以認(rèn)為此過程中核間距是保持不變的，表現(xiàn)在勢能曲線圖上就是垂直躍遷。該原理稱為富蘭克—康頓（Frank-Condon）原理。Frank-Condon原理1.光物理簡介12Stokesshift光物理簡介提綱1.光物理簡介4.植物對(duì)光的感受6.超快過程控制135.人眼對(duì)光的感受3.超快過程測量2.光化學(xué)簡介7.我們的工作14分子內(nèi)和分子間的電子傳遞是化學(xué)學(xué)科的一個(gè)基本問題，同時(shí)在物理、生命科學(xué)以及材料科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域都有著重要意義。在現(xiàn)有的電子傳遞理論中，最經(jīng)典的是Marcus電子傳遞理論，這是由美國化學(xué)家Marcus在1956年提出的。電子轉(zhuǎn)移過程2.光化學(xué)簡介R.A.Marcus1992年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者.15Marcus理論表明，在一個(gè)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)過程中，電子轉(zhuǎn)移前和電子轉(zhuǎn)移后物質(zhì)的狀態(tài)可以用以反應(yīng)坐標(biāo)作為橫坐標(biāo)的勢能面表示。

電子轉(zhuǎn)移前的狀態(tài)包括反應(yīng)物和周圍的化學(xué)環(huán)境。電子轉(zhuǎn)移后的狀態(tài)包括生成物和周圍的化學(xué)環(huán)境。

這種只考慮電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)物和生成物兩種狀態(tài)的模型也叫做雙態(tài)模型。2.光化學(xué)簡介16光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移是基于Frank-Condon原理，電子轉(zhuǎn)移比分子核振動(dòng)要快。當(dāng)分子受到光照時(shí)，在分子核振動(dòng)發(fā)生改變之前電荷已經(jīng)在A和D之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，從反應(yīng)物的A+和D轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物的A和D+。但是兩個(gè)氧化還原中心以及其周圍的溶劑排布尚未發(fā)生改變，仍保持反應(yīng)物的狀態(tài)。電荷轉(zhuǎn)移已經(jīng)完成之后再發(fā)生重組，將分子的鍵長鍵角以及周圍溶劑的排布朝向調(diào)整為生成物的狀態(tài)。什么是重排能λ內(nèi)重組能λin

和外重組能λout。2.光化學(xué)簡介17什么是驅(qū)動(dòng)力

ΔG0(drivingforce)

活化能ΔG*(activationenergy)2.光化學(xué)簡介18Marcus電子轉(zhuǎn)移理論反轉(zhuǎn)區(qū)2.光化學(xué)簡介提綱1.光物理簡介4.植物對(duì)光的感受6.超快過程控制195.人眼對(duì)光的感受3.超快過程測量2.光化學(xué)簡介7.我們的工作百納秒至微秒時(shí)間尺度暗過程納秒激光光解系統(tǒng)203.超快過程測量21飛秒時(shí)間分辨瞬態(tài)吸收光譜光路3.超快過程測量223.超快過程測量提綱1.光物理簡介4.植物對(duì)光的感受6.超快過程控制235.人眼對(duì)光的感受3.超快過程測量2.光化學(xué)簡介3.超快過程測量7.我們的工作24

光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)，是目前所發(fā)現(xiàn)的最高效的光能轉(zhuǎn)換過程。

光合作用是光合生物通過利用光能，將CO2和一些小分子化合物，如H2O和H2S等，合稱為有機(jī)化合物的過程。4.植物對(duì)光的利用4.植物對(duì)光的利用25

早在大約25億年前，在古老的地球，細(xì)菌便開始進(jìn)行最初的“光合作用”，那時(shí)的地球上沒有氧氣，所以絕大部分光合細(xì)菌都是厭氧性細(xì)菌.

隨著地球上氧氣逐漸增多，逐漸進(jìn)化出比較高級(jí)的真核光合生物，其中包括綠色植物和藻類，而光合細(xì)菌作為厭氧性生物的“遺孤”，竟也神奇地活了下來，只是現(xiàn)在他們?yōu)榱硕惚苎鯕?，藏身于地底、湖底，江河底和海底的污泥中?.植物對(duì)光的利用26

因此，現(xiàn)在的光合作用被分成兩類：

1.相對(duì)簡單的原核生物—細(xì)菌的光合作用，它只有一種光合系統(tǒng)；

2.高等生物的光合作用，比較復(fù)雜，它們的光合作用中包括兩個(gè)光合系統(tǒng)，即：光系統(tǒng)I(PhotosynthesisI,縮寫為PSI)和光系統(tǒng)II(PhotosynthesisII,縮寫為PSII）4.植物對(duì)光的利用2728我們能吃上飯吃上菜，吃上肉，直接或間接的全靠它了。4.植物對(duì)光的利用29電子傳遞鏈，由各種蛋白復(fù)合物組成。4.植物對(duì)光的利用30H+在腔內(nèi)e-去了腔外4.植物對(duì)光的利用314.植物對(duì)光的利用32

光系統(tǒng)吸收光能產(chǎn)生高能電子；高能電子沿電子傳遞鏈逐步釋放能量，產(chǎn)生氧氣和質(zhì)子跨膜電勢；最后由質(zhì)子跨膜電勢推動(dòng)ATP合成酶（即旋轉(zhuǎn)馬達(dá)）產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)以及一系列構(gòu)象變化，實(shí)現(xiàn)ATP的合成。4.植物對(duì)光的利用33光系統(tǒng)II光系統(tǒng)I細(xì)胞色素b/f復(fù)合物ATP合酶復(fù)合物4.植物對(duì)光的利用341.首先太陽光被光合天線（包括外周天線和內(nèi)核天線）俘獲，傳遞給反應(yīng)中心.2.在反應(yīng)中心實(shí)現(xiàn)原初電荷分離，得到一個(gè)強(qiáng)氧化劑和一個(gè)強(qiáng)還原劑.3.其中強(qiáng)氧化劑將H2O氧化成e-和H+,并釋放出O2,而強(qiáng)還原劑則參與其后的電子傳遞的氧化還原反應(yīng)。4.最終能量以能被細(xì)胞所利用的形式儲(chǔ)存起來，從而完成光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。4.植物對(duì)光的利用35

光合作用兩大特點(diǎn)：1.效率高；2.速度快。前者激勵(lì)著人們撥開重重迷霧。而后者卻給這一過程設(shè)置了在過去看來幾乎難以跨越的障礙。

上世紀(jì)80年代中期飛秒激光器的誕生以及其后多種飛秒測量技術(shù)的發(fā)展，使研究這一的超快能量傳遞和電荷轉(zhuǎn)移過程稱為可能。目前超快手段的研究已經(jīng)遍及高等植物、菌類和藻類等有機(jī)生物體的捕光天線系統(tǒng)和反應(yīng)中心。4.植物對(duì)光的利用36

由于細(xì)菌只有一個(gè)反應(yīng)中心，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。而且其天線復(fù)合物和反應(yīng)中心的晶體結(jié)構(gòu)確定的比較早，因此細(xì)菌光合復(fù)合體成為人們研究人士光合作用超快光物理和光化學(xué)過程的切入點(diǎn)。1.光合細(xì)菌的光合作用單元

外周天線蛋白復(fù)合體LH2（PeripheralantennacomplexorLight-harvestingcomplex2)

內(nèi)核天線蛋白復(fù)合體LH1(CoreAntennaorLight-harvestingcomplex1(LH1)

反應(yīng)中心（ReactionCenter,RC）4.植物對(duì)光的利用374.植物對(duì)光的利用38能量傳遞：LH2→LH1→RC

然后原初電荷分離在RC發(fā)生，在經(jīng)過一系列電子傳遞和質(zhì)子傳遞，植物便把光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能。4.植物對(duì)光的利用391995年，RichardCogdell等人成功得到紅假單胞菌Rps.acidophila分辨率為2.539?的X-射線晶體結(jié)構(gòu)，極大地促進(jìn)了有關(guān)光合作用原初過程中能量傳遞機(jī)理的研究。他們揭示：LH2是由9個(gè)α-脫輔基和β-脫輔基蛋白跨膜螺旋構(gòu)成的雙層空心柱面體結(jié)構(gòu)。α-脫輔基蛋白跨膜螺旋,3.6nmβ-脫輔基蛋白跨膜螺旋，6.8nm4.植物對(duì)光的利用4018個(gè)BChla分子構(gòu)成B850環(huán)，紅色。9個(gè)BChla分子構(gòu)成B800環(huán)，綠色9個(gè)胡蘿卜素分子carotenoid，黃色B850B800carotenoid4.植物對(duì)光的利用41葉綠素BChla4.植物對(duì)光的利用42LH1內(nèi)徑6.8nm，外徑11.6nm，也是由αβ跨膜螺旋構(gòu)成其骨架。32個(gè)BChl分子構(gòu)成LH1環(huán)。RC到LH1大約4.5nm，安排這么遠(yuǎn)的距離是否有什么生理意義呢？4.植物對(duì)光的利用43BChl二聚體，原初電子供體輔助細(xì)菌葉綠素細(xì)菌脫鎂葉綠素泛醌類胡蘿卜素4.植物對(duì)光的利用44BChl二聚體，原初電子供體輔助細(xì)菌葉綠素細(xì)菌脫鎂葉綠素泛醌4.植物對(duì)光的利用45

單向性問題：RC結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱，暗示著B支具有一些不為人知的功能。Woodbury小組發(fā)現(xiàn)用紅光激發(fā)，電子只沿A支傳遞，而藍(lán)光激發(fā)可以沿B支傳遞，低溫下，電荷分離狀態(tài)壽命可以穩(wěn)定在1ns，室溫下在15ps內(nèi)衰減，他們認(rèn)為B支可能具有光保護(hù)的功能。Biochemistry2001,40,13767

他們還在一個(gè)突變體上發(fā)現(xiàn)pH7.2時(shí)電荷主要沿A支傳遞，而pH9.5時(shí)電荷主要沿B支傳遞，野生種是否也存在著這種pH控制呢?J.Phys.Chem.B,Vol.2004，108，4-74.植物對(duì)光的利用464.植物對(duì)光的利用47類胡蘿卜素的天線功能和光保護(hù)功能

類胡蘿卜素是普遍存在于植物葉綠體、有色體中的一類黃色或橙紅色的色素，其基本分子骨架是一條共軛多烯鏈。

類胡蘿卜素的光譜吸收范圍位于380-550nm，可以吸收葉綠素所無法吸收的藍(lán)綠波段的太陽光，在把能量傳遞給葉綠素。4.植物對(duì)光的利用48

另外類胡蘿卜素還具有光保護(hù)功能。在細(xì)菌或高等植物受到強(qiáng)光照射時(shí)（或電荷傳遞鏈被認(rèn)為的切斷），就會(huì)導(dǎo)致部分電荷沒有沿著電子傳遞鏈進(jìn)行正向傳遞。

其結(jié)果形成三重態(tài)的Chl分子（ChlT),ChlT又與基態(tài)氧反應(yīng)生成單線態(tài)氧1O2，而后者是有害的，類胡蘿卜素可以淬滅ChlT和1O2，并將其能量通過三重激發(fā)態(tài)（CarT)弛豫到基態(tài)，起到光保護(hù)的作用。類胡蘿卜素這一特殊的功能也被稱為“三線態(tài)閥門”。4.植物對(duì)光的利用49ChlTCarT熱弛豫4.植物對(duì)光的利用50光合模擬：

光合作用體系高效利用光能的分子機(jī)制及其完善的光保護(hù)機(jī)制可作為科學(xué)依據(jù)指導(dǎo)人工模擬光合作用體系的設(shè)計(jì)與調(diào)控，人們研發(fā)合成了很多卟啉及其類似物復(fù)合物用來進(jìn)行人工光合模擬的工作。4.植物對(duì)光的利用51

美國亞利桑那大學(xué)光合反應(yīng)研究中心的Moore等合成了由共價(jià)鍵鏈接的給體-受體三元分子體系。20K條件下研究光激發(fā)后的時(shí)間分辨順磁共振譜。發(fā)現(xiàn)：光激發(fā)卟啉生色團(tuán)時(shí)，形成單線態(tài)C-1P-C60,進(jìn)而形成電荷分離態(tài)C-P·+-C60·-,最終形成C·+-P-C60·-,該電荷分離終態(tài)以1.2微秒的時(shí)間常數(shù)衰減，形成三重態(tài)類胡蘿卜素，該系統(tǒng)成功模擬了原初電荷分離與復(fù)合過程。J.Am.Chem.Soc.1998,120,4398-4405.4.植物對(duì)光的利用52光解水制氫：1972年，日本科學(xué)家A.Fujishima和K.Honda首次采用光電化學(xué)法利用TiO2吸收太陽能把水分解為氫氣和氧氣，提出光解水制氫的概念，從而吸引了眾多研究者開展廣泛而深入的研究。4.植物對(duì)光的利用53光分解水制氫的本質(zhì)是半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。當(dāng)入射光的能量大于半導(dǎo)體的能帶時(shí)，光能被吸收，價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子和空穴。電子和空穴移到材料表面，與水發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生氧氣和氫氣。4.植物對(duì)光的利用54中山大學(xué)化工學(xué)院蘇成勇教授石建英副教授光催化制氫體系機(jī)理的研究。表征從釕到產(chǎn)氫中心鈀的電子轉(zhuǎn)移。4.植物對(duì)光的利用提綱1.光物理簡介4.植物對(duì)光的感受6.超快過程控制555.人眼對(duì)光的感受3.超快過程測量2.光化學(xué)簡介5.人眼對(duì)光的感受7.我們的工作56視黃醛（retinal）是一種多烯化合物，11-順式異構(gòu)體具有光活性的。在有機(jī)體內(nèi)，視黃醛與視蛋白結(jié)合在一起，被稱為視紫紅質(zhì)(rhodopsin)

，光照可使11-順視黃醛轉(zhuǎn)變?yōu)槿葱鸵朁S醛，引起視紫紅質(zhì)分解，產(chǎn)生視覺。RetinalandRhodopsin5.人眼對(duì)光的感受57Whenlightbringsaboutaphotoreactioninthechromophore,theshapeoftheproteinmoleculeisalteredconsiderable,andSchiffbasethatconnectedthe11-cis-retinaltotheproteinisbroken,leavingfreeall-trans-retinalinthechromophore.Atthispoint,themoleculeisbleached;ithasnoabsorptioninthevisiblespectrum.Inresponse,thesizeischangedbyabout5Angstroms.5.人眼對(duì)光的感受58到底視覺形成在最開始發(fā)生了什么？在非?；璋档那闆r下(單光子條件即可），有中間體bathotorhodopsin生成；強(qiáng)光條件激發(fā)，則形成另一種中間hypsohodopsin45ps5.人眼對(duì)光的感受提綱1.光物理簡介4.植物對(duì)光的感受6.超快過程控制595.人眼對(duì)光的感受3.超快過程測量2.光化學(xué)簡介7.我們的工作60

反饋優(yōu)化相干控制法和遺傳控制法來優(yōu)化光合天線色素復(fù)合體LH2能量轉(zhuǎn)移的路徑，控制LH2的分子內(nèi)與分子間能量轉(zhuǎn)移的分支比。Nature2002,417,533-535量子相干控制化學(xué)反應(yīng)實(shí)例16.超快過程控制616.超快過程控制626.超快過程控制63Nature2002,417,533-535

多次迭代后，LH2的分子內(nèi)與分子間能量轉(zhuǎn)移的分支比顯著增加。量子相干控制化學(xué)反應(yīng)實(shí)例26.超快過程控制64

用pumpandshaped-dump飛秒脈沖控制視紫紅質(zhì)菌(bacteriorhodopsin)中的視黃醛分子(retinal)發(fā)生的光致異構(gòu)化反應(yīng)Chem.Phys.Lett.433(2006)211–215量子相干控制化學(xué)反應(yīng)實(shí)例2retinal6.超快過程控制65背景：2009年，

ZeevGross小組發(fā)現(xiàn)新型光敏劑

咔咯選擇性富集效果好，

光照下可以殺死乳腺癌細(xì)胞。結(jié)果發(fā)表于PNAS。探索作用的機(jī)理此外仍需要進(jìn)一步增加它的光毒性?，F(xiàn)有的光敏劑選擇性富集效果差，與腫瘤同歸于盡。問題：7.我們的工作66

直接觀測到非常微弱,極難測量的咔