理學(xué)類(lèi)生物物理學(xué)

理學(xué)類(lèi)生物物理學(xué)1河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)

第一頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.1

光生物物理簡(jiǎn)介4.2分子的激發(fā)與馳豫4.3光合作用4.4熒光及其應(yīng)用第4章

光生物物理2*第二頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.1

光生物物理簡(jiǎn)介可見(jiàn)光（電磁波）能量：1.55~3.26eV波長(zhǎng)：380~800nm頻率：3.7×1014~7.9×1014HzATP——腺苷三磷酸(Adenosinetriphosphate)光——生命的能量起源光——一定能量、波長(zhǎng)、頻率范圍內(nèi)的電磁波生命——能夠復(fù)制自己的能量轉(zhuǎn)換器生命在于運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)需要機(jī)械能。光能機(jī)械能生命？光能化學(xué)能（ATP）機(jī)械能綠色植物、藻類(lèi)、光合細(xì)菌分子馬達(dá)光合系統(tǒng)、ATP合成酶機(jī)體中能夠吸收光的分子或分子體系叫做生色團(tuán)或光感受體，如植物的葉綠體中的葉綠素分子，蛋白質(zhì)中的色氨酸和酪氨酸等等。3*第三頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一光生物物理研究什么？這些過(guò)程包括生物分子吸收光到激發(fā)態(tài)的躍遷（10-15s），振動(dòng)弛豫（10-12s）,發(fā)熒光（10-10~10-8s），發(fā)磷光（10-3s），以及光生電子、質(zhì)子的轉(zhuǎn)移等等。光生物物理學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容：在了解光感受體的分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用有關(guān)光與物質(zhì)分子相互作用的物理學(xué)知識(shí)，找出這些生物分子的各種光激發(fā)和馳豫過(guò)程的機(jī)理和規(guī)律。光生物物理學(xué)是研究光對(duì)機(jī)體作用的光物理和原初光化學(xué)過(guò)程的科學(xué)。4*第四頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一個(gè)例子：葉綠體葉綠體植物細(xì)胞蔗糖光合作用：光合細(xì)胞捕獲光能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過(guò)程。5*第五頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一第二個(gè)例子：綠色熒光蛋白（GFP）綠色熒光蛋白(GFP，蛋白質(zhì)編號(hào)1gfl）是在一種水母體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的。這種蛋白質(zhì)從陽(yáng)光中吸收紫外光，然后以能量較低的綠光形式（2.44eV）發(fā)射出來(lái)。GFP控制光的部位是其自身的一部分，僅由氨基酸構(gòu)建而成，該部位含有一段三個(gè)氨基酸組成的特殊序列：絲氨酸－酪氨酸－甘氨酸（有時(shí)絲氨酸會(huì)被相似的蘇氨酸取代）。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)鏈折疊時(shí)，這段短片段就被深埋在蛋白質(zhì)內(nèi)部，然后，發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)：甘氨酸與絲氨酸之間形成化學(xué)鍵，生成一個(gè)新的閉合環(huán)，隨后這個(gè)環(huán)會(huì)自動(dòng)脫水。最終，經(jīng)過(guò)大約一個(gè)小時(shí)的反應(yīng)，周?chē)h(huán)境中的的氧氣攻擊酪氨酸的一個(gè)化學(xué)鍵，形成一個(gè)新的雙鍵并合成熒光發(fā)色團(tuán)。下村修、馬丁·查爾菲和錢(qián)永健因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)和改造綠色熒光蛋白分獲2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；錢(qián)永健為錢(qián)學(xué)森的堂侄。F.Yang,L.G.Moss,G.N.PhillipsJr.,Nat.Biotechnol.1996(1gfl)綠色熒光蛋白6*第六頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一光生物物理研究需要哪些知識(shí)？生物學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)量子物理光生物物理學(xué)是一門(mén)真正的交叉科學(xué)！生物化學(xué)7*第七頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.2分子的激發(fā)與馳豫根據(jù)量子力學(xué)原理，分子的存在狀態(tài)是量子化的。在這些量子態(tài)中分子的能量只能取一些量子化的離散值，其中能量最低的量子態(tài)稱(chēng)為基態(tài)，其它的量子態(tài)稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。當(dāng)分子與光或其它分子的相互作用滿(mǎn)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(chēng)為激發(fā)，分子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷稱(chēng)為馳豫。光與生物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)。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。8*第八頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.2.1分子的電子量子態(tài)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rE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(chēng)為平衡核間距。平衡核間距定義了化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)。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)。馳豫的過(guò)程有多種途徑，包括發(fā)射光子和與周?chē)粨Q熱量等。（愛(ài)因斯坦關(guān)系）氫分子：氫原子：葉綠素a：9*第九頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.2.2分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)量子態(tài)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(zhǎng)范圍及光譜名稱(chēng)遠(yuǎn)紅外光譜或微波譜紅外光譜紫外及可見(jiàn)光譜光譜名稱(chēng)10*第十頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.2.3激發(fā)與馳豫的各種途徑振動(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交叉激發(fā)馳豫單態(tài)：分子中的配對(duì)電子，自旋三重態(tài)：分子中配對(duì)電子之一自旋反向，總自旋為零。反向，使兩電子自旋平行，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)移總自旋為一。11*第十一頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.3光合作用光合細(xì)胞捕獲光能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過(guò)程稱(chēng)為光合作用。在光合作用中，光合細(xì)胞首先利用葉綠體中的類(lèi)囊體膜上的光合系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，即合成ATP，并產(chǎn)生氧氣（這一過(guò)程稱(chēng)為光反應(yīng)）。然后再利用ATP的化學(xué)能使CO2還原成淀粉和糖（這一過(guò)程稱(chēng)為暗反應(yīng)）。光合作用的基本化學(xué)公式為：H2O+CO2（CH2O）+O2光糖12*第十二頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.3.1光反應(yīng)系統(tǒng)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(shì)；最后由質(zhì)子跨膜電勢(shì)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。光反應(yīng)過(guò)程13*第十三頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.3.2光系統(tǒng)II的結(jié)構(gòu)（PDBID：1IZL)14*第十四頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一主要的色素分子葉綠素chlorophyll脫鎂葉綠素pheophytin質(zhì)體醌plastoquinoneb-胡蘿卜素b-carotene血紅素heme15*第十五頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一反應(yīng)中心Ferreiraetal,Science,2004在光系統(tǒng)II中，有近200個(gè)葉綠素分子，但只有一小部分葉綠素分子參與構(gòu)成了導(dǎo)致電子分離的反應(yīng)中心。其它葉綠素分子吸收了光能后將能量轉(zhuǎn)移集中到反應(yīng)中心，因而這些分子被稱(chēng)為天線(xiàn)色素。16*第十六頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.3.3光系統(tǒng)II中的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制光系統(tǒng)II中的天線(xiàn)色素能夠把吸收到的能量轉(zhuǎn)移到反應(yīng)中心，這個(gè)能量轉(zhuǎn)移的機(jī)制是目前光生物物理學(xué)研究的最前沿課題之一。當(dāng)前的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，天線(xiàn)色素分子吸收了光子的能量后會(huì)形成激子態(tài)。相鄰的激子態(tài)會(huì)產(chǎn)生量子相干態(tài)。這種相干態(tài)可以將色素分子較長(zhǎng)時(shí)間地保持在激發(fā)態(tài)，并使得這種高能的量子態(tài)在較大空間范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)移更有效。Fleming等人[1,

2,

3]采用二維電子光譜和光子回聲實(shí)驗(yàn)支持了這種觀點(diǎn)。然而要真正接受這種觀點(diǎn)還需要有可靠的理論分析和計(jì)算的支持。這種理論分析和計(jì)算必須有可靠的結(jié)構(gòu)依據(jù)，特別是其中關(guān)于分子間相互作用的描述必須合理。由于色素分子都處于一定的蛋白質(zhì)環(huán)境，所以在這種分析中對(duì)色素分子與周?chē)被岬南嗷プ饔靡残枰泻侠淼亩棵枋?。這些問(wèn)題是目前這方面的理論工作面臨的主要困難。[1]G.S.Engeletal,Nature,2007.[2]H.Leeetal,Science,2007.[3]Y.C.Cheng&G.R.Fleming,Annu.Rev.Phys.Chem.2009.17*第十七頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.4熒光及其應(yīng)用分子中處于單態(tài)激發(fā)態(tài)的電子從電子激發(fā)態(tài)中的振動(dòng)基態(tài)躍遷到電子基態(tài)的各振動(dòng)量子態(tài)時(shí)所發(fā)出的光子叫熒光。分子發(fā)出的熒光光子的頻率決定于分子的量子態(tài)的能級(jí)差。分子的量子態(tài)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的特異性，所以一種分子所發(fā)出的熒光往往帶有很強(qiáng)的特異性。這種特性被利用來(lái)識(shí)別分子的存在，分析物質(zhì)成分。分子發(fā)出的熒光會(huì)受到與分子有相互作用的其它分子的影響，因而通過(guò)分析分子熒光光譜的峰值變化，可以得到有關(guān)分子環(huán)境的信息，甚至可以用來(lái)探測(cè)分子間的距離。隨著綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)，熒光的應(yīng)用范圍更加廣闊。目前，熒光探針已經(jīng)是對(duì)活體細(xì)胞進(jìn)行直接觀測(cè)的最重要手段之一。18*第十八頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.4.1熒光光譜與吸收光譜以熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，熒光的波長(zhǎng)或頻率為橫坐標(biāo)所畫(huà)出的曲線(xiàn)稱(chēng)為熒光光譜。（1）光譜紅移(Stokesshift)原因：激發(fā)往往使分子處于較高的激發(fā)態(tài)或較高的振動(dòng)能級(jí)，而熒光總是發(fā)自于最低激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)向基態(tài)的各振動(dòng)能級(jí)的躍遷。多出的能量以?xún)?nèi)轉(zhuǎn)換的方式釋放掉。（2）吸收光譜與熒光光譜形成左右對(duì)稱(chēng)。（3）熒光光譜的結(jié)構(gòu)不決定于激發(fā)光的波長(zhǎng)，但熒光強(qiáng)度與Franck–Condon原理：躍遷的瞬間原子核的間距不變。熒光光譜吸收光譜波長(zhǎng)光強(qiáng)電子激發(fā)態(tài)和電子基態(tài)有相似的振動(dòng)能級(jí)分布，從基態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)躍遷到第一電子激發(fā)態(tài)的各振動(dòng)能級(jí)的幾率與由第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)躍遷到基態(tài)各振動(dòng)能級(jí)的幾率很相近。由于光強(qiáng)正比于躍遷幾率，因此吸收光譜與熒光光譜形成左右對(duì)稱(chēng)。熒光光譜及其峰位的波長(zhǎng)總是比它的吸收光譜及其峰位波長(zhǎng)要長(zhǎng)。激發(fā)光波長(zhǎng)有關(guān)。熒光激發(fā)光電子基態(tài)振動(dòng)基態(tài)振動(dòng)激發(fā)態(tài)電子激發(fā)態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)換能量熒光光譜的特性：以吸收光強(qiáng)為縱坐標(biāo)，入射光的波長(zhǎng)或頻率為橫坐標(biāo)所畫(huà)出的曲線(xiàn)稱(chēng)為吸收光譜。19*第十九頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.4.2非輻射共振能量轉(zhuǎn)移兩個(gè)具有相同或相近激發(fā)態(tài)能級(jí)的分子，達(dá)到一定距離時(shí)，通過(guò)偶極子電磁共振的方式將供體分子D的激發(fā)能轉(zhuǎn)移給受體分子A，叫做非輻射共振能量轉(zhuǎn)移。1。能量供體與能量受體分子之間的距離要在5~10nm之間。2。供體的熒光光譜必須與受體的吸收光譜要有重疊3。供體必須是發(fā)熒光的物質(zhì)共振能量轉(zhuǎn)移三個(gè)條件：DA敏化熒光：用供體（敏化劑,S）吸收的光照射，通過(guò)非輻射能量轉(zhuǎn)移，細(xì)胞膜的厚度一般為5nm，共振能量轉(zhuǎn)移可跨膜進(jìn)行。能量轉(zhuǎn)移率（F?rster,1959）：r為供受體分子間的實(shí)際距離，R0為分子間的臨界距離，tD是供體的熒光壽命。若引入能量轉(zhuǎn)移效率：則有：測(cè)出能量轉(zhuǎn)移效率既可推知分子間的距離。使受體(A)發(fā)熒光。20*第二十頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.4.3熒光的應(yīng)用由光譜的峰值位置和高度推斷成分、結(jié)構(gòu)、機(jī)理等等溶劑效應(yīng)：溶劑對(duì)熒光團(tuán)熒光光譜位移的影響，可引起紅移或藍(lán)移，溶質(zhì)對(duì)熒光的影響：熒光猝滅熒光探針：綠色熒光蛋白，黃色熒