理學類生物物理學

理學類生物物理學1河北工業(yè)大學生物物理學

第1頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1

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

光生物物理2*第2頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1

光生物物理簡介可見光（電磁波）能量：1.55~3.26eV波長：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、頻率范圍內的電磁波生命——能夠復制自己的能量轉換器生命在于運動，運動需要機械能。光能機械能生命？光能化學能（ATP）機械能綠色植物、藻類、光合細菌分子馬達光合系統(tǒng)、ATP合成酶機體中能夠吸收光的分子或分子體系叫做生色團或光感受體，如植物的葉綠體中的葉綠素分子，蛋白質中的色氨酸和酪氨酸等等。3*第3頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月光生物物理研究什么？這些過程包括生物分子吸收光到激發(fā)態(tài)的躍遷（10-15s），振動弛豫（10-12s）,發(fā)熒光（10-10~10-8s），發(fā)磷光（10-3s），以及光生電子、質子的轉移等等。光生物物理學的主要研究內容：在了解光感受體的分子結構的基礎上，利用有關光與物質分子相互作用的物理學知識，找出這些生物分子的各種光激發(fā)和馳豫過程的機理和規(guī)律。光生物物理學是研究光對機體作用的光物理和原初光化學過程的科學。4*第4頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月第一個例子：葉綠體葉綠體植物細胞蔗糖光合作用：光合細胞捕獲光能并將其轉變?yōu)榛瘜W能的過程。5*第5頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月第二個例子：綠色熒光蛋白（GFP）綠色熒光蛋白(GFP，蛋白質編號1gfl）是在一種水母體內發(fā)現(xiàn)的。這種蛋白質從陽光中吸收紫外光，然后以能量較低的綠光形式（2.44eV）發(fā)射出來。GFP控制光的部位是其自身的一部分，僅由氨基酸構建而成，該部位含有一段三個氨基酸組成的特殊序列：絲氨酸－酪氨酸－甘氨酸（有時絲氨酸會被相似的蘇氨酸取代）。當?shù)鞍踪|鏈折疊時，這段短片段就被深埋在蛋白質內部，然后，發(fā)生一系列化學反應：甘氨酸與絲氨酸之間形成化學鍵，生成一個新的閉合環(huán)，隨后這個環(huán)會自動脫水。最終，經(jīng)過大約一個小時的反應，周圍環(huán)境中的的氧氣攻擊酪氨酸的一個化學鍵，形成一個新的雙鍵并合成熒光發(fā)色團。下村修、馬丁·查爾菲和錢永健因為發(fā)現(xiàn)和改造綠色熒光蛋白分獲2008年諾貝爾化學獎；錢永健為錢學森的堂侄。F.Yang,L.G.Moss,G.N.PhillipsJr.,Nat.Biotechnol.1996(1gfl)綠色熒光蛋白6*第6頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月光生物物理研究需要哪些知識？生物學結構化學量子物理光生物物理學是一門真正的交叉科學！生物化學7*第7頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2分子的激發(fā)與馳豫根據(jù)量子力學原理，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)稱為基態(tài)，其它的量子態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。當分子與光或其它分子的相互作用滿足某種特定條件時，分子會在這些量子態(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)，分子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷稱為馳豫。光與生物分子的相互作用與分子的這種量子態(tài)結構密切相關。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)與核運動量子態(tài)。核運動量子態(tài)包含振動態(tài)、轉動態(tài)、平動態(tài)三種形式。通常，由于相鄰的平動量子態(tài)的能級間隔非常小，可以認為分子的平動能量是連續(xù)分布的。8*第8頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1分子的電子量子態(tài)分子的電子能級激發(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)振動基態(tài)對于分子，其每一個電子能級的大小還與原子核間的距離r有關。使電子態(tài)能量達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鍵的鍵長。光子的能量當入射光子的能量等于某一激發(fā)態(tài)到基態(tài)的能級差時，分子就會吸收光子而激發(fā)。馳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。（愛因斯坦關系）氫分子：氫原子：葉綠素a：9*第9頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2分子的振動和轉動量子態(tài)振動基態(tài)分子的振動能級電子基態(tài)電子第一激發(fā)態(tài)振動第一激發(fā)態(tài)rE電子基態(tài)電子第一激發(fā)態(tài)振動基態(tài)電子第二激發(fā)態(tài)根據(jù)量子理論，分子的振動和轉動能級也是量子化的。分子的總的量子態(tài)能級是三套能級的疊加。三種運動能級差如下表所示：分子轉動分子振動電子運動10-4

—0.0510-4

—0.050.05

—11

—20104

—2525

—11

—0.11

—400400

—104104

—105表4-1三種運動的能級差、波數(shù)、波長范圍及光譜名稱遠紅外光譜或微波譜紅外光譜紫外及可見光譜光譜名稱10*第10頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3激發(fā)與馳豫的各種途徑振動基態(tài)電子基態(tài)電子第一激發(fā)態(tài)振動基態(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)：分子中的配對電子，自旋三重態(tài)：分子中配對電子之一自旋反向，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移內轉換發(fā)熒光發(fā)磷光非輻射共振能量轉移總自旋為一。11*第11頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3光合作用光合細胞捕獲光能并將其轉變?yōu)榛瘜W能的過程稱為光合作用。在光合作用中，光合細胞首先利用葉綠體中的類囊體膜上的光合系統(tǒng)將光能轉化為化學能，即合成ATP，并產(chǎn)生氧氣（這一過程稱為光反應）。然后再利用ATP的化學能使CO2還原成淀粉和糖（這一過程稱為暗反應）。光合作用的基本化學公式為：H2O+CO2（CH2O）+O2光糖12*第12頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.1光反應系統(tǒng)光系統(tǒng)II光系統(tǒng)I細胞色素b/f復合物ATP合酶復合物光系統(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)生氧氣和質子跨膜電勢；最后由質子跨膜電勢推動ATP合成酶（即旋轉馬達）產(chǎn)生轉動以及一系列構象變化，實現(xiàn)ATP的合成。光反應過程13*第13頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.2光系統(tǒng)II的結構（PDBID：1IZL)14*第14頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月主要的色素分子葉綠素chlorophyll脫鎂葉綠素pheophytin質體醌plastoquinoneb-胡蘿卜素b-carotene血紅素heme15*第15頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月反應中心Ferreiraetal,Science,2004在光系統(tǒng)II中，有近200個葉綠素分子，但只有一小部分葉綠素分子參與構成了導致電子分離的反應中心。其它葉綠素分子吸收了光能后將能量轉移集中到反應中心，因而這些分子被稱為天線色素。16*第16頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.3光系統(tǒng)II中的能量轉移機制光系統(tǒng)II中的天線色素能夠把吸收到的能量轉移到反應中心，這個能量轉移的機制是目前光生物物理學研究的最前沿課題之一。當前的主流觀點認為，天線色素分子吸收了光子的能量后會形成激子態(tài)。相鄰的激子態(tài)會產(chǎn)生量子相干態(tài)。這種相干態(tài)可以將色素分子較長時間地保持在激發(fā)態(tài)，并使得這種高能的量子態(tài)在較大空間范圍內的轉移更有效。Fleming等人[1,

2,

3]采用二維電子光譜和光子回聲實驗支持了這種觀點。然而要真正接受這種觀點還需要有可靠的理論分析和計算的支持。這種理論分析和計算必須有可靠的結構依據(jù)，特別是其中關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環(huán)境，所以在這種分析中對色素分子與周圍氨基酸的相互作用也需要有合理的定量描述。這些問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17頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4熒光及其應用分子中處于單態(tài)激發(fā)態(tài)的電子從電子激發(fā)態(tài)中的振動基態(tài)躍遷到電子基態(tài)的各振動量子態(tài)時所發(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)的能級差。分子的量子態(tài)結構具有很強的特異性，所以一種分子所發(fā)出的熒光往往帶有很強的特異性。這種特性被利用來識別分子的存在，分析物質成分。分子發(fā)出的熒光會受到與分子有相互作用的其它分子的影響，因而通過分析分子熒光光譜的峰值變化，可以得到有關分子環(huán)境的信息，甚至可以用來探測分子間的距離。隨著綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)，熒光的應用范圍更加廣闊。目前，熒光探針已經(jīng)是對活體細胞進行直接觀測的最重要手段之一。18*第18頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.1熒光光譜與吸收光譜以熒光強度為縱坐標，熒光的波長或頻率為橫坐標所畫出的曲線稱為熒光光譜。（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)或較高的振動能級，而熒光總是發(fā)自于最低激發(fā)態(tài)的最低振動能級向基態(tài)的各振動能級的躍遷。多出的能量以內轉換的方式釋放掉。（2）吸收光譜與熒光光譜形成左右對稱。（3）熒光光譜的結構不決定于激發(fā)光的波長，但熒光強度與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光強電子激發(fā)態(tài)和電子基態(tài)有相似的振動能級分布，從基態(tài)的最低振動能級躍遷到第一電子激發(fā)態(tài)的各振動能級的幾率與由第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級躍遷到基態(tài)各振動能級的幾率很相近。由于光強正比于躍遷幾率，因此吸收光譜與熒光光譜形成左右對稱。熒光光譜及其峰位的波長總是比它的吸收光譜及其峰位波長要長。激發(fā)光波長有關。熒光激發(fā)光電子基態(tài)振動基態(tài)振動激發(fā)態(tài)電子激發(fā)態(tài)內轉換能量熒光光譜的特性：以吸收光強為縱坐標，入射光的波長或頻率為橫坐標所畫出的曲線稱為吸收光譜。19*第19頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.2非輻射共振能量轉移兩個具有相同或相近激發(fā)態(tài)能級的分子，達到一定距離時，通過偶極子電磁共振的方式將供體分子D的激發(fā)能轉移給受體分子A，叫做非輻射共振能量轉移。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)熒光的物質共振能量轉移三個條件：DA敏化熒光：用供體（敏化劑,S）吸收的光照射，通過非輻射能量轉移，細胞膜的厚度一般為5nm，共振能量轉移可跨膜進行。能量轉移率（F?rster,1959）：r為供受體分子間的實際距離，R0為分子間的臨界距離，tD是供體的熒光壽命。若引入能量轉移效率：則有：測出能量轉移效率既可推知分子間的距離。使受體(A)發(fā)熒光。20*第20頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.3熒光的應用由光譜的峰值位置和高度推斷成分、結構、機理等等溶劑效應：溶劑對熒光團熒光光譜位移的影響，可引起紅移或藍移，溶質對熒光的影響：熒光猝滅熒光探針：綠色熒光蛋白，