生物物理学林东海分子生物物理4能量转移省公共课一等奖全国赛课获奖课件
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其特征随物质结构而异，是物质定性依据。
第11页
2. 蛋白质与核酸能量状态
蛋白质或核酸都是由各种不一 样组分组成聚合体，其能量状 态由各组分能态决定，其中起 主要作用是共轭体系。
蛋白质能态主要取决于色氨酸、 酪氨酸和苯丙氨酸这三种芳香 氨基酸，因为它们含有共轭大 π 键，含有荧光特征。
第12页
氨基酸 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸
§2.4 生物大分子能量转移
1. 分子能态 2. 蛋白质与核酸能量状态 3. 生物分子中能量转移
第1页
生物大分子都是由各种不一样组分组成聚合体系，其能 量状态也是由各组分能态决定，其中起主要作用是共轭体系， 即π 电子非定域化体系。
比如： 蛋白质中各种芳香氨基酸， 核酸中嘧啶和嘌呤碱基。
它们在决定生物大分子光学性质、激发能量传递含有主 要意义。
三种芳香氨基酸能态
吸收峰
荧光峰
荧光量子
258
282
0.04
275
303
0.21
280
348
0.2
苯丙氨酸荧光量子很小，荧光很弱，对蛋白质发光贡献可忽 略不计。 蛋白质荧光决定于三种氨基酸，依据蛋白质发光特征，将蛋 白质分成A、B、C 三类。
第13页
A 类蛋白质只含酪氨酸不含色氨酸，其荧光特征与酪氨酸相 同，峰值为303 nm ，如胰岛素、玉米蛋白等; B 类蛋白质含有酪氨酸和色氨酸，其荧光表现为色氨酸荧光 特征，不过，其荧光峰值则随蛋白质而异，普通在330~350 nm 之间，如人血清白蛋白、酵母脱氢酶等; C 类蛋白质仅含苯丙氨酸， 如超氧化物歧化酶、肝铜蛋白等， 其发光特征与苯丙氨酸相同。
第19页
思索题-4
1. 分子运动可分为哪几个运动？ 2. 指出分子转动、振动及电子能级跃迁所对应光谱区域。 3. 请阐述与吸收光谱相关三种电子定义。 4. 蛋白质能态主要取决于哪几个氨基酸？依据蛋白质发光特征，
可将蛋白质分成哪三类？ 5. 生物分子中主要依靠几个路径进行能量转移？
第20页
第3页
分子每一个能量都有一系列能级，能级不是任意，而是含有量 子化特征。 通常分子处于基态，当它吸收一定能量跃迁到激发态，则产生 吸收光谱。 分子转动、振动和电子能级跃迁，对应地产生转动、振动及电 子光谱。
第4页
按照量子力学原理，分子能态按一定规律跳跃式地改变。 物质在入射光照射下，分子吸收光时，其能量增加是不连续， 吸收光频率和两个能级间能量差符合以下关系:
电子从满带被激发到激发带。激发带是整个晶体所共有， 满带空穴与激发带电子处于束缚状态，这种状态称为激子。 激子能够看成电荷对，经过激子迁移传递能量。
第17页
(2) 电荷转移
当两个分子充分靠近时，一个电子从一个分子基态能级到 另一个分子激发态能级现象称为电荷转移现象。
电荷转移与激子转移不一样,它需要更大能量将电子提升到 晶体传导带上进行转移，电子能够迁移一段较长距离(长 程)。转移电子能很快与原子或其它离子发生重新组合， 也可能落于陷阱，发磷光、荧光，产生热效应或远离激发 处发生化学反应。
以 min 表示。
3. 曲线上在最大吸收峰旁“C”称肩峰。
4. 在吸收曲线波长最短一端，曲线上“D”处，吸收相当强，但不 成形，此处称为未端吸收。
max 是化合物中电子能级跃迁时吸收特征波长，不一样物质 有不一样最大吸收峰，所以它对判定化合物极为主要。吸收
光谱 max ， min 、肩峰以及整个吸收光谱形状决定于物质性质，
第14页
核酸及碱基荧光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ单位：nm）
核酸与蛋白质不一样，室温下它荧光很弱。碱基在水溶液中室 温下荧光量子普通小于10- 4 ，所以往往要在k 系谱线77 以下研 究它荧光. 用光子计数器能够检测核酸荧光。 用不一样激发光所得到各碱基及DNA、RNA等荧光波长以下表 1-所表示。
激发光波 A
T
C
G
U
第2页
1. 分子能态
组成物质分子均处于一定能态并不停地运动着。分子运动 可分为平动、转动、振动和分子内电子运动，每种运动状态都 处于一定能级. 分子能量:
E E0 Et Er Ev Ee
其中: E0 是分子内在不随分子运动而改变能量; Et 是只与温度相关平动能量；
和E电r 、子能E量v 。、 Ee 分别是与光谱相关分子转动能量、振动能量
光谱区域
E< 0.05 eV
远红外或微波区
E= 0.5~1. 0 eV 中红外区
E= 1~20 eV
近红外和紫外
第6页
可见光、紫外光吸收光谱是因为分子中联络较涣散价电子 被激发产生跃迁从而吸收光辐射能量形成，即分子由基态 变为激发态，电子由一个低能级轨道( 即成键轨道)吸收了光 能量跃迁到高能级轨道(称为反键轨道)。
ΔE E2 E1
El ，E2 分别表示初能态，终能态能量。 初能态与终能态之间能量差愈大，则所吸收光频率愈高(即波 长愈短) ， 反之则所吸收光频率愈低 (即波长愈长)。
第5页
分子转动、振动及电子能级跃迁能量差异较大，所 以，其吸收光谱出现在不一样光谱区域。
分子转动 分子振动 电子能级
能级跃迁能量
第7页
与吸收光谱相关三种电子
电子种类
定义
σ电子
两个原子电子沿其对称方向相互形成共价键（即单键）称 σ 键 ，组成 σ 键电子称为σ 电子
π电子
平行于两个原子轨道形成价键（即双键），称π 键，组成 π键 电子称为π 电子，如C=C键
n电子
未形成键电子称为n电子
第8页
电子跃迁类型与紫外吸收波长（nm）关系
第9页
若逐步改变照射某物质入射光波长，并测定物质对各种波长 光吸收程度（吸光度“A”或光密度“OD”）或透射程度 （透光度“T”），以波长作横坐标，“A”或“T”为纵坐标， 得物质吸收光谱曲线：
第10页
吸收光谱特征:
1. 曲线上“A”处称最大吸收峰，所对应波长称最大吸收波长，
以 max 表示。
2. 曲线上“B” 处称最小吸收谷，所对应波长称最小吸收波长，
RNA
DNA
长
260~280 355 310
400
370 355 350~360 340~360
296~313 355 395
400
370 430 380~400 350~380
第15页
3. 生物分子中能量转移
能量转移: 能量在分子内或分子间从一个部位转移到另一个部位。
在生物体内，相关能量转移问题主要是研究能量转移过程中不 消耗热能，供能者与受能者不发生碰撞，原子在远于原子间距 范围内，由一个部位到另一个部位非辐射性能量转移，有时也 将这种方式称为能量迁移(energy migration) 。
第18页
(3) 共振转移
经过两个分子之间电磁偶联作用进行能量转移。 一个分子能够看成是正负电荷分离偶极子，分子受激发后
将以一定频率振动，振动时能量逐步释放，假如其附近有振动 频率相同另一个分子存在，则经过两个分子之间偶极-偶极相 互作用，能量以非辐射方式从前者转移到后者。
处于激发态生物大分子，可经过共振转移将能量传递给附近防护剂分 子，使生物大分子得到保护，这已用各种方法得到验证： 防护剂能淬灭由大分子发出磷光; ESR 谱研究表明，DNA 吸收能量能 够传递给MER（琉基乙胶) ; 溴尿嘧啶（5-BU）核苷取代胸腺嘧啶掺入 到DNA分子中，胸腺嘧啶残基吸收能量，能够转移到溴尿嘧啶上，结 果造成DNA 分子损伤。
能量转移能够经过三种路径发生: 重合(交换)转移, 电荷转移, 共振转移
第16页
(1) 重合 (交换) 转移
又称激子转移，是一个短程能量转移，普通在0. 2~ 0.5 nm 内才表现出来。当两个相同分子靠近时，其电子轨道存在 一定重合，电子进行能量交换。
A 分子激子能够在B 分子上出现， B 分子激子也必定到A 分子上去，半导体即是这种转移方式。
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2. 蛋白质与核酸能量状态
蛋白质或核酸都是由各种不一 样组分组成聚合体，其能量状 态由各组分能态决定，其中起 主要作用是共轭体系。
蛋白质能态主要取决于色氨酸、 酪氨酸和苯丙氨酸这三种芳香 氨基酸，因为它们含有共轭大 π 键，含有荧光特征。
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氨基酸 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸
§2.4 生物大分子能量转移
1. 分子能态 2. 蛋白质与核酸能量状态 3. 生物分子中能量转移
第1页
生物大分子都是由各种不一样组分组成聚合体系，其能 量状态也是由各组分能态决定，其中起主要作用是共轭体系， 即π 电子非定域化体系。
比如： 蛋白质中各种芳香氨基酸， 核酸中嘧啶和嘌呤碱基。
它们在决定生物大分子光学性质、激发能量传递含有主 要意义。
三种芳香氨基酸能态
吸收峰
荧光峰
荧光量子
258
282
0.04
275
303
0.21
280
348
0.2
苯丙氨酸荧光量子很小，荧光很弱，对蛋白质发光贡献可忽 略不计。 蛋白质荧光决定于三种氨基酸，依据蛋白质发光特征，将蛋 白质分成A、B、C 三类。
第13页
A 类蛋白质只含酪氨酸不含色氨酸，其荧光特征与酪氨酸相 同，峰值为303 nm ，如胰岛素、玉米蛋白等; B 类蛋白质含有酪氨酸和色氨酸，其荧光表现为色氨酸荧光 特征，不过，其荧光峰值则随蛋白质而异，普通在330~350 nm 之间，如人血清白蛋白、酵母脱氢酶等; C 类蛋白质仅含苯丙氨酸， 如超氧化物歧化酶、肝铜蛋白等， 其发光特征与苯丙氨酸相同。
第19页
思索题-4
1. 分子运动可分为哪几个运动？ 2. 指出分子转动、振动及电子能级跃迁所对应光谱区域。 3. 请阐述与吸收光谱相关三种电子定义。 4. 蛋白质能态主要取决于哪几个氨基酸？依据蛋白质发光特征，
可将蛋白质分成哪三类？ 5. 生物分子中主要依靠几个路径进行能量转移？
第20页
第3页
分子每一个能量都有一系列能级，能级不是任意，而是含有量 子化特征。 通常分子处于基态，当它吸收一定能量跃迁到激发态，则产生 吸收光谱。 分子转动、振动和电子能级跃迁，对应地产生转动、振动及电 子光谱。
第4页
按照量子力学原理，分子能态按一定规律跳跃式地改变。 物质在入射光照射下，分子吸收光时，其能量增加是不连续， 吸收光频率和两个能级间能量差符合以下关系:
电子从满带被激发到激发带。激发带是整个晶体所共有， 满带空穴与激发带电子处于束缚状态，这种状态称为激子。 激子能够看成电荷对，经过激子迁移传递能量。
第17页
(2) 电荷转移
当两个分子充分靠近时，一个电子从一个分子基态能级到 另一个分子激发态能级现象称为电荷转移现象。
电荷转移与激子转移不一样,它需要更大能量将电子提升到 晶体传导带上进行转移，电子能够迁移一段较长距离(长 程)。转移电子能很快与原子或其它离子发生重新组合， 也可能落于陷阱，发磷光、荧光，产生热效应或远离激发 处发生化学反应。
以 min 表示。
3. 曲线上在最大吸收峰旁“C”称肩峰。
4. 在吸收曲线波长最短一端，曲线上“D”处，吸收相当强，但不 成形，此处称为未端吸收。
max 是化合物中电子能级跃迁时吸收特征波长，不一样物质 有不一样最大吸收峰，所以它对判定化合物极为主要。吸收
光谱 max ， min 、肩峰以及整个吸收光谱形状决定于物质性质，
第14页
核酸及碱基荧光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ单位：nm）
核酸与蛋白质不一样，室温下它荧光很弱。碱基在水溶液中室 温下荧光量子普通小于10- 4 ，所以往往要在k 系谱线77 以下研 究它荧光. 用光子计数器能够检测核酸荧光。 用不一样激发光所得到各碱基及DNA、RNA等荧光波长以下表 1-所表示。
激发光波 A
T
C
G
U
第2页
1. 分子能态
组成物质分子均处于一定能态并不停地运动着。分子运动 可分为平动、转动、振动和分子内电子运动，每种运动状态都 处于一定能级. 分子能量:
E E0 Et Er Ev Ee
其中: E0 是分子内在不随分子运动而改变能量; Et 是只与温度相关平动能量；
和E电r 、子能E量v 。、 Ee 分别是与光谱相关分子转动能量、振动能量
光谱区域
E< 0.05 eV
远红外或微波区
E= 0.5~1. 0 eV 中红外区
E= 1~20 eV
近红外和紫外
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可见光、紫外光吸收光谱是因为分子中联络较涣散价电子 被激发产生跃迁从而吸收光辐射能量形成，即分子由基态 变为激发态，电子由一个低能级轨道( 即成键轨道)吸收了光 能量跃迁到高能级轨道(称为反键轨道)。
ΔE E2 E1
El ，E2 分别表示初能态，终能态能量。 初能态与终能态之间能量差愈大，则所吸收光频率愈高(即波 长愈短) ， 反之则所吸收光频率愈低 (即波长愈长)。
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分子转动、振动及电子能级跃迁能量差异较大，所 以，其吸收光谱出现在不一样光谱区域。
分子转动 分子振动 电子能级
能级跃迁能量
第7页
与吸收光谱相关三种电子
电子种类
定义
σ电子
两个原子电子沿其对称方向相互形成共价键（即单键）称 σ 键 ，组成 σ 键电子称为σ 电子
π电子
平行于两个原子轨道形成价键（即双键），称π 键，组成 π键 电子称为π 电子，如C=C键
n电子
未形成键电子称为n电子
第8页
电子跃迁类型与紫外吸收波长（nm）关系
第9页
若逐步改变照射某物质入射光波长，并测定物质对各种波长 光吸收程度（吸光度“A”或光密度“OD”）或透射程度 （透光度“T”），以波长作横坐标，“A”或“T”为纵坐标， 得物质吸收光谱曲线：
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吸收光谱特征:
1. 曲线上“A”处称最大吸收峰，所对应波长称最大吸收波长，
以 max 表示。
2. 曲线上“B” 处称最小吸收谷，所对应波长称最小吸收波长，
RNA
DNA
长
260~280 355 310
400
370 355 350~360 340~360
296~313 355 395
400
370 430 380~400 350~380
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3. 生物分子中能量转移
能量转移: 能量在分子内或分子间从一个部位转移到另一个部位。
在生物体内，相关能量转移问题主要是研究能量转移过程中不 消耗热能，供能者与受能者不发生碰撞，原子在远于原子间距 范围内，由一个部位到另一个部位非辐射性能量转移，有时也 将这种方式称为能量迁移(energy migration) 。
第18页
(3) 共振转移
经过两个分子之间电磁偶联作用进行能量转移。 一个分子能够看成是正负电荷分离偶极子，分子受激发后
将以一定频率振动，振动时能量逐步释放，假如其附近有振动 频率相同另一个分子存在，则经过两个分子之间偶极-偶极相 互作用，能量以非辐射方式从前者转移到后者。
处于激发态生物大分子，可经过共振转移将能量传递给附近防护剂分 子，使生物大分子得到保护，这已用各种方法得到验证： 防护剂能淬灭由大分子发出磷光; ESR 谱研究表明，DNA 吸收能量能 够传递给MER（琉基乙胶) ; 溴尿嘧啶（5-BU）核苷取代胸腺嘧啶掺入 到DNA分子中，胸腺嘧啶残基吸收能量，能够转移到溴尿嘧啶上，结 果造成DNA 分子损伤。
能量转移能够经过三种路径发生: 重合(交换)转移, 电荷转移, 共振转移
第16页
(1) 重合 (交换) 转移
又称激子转移，是一个短程能量转移，普通在0. 2~ 0.5 nm 内才表现出来。当两个相同分子靠近时，其电子轨道存在 一定重合，电子进行能量交换。
A 分子激子能够在B 分子上出现， B 分子激子也必定到A 分子上去，半导体即是这种转移方式。