生物物理学 第四章

机体中能够吸收光的分子或分子体系叫做生色团或光感受体，如植物的叶绿 体中的叶绿素分子，蛋白质中的色氨酸和酪氨酸等等。
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光生物物理研究什么？
光生物物理学是研究光对机体作用的光物理和原初光化学过程的科学。
这些过程包括生物分子吸收光到激发态的跃迁（10-15s），振动弛豫 （10-12s）, 发荧光（10-10~10-8 s），发磷光（10-3s），以及光生电子、 质子的转移等等。
表4-1 三种运动的能级差、波数、波长范围及光谱名称
分子转动 分子振动 电子运动
E / eV
10-4 — 0.05 0.05 — 1
1 — 20
/ cm-1
1 — 400 400 — 104 104 — 105
/ m 104 — 25 25 — 1
1 — 0.1
光谱名称
远红外光谱或微波谱 红外光谱 紫外及可见光谱
分子是由多原子组成的。分子的量子态包含电子量子态与核运动量 子态。核运动量子态包含振动态、转动态、平动态三种形式。通常， 由于相邻的平动量子态的能级间隔非常小，可以认为分子的平动能量 是连续分布的。
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4.2.1 分子的电子量子态
分子的电子能级
光子的能量
E E3
E2
能 量
E1
下村修、马丁·查尔菲和钱永健因为发现和改造绿色荧光蛋 白分获2008年诺贝尔化学奖；钱永健为钱学森的堂侄 。
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绿色荧光蛋白
(1gfl)
F. Yang, L.G. Moss, G.N. Phillips Jr., Nat. Biotechnol. 1996
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光生物物理研究需要哪些知识？
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第二个例子：绿色荧光蛋白（GFP）
绿色荧光蛋白(GFP，蛋白质编号1gfl）是在一种水 母体内发现的。这种蛋白质从阳光中吸收紫外光， 然后以能量较低的绿光形式（2.44eV）发射出来。
GFP控制光的部位是其自身的一部分，仅由氨基酸 构建而成，该部位含有一段三个氨基酸组成的特殊 序列：丝氨酸－酪氨酸－甘氨酸（有时丝氨酸会被 相似的苏氨酸取代）。当蛋白质链折叠时，这段短 片段就被深埋在蛋白质内部，然后，发生一系列化 学反应：甘氨酸与丝氨酸之间形成化学键，生成一 个新的闭合环，随后这个环会自动脱水。最终，经 过大约一个小时的反应，周围环境中的的氧气攻击 酪氨酸的一个化学键，形成一个新的双键并合成荧 光发色团。
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电子第一 激发态 电子基态 振动基态
r
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4.2.3 激发与驰豫的各种途径
振动基态 电子第一激发态
系间交叉
振动基态 电子基态
激发 驰豫
光子吸收
非辐射共振能量转移
内转换 发荧光 发磷光 非辐射共振能量转移
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单态 激发态
单态 基态
系间交叉
荧光
三重态T 磷光
光能
生命
？
机械能
可见光（电磁波） 能量：1.55 ~ 3.26 eV 波长：380 ~ 800 nm 频率： 3.7×1014 ~ 7.9×1014 Hz
ATP —源自文库 腺苷三磷酸 (Adenosine triphosphate)
光能 光合系统、ATP合成酶
绿色植物、藻类、光合细菌
化学能（ATP） 分子马达 机械能
光生物物理学的主要研究内容： 在了解光感受体的分子结构的基础上，利用有关光与物质分子相
互作用的物理学知识，找出这些生物分子的各种光激发和驰豫过程的 机理和规律。
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第一个例子：叶绿体
植物细胞
叶绿体
光合作用：
光合细胞捕获光能并将其转变 为化学能的过程。
蔗糖
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生物学 生物化学 结构化学 量子物理
光生物物理学是一门真正 的交叉科学！
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4.2 分子的激发与驰豫
根据量子力学原理，分子的存在状态是量子化的。在这些量子态中分 子的能量只能取一些量子化的离散值，其中能量最低的量子态称为基 态，其它的量子态称为激发态。当分子与光或其它分子的相互作用满 足某种特定条件时，分子会在这些量子态之间发生跃迁。分子从基态 到激发态的跃迁称为激发，分子从激发态到基态的跃迁称为驰豫。光 与生物分子的相互作用与分子的这种量子态结构密切相关。
激
发
E hv
E
（爱因斯坦关系）
第二激发态
第一激发态
弛 豫
氢原子：E1 E0 10.21eV 氢分子：E1 E0 11.36eV 叶绿素a：E1 E0 ~ 1.82eV
电子第一 激发态
电子基态 振动基态
E0
基态
当入射光子的能量等于某一激发态到基态的能级 差时，分子就会吸收光子而激发。驰豫的过程有 多种途径，包括发射光子和与周围交换热量等。
r
对于分子，其每一个电子能级的 大小还与原子核间的距离 r 有关。 使电子态能量达到最小值的核间 距称为平衡核间距。平衡核间距 定义了化学键的键长。
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4.2.2 分子的振动和转动量子态
电子第二激发态
分子的振动能级
电子第一激发态
E
电子基态
振动第一激发态 振动基态
根据量子理论，分子的振动和转动能级也是量子化 的。分子的总的量子态能级是三套能级的叠加。三 种运动能级差如下表所示：
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第4章 光生物物理
4.1 光生物物理简介 4.2 分子的激发与驰豫 4.3 光合作用 4.4 荧光及其应用
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4.1 光生物物理简介
光 —— 生命的能量起源 光 —— 一定能量、波长、频率范围内的电磁波 生命 —— 能够复制自己的能量转换器 生命在于运动，运动需要机械能。
光合作用的基本化学公式为： H2O + CO2 光 （CH2O）+ O2 糖
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4.3.1 光反应系统
光反应过程
单 态：分子中的配对电子，自旋 反向，总自旋为零。
三重态：分子中配对电子之一自旋 反向，使两电子自旋平行， 总自旋为一。
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4.3 光合作用
光合细胞捕获光能并将其转变为化学能的过程称为光合作用。
在光合作用中，光合细胞首先利用叶绿体中的类囊体膜上的光合系 统将光能转化为化学能，即合成ATP，并产生氧气（这一过程称为 光反应）。然后再利用ATP的化学能使CO2 还原成淀粉和糖（这一 过程称为暗反应）。