1、河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 1生生 物物 物物 理理 学学河北工业大学 生物物理所河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 2l4.1 光光生物物理简介生物物理简介l4.2 分子的激发与驰豫分子的激发与驰豫l4.3 光合作用光合作用l4.4 荧光及其应用荧光及其应用第4章 光生物物理河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 34.1 光生物物理简介光生物物理简介可见光（电磁波）可见光（电磁波）能量：能量：1.55 3.26 eV波长：波长：380 800 nm频率：频率：3.71014 7.91014 HzATP 腺苷三磷酸腺苷三磷酸(Adenosine tri
2、phosphate)光光 生命的能量起源生命的能量起源光光 一定能量、波长、频率范围内的电磁波一定能量、波长、频率范围内的电磁波生命生命 能够复制自己的能量转换器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。生命在于运动，运动需要机械能。光能光能机械能机械能生命生命？光能光能化学能（化学能（ATP）机械能机械能绿色植物、藻类、光合细菌绿色植物、藻类、光合细菌分子马达分子马达光合系统、光合系统、ATP合成酶合成酶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
3、。体中的叶绿素分子，蛋白质中的色氨酸和酪氨酸等等。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 4光生物物理研究什么？光生物物理研究什么？这些过程包括生物分子吸收光到激发态的跃迁（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），振动弛豫（10-12s）,发荧光（发荧光（10-1010-8 s），发磷光（），发磷光（10-3s），以及光生电子、），以及光生电子、质子的转移等等。质子的转移等等。光生物物理学的主要研究内容：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
4、知识，找出这些生物分子的各种光激发和驰豫过程的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。机理和规律。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。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。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 5第一个例子：叶绿体第一个例子：叶绿体叶绿体叶绿体植物细胞植物细胞蔗糖蔗糖光合作用：光合作用：光合细胞捕获光能并将其转变光合细胞捕获光能并将其转变为化学能的过程。为化学能的过程。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 6第二个例子：绿色荧光蛋白（第二个例子：绿色荧光蛋白（GFP）绿色荧光蛋
5、白绿色荧光蛋白(GFP，蛋白质编号，蛋白质编号1gfl）是在一种水）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，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（然后以能量较低的绿光形式（2.44eV）发射出来。）发射出来。GFP控制光的部位是其自身的一部分，仅由氨基酸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，这段短相似的苏氨酸取代）。当蛋白质链折叠时，这段短片段
6、就被深埋在蛋白质内部，然后，发生一系列化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。光发色团。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。F.Yang,L.G.Moss,G.N.P
7、hillips Jr.,Nat.Biotechnol.1996(1gfl)绿色荧光蛋白绿色荧光蛋白河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 7光生物物理研究需要哪些知识？光生物物理研究需要哪些知识？生物学生物学结构化学结构化学量子物理量子物理光生物物理学是一门真光生物物理学是一门真正的交叉科学！正的交叉科学！生物化学生物化学河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 84.2 分子的激发与驰豫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
8、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基态态，其它的量子态称为，其它的量子态称为激发态激发态。当分子与光或其它分子的相互作用满。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到激发态的跃迁称为激发激发，分子从激发态到基态的跃迁称为，分子从激发态到基态的跃迁称为驰豫驰豫。光。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。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。分子是由多原子组成的。分子的量子态包含分子是由多原子组成的。分子的量子态包
9、含电子量子态电子量子态与核运动量与核运动量子态。核运动量子态包含子态。核运动量子态包含振动态振动态、转动态转动态、平动态平动态三种形式。通常，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。是连续分布的。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 94.2.1 分子的电子量子态分子的电子量子态分子的电子能级分子的电子能级激激发发弛弛豫豫基基 态态 第一激发态第一激发态第二激发态第二激发态能能量量rE电子基态电子基态电子第一电子第一激发态激发态振动基态振动基态对于分子，其每一个电子能级的对于
10、分子，其每一个电子能级的大小还与原子核间的距离大小还与原子核间的距离 r 有关。有关。使电子态能量达到最小值的核间使电子态能量达到最小值的核间距称为平衡核间距。平衡核间距距称为平衡核间距。平衡核间距定义了化学键的键长。定义了化学键的键长。光子的能量光子的能量Ehv当入射光子的能量等于某一激发态到基态的能级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。多种途径，包括发射光子和与周围交换热量等。（爱因斯坦关系）（爱因斯坦关系）氢分子：氢分子：0E1E2E3EE1011.36eV
11、EE氢原子：氢原子：1010.21eVEE叶绿素叶绿素a：101.82eVEE河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 104.2.2 分子的振动和转动量子态分子的振动和转动量子态振动基态振动基态分子的振动能级分子的振动能级电子基态电子基态电子第一激发态电子第一激发态振动第一激发态振动第一激发态rE电子基态电子基态电子第一电子第一激发态激发态振动基态振动基态电子第二激发态电子第二激发态根据量子理论，分子的振动和转动能级也是量子化根据量子理论，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：种运动
12、能级差如下表所示：分子转动分子转动分子振动分子振动电子运动电子运动/eVE-1/cm/m 10-4 0.0510-4 0.050.05 11 20104 2525 11 0.11 400400 104104 105表表4-1 三种运动的能级差、波数、波长范围及光谱名称三种运动的能级差、波数、波长范围及光谱名称远红外光谱或微波谱远红外光谱或微波谱红外光谱红外光谱紫外及可见光谱紫外及可见光谱光谱名称光谱名称河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 114.2.3 激发与驰豫的各种途径激发与驰豫的各种途径振动基态振动基态电子基态电子基态电子第一激发态电子第一激发态振动基态振动基态单态单态基态基
13、态单态单态激发态激发态三重态三重态T系间交叉系间交叉磷光磷光荧光荧光系间交叉系间交叉激发激发驰豫驰豫单单 态：分子中的配对电子，自旋态：分子中的配对电子，自旋三重态：分子中配对电子之一自旋三重态：分子中配对电子之一自旋反向，总自旋为零。反向，总自旋为零。反向，使两电子自旋平行，反向，使两电子自旋平行，光子吸收光子吸收非辐射共振能量转移非辐射共振能量转移内转换内转换发荧光发荧光发磷光发磷光非辐射共振能量转移非辐射共振能量转移总自旋为一。总自旋为一。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 124.3 光合作用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。光合细胞捕获光能并将
14、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，并产生氧气（这一过程称为光反应）。然后再利用光反应）。然后再利用ATP的化学能使的化学能使CO2 还原成淀粉和糖（这一还原成淀粉和糖（这一过程称为暗反应）。过程称为暗反应）。光合作用的基本化学公式为：光合作用的基本化学公式为：H2O+CO2 （CH2O）+O2光光糖糖河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 134.3.1 光反应系统光反应系统光系统光
15、系统II光系统光系统I细胞色素细胞色素b/f复合物复合物ATP合酶合酶复合物复合物光系统吸收光光系统吸收光能产生高能电能产生高能电子；高能电子子；高能电子沿电子传递链沿电子传递链逐步释放能量，逐步释放能量，产生氧气和质产生氧气和质子跨膜电势；子跨膜电势；最后由质子跨最后由质子跨膜电势推动膜电势推动ATP合成酶合成酶（即旋转马达）（即旋转马达）产生转动以及产生转动以及一系列构象变一系列构象变化，实现化，实现ATP的合成。的合成。光反应过程光反应过程河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 144.3.2 光系统光系统II的结构的结构（PDB ID：1IZL)河北工业大学河北工业大学 生物物
16、理学生物物理学 15主要的色素分子主要的色素分子叶绿素叶绿素 chlorophyll 脱镁叶绿素脱镁叶绿素 pheophytin质体醌质体醌 plastoquinone b b-胡萝卜素胡萝卜素 b b-carotene 血红素血红素 heme 河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 16反应中心反应中心Ferreira et al,Science,2004在光系统在光系统II中，有近中，有近200个叶绿素分子，但只有一小部分叶绿素分子参与构成了导致个叶绿素分子，但只有一小部分叶绿素分子参与构成了导致电子分离的反应中心。其它叶绿素分子吸收了光能后将能量转移集中到反应中心，电子分离的反应
17、中心。其它叶绿素分子吸收了光能后将能量转移集中到反应中心，因而这些分子被称为天线色素。因而这些分子被称为天线色素。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 174.3.3 光系统光系统II中的能量转移机制中的能量转移机制 光系统光系统II中的天线色素能够把吸收到的能量转移到反应中心，这个能量转中的天线色素能够把吸收到的能量转移到反应中心，这个能量转移的机制是目前光生物物理学研究的最前沿课题之一。移的机制是目前光生物物理学研究的最前沿课题之一。当前的主流观点认为，天线色素分子吸收了光子的能量后会形成激子态。相邻的激当前的主流观点认为，天线色素分子吸收了光子的能量后会形成激子态。相邻的激子态
18、会产生量子相干态。这种相干态可以将色素分子较长时间地保持在激发态，并使子态会产生量子相干态。这种相干态可以将色素分子较长时间地保持在激发态，并使得这种高能的量子态在较大空间范围内的转移更有效。得这种高能的量子态在较大空间范围内的转移更有效。Fleming等人等人1,2,3采用二维电采用二维电子光谱和光子回声实验支持了这种观点。子光谱和光子回声实验支持了这种观点。然而要真正接受这种观点还需要有可靠的理论分析和计算的支持。这种理论分析和然而要真正接受这种观点还需要有可靠的理论分析和计算的支持。这种理论分析和计算必须有可靠的结构依据，特别是其中关于分子间相互作用的描述必须合理。由于计算必须有可靠的结
19、构依据，特别是其中关于分子间相互作用的描述必须合理。由于色素分子都处于一定的蛋白质环境，所以在这种分析中对色素分子与周围氨基酸的相色素分子都处于一定的蛋白质环境，所以在这种分析中对色素分子与周围氨基酸的相互作用也需要有合理的定量描述。这些问题是目前这方面的理论工作面临的主要困难。互作用也需要有合理的定量描述。这些问题是目前这方面的理论工作面临的主要困难。1 G.S.Engel et al,Nature,2007.2 H.Lee et al,Science,2007.3 Y.C.Cheng&G.R.Fleming,Annu.Rev.Phys.Chem.2009.河北工业大学河北工业大学 生物物理
20、学生物物理学 184.4 荧光及其应用荧光及其应用 分子中处于单态激发态的电子从电子激发态中的振动基态跃迁到电子基态分子中处于单态激发态的电子从电子激发态中的振动基态跃迁到电子基态的各振动量子态时所发出的光子叫荧光。的各振动量子态时所发出的光子叫荧光。分子发出的荧光光子的频率决定于分子的量子态的能级差。分子的量子分子发出的荧光光子的频率决定于分子的量子态的能级差。分子的量子态结构具有很强的特异性，所以一种分子所发出的荧光往往带有很强的特态结构具有很强的特异性，所以一种分子所发出的荧光往往带有很强的特异性。这种特性被利用来识别分子的存在，分析物质成分。分子发出的荧异性。这种特性被利用来识别分子的
21、存在，分析物质成分。分子发出的荧光会受到与分子有相互作用的其它分子的影响，因而通过分析分子荧光光光会受到与分子有相互作用的其它分子的影响，因而通过分析分子荧光光谱的峰值变化，可以得到有关分子环境的信息，甚至可以用来探测分子间谱的峰值变化，可以得到有关分子环境的信息，甚至可以用来探测分子间的距离。随着绿色荧光蛋白的发现，荧光的应用范围更加广阔。目前，荧的距离。随着绿色荧光蛋白的发现，荧光的应用范围更加广阔。目前，荧光探针已经是对活体细胞进行直接观测的最重要手段之一。光探针已经是对活体细胞进行直接观测的最重要手段之一。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 194.4.1 荧光光谱与吸收光
22、谱荧光光谱与吸收光谱以荧光强度为纵坐标，荧光的波长或频率为横坐标所画出的曲线称为荧光光谱以荧光强度为纵坐标，荧光的波长或频率为横坐标所画出的曲线称为荧光光谱。（1）光谱红移）光谱红移(Stokes shift)原因：激发往往使分子处于较高的激发态或较高的振动能级，而原因：激发往往使分子处于较高的激发态或较高的振动能级，而荧光总是发自于最低激发态的最低振动能级向基态的各振动能级荧光总是发自于最低激发态的最低振动能级向基态的各振动能级的跃迁。多出的能量以内转换的方式释放掉。的跃迁。多出的能量以内转换的方式释放掉。（2）吸收光谱与荧光光谱形成左右对称。）吸收光谱与荧光光谱形成左右对称。（3）荧光光谱
23、的结构不决定于激发光的波长，但荧光强度与）荧光光谱的结构不决定于激发光的波长，但荧光强度与Franck Condon 原理：跃迁的瞬间原子核的间距不变。原理：跃迁的瞬间原子核的间距不变。荧光荧光光谱光谱吸收吸收光谱光谱波长波长光光强强电子激发态和电子基态有相似的振动能级分布，从基态的最低电子激发态和电子基态有相似的振动能级分布，从基态的最低振动能级跃迁到第一电子激发态的各振动能级的几率与由第一振动能级跃迁到第一电子激发态的各振动能级的几率与由第一电子激发态的最低振动能级跃迁到基态各振动能级的几率很相电子激发态的最低振动能级跃迁到基态各振动能级的几率很相近。由于光强正比于跃迁几率，因此吸收光谱与
24、荧光光谱形成近。由于光强正比于跃迁几率，因此吸收光谱与荧光光谱形成左右对称。左右对称。荧光光谱及其峰位的波长总是比它的吸收荧光光谱及其峰位的波长总是比它的吸收光谱光谱及其峰位波长要长。及其峰位波长要长。激发光波长有关。激发光波长有关。荧光荧光激发光激发光电子基态电子基态振动基态振动基态振动激发态振动激发态电子激发态电子激发态内转换内转换能能量量荧光光谱的特性：荧光光谱的特性：以吸收光强为纵坐标，入射光的波长或频率为横坐标所画出的曲线称为吸收光谱以吸收光强为纵坐标，入射光的波长或频率为横坐标所画出的曲线称为吸收光谱。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 204.4.2 非辐射共振能量转
25、移非辐射共振能量转移两个具有相同或相近激发态能级的分子，达到一定距离时，通过偶极子电磁共振的方两个具有相同或相近激发态能级的分子，达到一定距离时，通过偶极子电磁共振的方式将供体分子式将供体分子D的激发能转移给受体分子的激发能转移给受体分子A，叫做非辐射共振能量转移。，叫做非辐射共振能量转移。1。能量供体与能量受体分子之间的距离要在。能量供体与能量受体分子之间的距离要在 5 10 nm 之间。之间。2。供体的荧光光谱必须与受体的吸收光谱要有重叠。供体的荧光光谱必须与受体的吸收光谱要有重叠3。供体必须是发荧光的物质。供体必须是发荧光的物质共振能量转移三个条件：共振能量转移三个条件：DA敏化荧光：敏
26、化荧光：用供体（敏化剂用供体（敏化剂,S）吸收的光照射，通过非辐射能量转移，）吸收的光照射，通过非辐射能量转移，细胞膜的厚度一般为细胞膜的厚度一般为 5 nm，共振能量转移可跨膜进行。，共振能量转移可跨膜进行。能量转移率（能量转移率（Frster,1959）：）：601TDRKrr 为供受体分子间的实际距离，为供受体分子间的实际距离，R0 为分子间的临界距离，为分子间的临界距离，D 是供体的荧光寿命。是供体的荧光寿命。若引入能量转移效率：若引入能量转移效率：1TDTKEK则有：则有：1 6101rRE测出能量转移效率既可推知分子间的距离。测出能量转移效率既可推知分子间的距离。使受体使受体(A)
27、发荧光。发荧光。河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 214.4.3 荧光的应用荧光的应用由光谱的峰值位置和高度推断成分、结构、机理等等由光谱的峰值位置和高度推断成分、结构、机理等等溶剂效应：溶剂效应：溶剂对荧光团荧光光谱位移的影响，可引起红移或蓝移，溶剂对荧光团荧光光谱位移的影响，可引起红移或蓝移，溶质对荧光的影响：荧光猝灭溶质对荧光的影响：荧光猝灭荧光探针：绿色荧光蛋白，黄色荧光探针：绿色荧光蛋白，黄色荧光蛋白，蓝色荧光蛋白，荧光蛋白，蓝色荧光蛋白，.用激发能转移测定分子间距离用激发能转移测定分子间距离小鼠小鼠Brainbow的彩色大脑的彩色大脑2009年年11月月12日日Nature 封面封面Chong Fang et al.用荧光探针标记分子马达，再结用荧光探针标记分子马达，再结合光镊技术，研究单个分子马达合光镊技术，研究单个分子马达的运动。的运动。由此推断溶剂的性质和变化。由此推断溶剂的性质和变化。
