生物物理学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生生 物物 物物 理理 学学河北工业大学 生物物理所1河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第1页l4.1 光生物物理介绍光生物物理介绍l4.2 分子激发与驰豫分子激发与驰豫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2河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第2页4.1 光生物物理介绍光生物物理介绍可见光（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 triphosphate)光光 生命能量起源生命能量起源光光 一定能量、波长、频率范围内电磁波一定能量、波长、频率范围内电磁波生命生命 能够复制自己能量转换器能够复制自己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分子或分子体系叫做生色团或光感受体，如植物叶绿体中机体中能够吸收光分子或分子体系叫做生色团或光感受体，如植物叶绿体中叶绿素分子，蛋白质中色氨酸和酪氨酸等等。叶绿素分子，蛋白质中色氨酸和酪氨酸等等。3河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第3页光生物物理研究什么？光生物物理研究什么？这些过程包含生物分子吸收光到激发态跃迁（这些过程包含生物分子吸收光到激发态跃迁（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、质子），以及光生电子、质子转移等等。转移等等。光生物物理学主要研究内容：光生物物理学主要研究内容：在了解光感受体分子结构基础上，利用相关光与物质分子相互作在了解光感受体分子结构基础上，利用相关光与物质分子相互作用物理学知识，找出这些生物分子各种光激发和驰豫过程机理和规律。用物理学知识，找出这些生物分子各种光激发和驰豫过程机理和规律。光生物物理学是研究光对机体作用光物理和原初光化学过程科学。光生物物理学是研究光对机体作用光物理和原初光化学过程科学。4河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第4页第一个例子：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：光合细胞捕捉光能并将其转变光合细胞捕捉光能并将其转变为化学能过程。为化学能过程。5河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第5页第二个例子：绿色荧光蛋白第二个例子：绿色荧光蛋白（GFP）绿色荧光蛋白绿色荧光蛋白(GFP，蛋白质编号，蛋白质编号1gfl）是在一个水）是在一个水母体内发觉。这种蛋白质从阳光中吸收紫外光，然母体内发觉。这种蛋白质从阳光中吸收紫外光，然后以能量较低绿光形式（后以能量较低绿光形式（2.44eV）发射出来。）发射出来。GFP控制光部位是其本身一部分，仅由氨基酸构建控制光部位是其本身一部分，仅由氨基酸构建而成，该部位含有一段三个氨基酸组成特殊序列：而成，该部位含有一段三个氨基酸组成特殊序列：丝氨酸酪氨酸甘氨酸（有时丝氨酸会被相同苏丝氨酸酪氨酸甘氨酸（有时丝氨酸会被相同苏氨酸取代）。当蛋白质链折叠时，这段短片段就被氨酸取代）。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：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，生成一个新闭合甘氨酸与丝氨酸之间形成化学键，生成一个新闭合环，随即这个环会自动脱水。最终，经过大约一个环，随即这个环会自动脱水。最终，经过大约一个小时反应，周围环境中氧气攻击酪氨酸一个化学键，小时反应，周围环境中氧气攻击酪氨酸一个化学键，形成一个新双键并合成荧光发色团。形成一个新双键并合成荧光发色团。下村修、马丁查尔菲和钱永健因为发觉和改造绿色荧光蛋白分获诺贝尔化学奖；钱永健为钱学森堂侄。F.Yang,L.G.Moss,G.N.Phillips Jr.,Nat.Biotechnol.1996(1gfl)绿色荧光蛋白绿色荧光蛋白6河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第6页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正光生物物理学是一门真正交叉科学！交叉科学！生物化学生物化学7河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第7页4.2 分子激发与驰豫分子激发与驰豫依据量子力学原理，分子存在状态是量子化。在这些量子态中分子能依据量子力学原理，分子存在状态是量子化。在这些量子态中分子能量只能取一些量子化离散值，其中能量最低量子态称为量只能取一些量子化离散值，其中能量最低量子态称为基态基态，其它量，其它量子态称为子态称为激发态激发态。当分子与光或其它分子相互作用满足某种特定条件。当分子与光或其它分子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跃迁称时，分子会在这些量子态之间发生跃迁。分子从基态到激发态跃迁称为为激发激发，分子从激发态到基态跃迁称为，分子从激发态到基态跃迁称为驰豫驰豫。光与生物分子相互作用。光与生物分子相互作用与分子这种量子态结构亲密相关。与分子这种量子态结构亲密相关。分子是由多原子组成。分子量子态包含分子是由多原子组成。分子量子态包含电子量子态电子量子态与核运动量子态。与核运动量子态。核运动量子态包含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，因为相三种形式。通常，因为相邻平动量子态能级间隔非常小，能够认为分子平动能量是连续分布。邻平动量子态能级间隔非常小，能够认为分子平动能量是连续分布。8河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第8页4.2.1 分子电子量子态分子电子量子态分子电子能级分子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，其每一个电子能级大对于分子，其每一个电子能级大小还与原子核间距离小还与原子核间距离 r 相关。使相关。使电子态能量到达最小值核间距称电子态能量到达最小值核间距称为平衡核间距。平衡核间距定义为平衡核间距。平衡核间距定义了化学键键长。了化学键键长。光子能量光子能量当入射光子能量等于某一激发态到基态能级差时，当入射光子能量等于某一激发态到基态能级差时，分子就会吸收光子而激发。驰豫过程有各种路径，分子就会吸收光子而激发。驰豫过程有各种路径，包含发射光子和与周围交换热量等。包含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：氢原子：氢原子：叶绿素叶绿素a：9河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第9页4.2.2 分子振动和转动量子态分子振动和转动量子态振动基态振动基态分子振动能级分子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依据量子理论，分子振动和转动能级也是量子化。依据量子理论，分子振动和转动能级也是量子化。分子总量子态能级是三套能级叠加。分子总量子态能级是三套能级叠加。三种运动能级三种运动能级差以下表所表示：差以下表所表示：分子转动分子转动分子振动分子振动电子运动电子运动 10-4 0.0510-4 0.050.05 11 20104 2525 11 0.11 400400 104104 105表表4-1 三种运动能级差、波数、波长范围及光谱名称三种运动能级差、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10河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第10页4.2.3 激发与驰豫各种路径激发与驰豫各种路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：分子中配对电子，自旋态：分子中配对电子，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。11河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第11页4.3 光合作用光合作用光合细胞捕捉光能并将其转变为化学能过程称为光合作用。光合细胞捕捉光能并将其转变为化学能过程称为光合作用。在光合作用中，光合细胞首先利用叶绿体中类囊体膜上光合系统将在光合作用中，光合细胞首先利用叶绿体中类囊体膜上光合系统将光能转化为化学能，即合成光能转化为化学能，即合成ATP，并产生氧气（这一过程称为光反，并产生氧气（这一过程称为光反应）。然后再利用应）。然后再利用ATP化学能使化学能使CO2 还原成淀粉和糖（这一过程称还原成淀粉和糖（这一过程称为暗反应）。为暗反应）。光合作用基本化学公式为：光合作用基本化学公式为：H2O+CO2 （CH2O）+O2光光糖糖12河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第12页4.3.1 光反应系统光反应系统光系统光系统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；最终由质子跨最终由质子跨膜电势推进膜电势推进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改一系列构象改变，实现变，实现ATP合成。合成。光反应过程光反应过程13河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第13页4.3.2 光系统光系统II结构结构（PDB ID：1IZL)14河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第14页主要色素分子主要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 15河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第15页反应中心反应中心Ferreira et al,Science,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加组成了造成个叶绿素分子，但只有一小部分叶绿素分子参加组成了造成电子分离反应中心。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，因而电子分离反应中心。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，因而这些分子被称为天线色素。这些分子被称为天线色素。16河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第16页4.3.3 光系统光系统II中能量转移机制中能量转移机制 光系统光系统II中天线色素能够把吸收到能量转移到反应中心，这个能量转移机中天线色素能够把吸收到能量转移到反应中心，这个能量转移机制是当前光生物物理学研究最前沿课题之一。制是当前光生物物理学研究最前沿课题之一。当前主流观点认为，天线色素分子吸收了光子能量后会形成激子态。相邻激子态会当前主流观点认为，天线色素分子吸收了光子能量后会形成激子态。相邻激子态会产生量子相干态。这种相干态能够将色素分子较长时间地保持在激发态，并使得这种产生量子相干态。这种相干态能够将色素分子较长时间地保持在激发态，并使得这种高能量子态在较大空间范围内转移更有效。高能量子态在较大空间范围内转移更有效。Fleming等人等人1,2,3采取二维电子光谱和光采取二维电子光谱和光子回声试验支持了这种观点。子回声试验支持了这种观点。然而要真正接收这种观点还需要有可靠理论分析和计算支持。这种理论分析和计算然而要真正接收这种观点还需要有可靠理论分析和计算支持。这种理论分析和计算必须有可靠结构依据，尤其是其中关于分子间相互作用描述必须合理。因为色素分子必须有可靠结构依据，尤其是其中关于分子间相互作用描述必须合理。因为色素分子都处于一定蛋白质环境，所以在这种分析中对色素分子与周围氨基酸相互作用也需要都处于一定蛋白质环境，所以在这种分析中对色素分子与周围氨基酸相互作用也需要有合理定量描述。这些问题是当前这方面理论工作面临主要困难。有合理定量描述。这些问题是当前这方面理论工作面临主要困难。1 G.S.Engel et al,Nature,.2 H.Lee et al,Science,.3 Y.C.Cheng&G.R.Fleming,Annu.Rev.Phys.Chem.17河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第17页4.4 荧光及其应用荧光及其应用 分子中处于单态激发态电子从电子激发态中振动基态跃迁到电子基态各振分子中处于单态激发态电子从电子激发态中振动基态跃迁到电子基态各振动量子态时所发出光子叫荧光。动量子态时所发出光子叫荧光。分子发出荧光光子频率决定于分子量子态能级差。分子量子态结构含有分子发出荧光光子频率决定于分子量子态能级差。分子量子态结构含有很强特异性，所以一个分子所发出荧光往往带有很强特异性。这种特征被很强特异性，所以一个分子所发出荧光往往带有很强特异性。这种特征被利用来识别分子存在，分析物质成份。分子发出荧光会受到与分子有相互利用来识别分子存在，分析物质成份。分子发出荧光会受到与分子有相互作用其它分子影响，因而经过分析分子荧光光谱峰值改变，能够得到相关作用其它分子影响，因而经过分析分子荧光光谱峰值改变，能够得到相关分子环境信息，甚至能够用来探测分子间距离。伴随绿色荧光蛋白发觉，分子环境信息，甚至能够用来探测分子间距离。伴随绿色荧光蛋白发觉，荧光应用范围愈加辽阔。当前，荧光探针已经是对活体细胞进行直接观察荧光应用范围愈加辽阔。当前，荧光探针已经是对活体细胞进行直接观察最主要伎俩之一。最主要伎俩之一。18河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第18页4.4.1 荧光光谱与吸收光谱荧光光谱与吸收光谱以荧光强度为纵坐标，荧光波长或频率为横坐标所画出曲线称为荧光光谱以荧光强度为纵坐标，荧光波长或频率为横坐标所画出曲线称为荧光光谱。（1）光谱红移）光谱红移(Stokes shift)原因：激发往往使分子处于较高激发态或较高振动能级，而荧光原因：激发往往使分子处于较高激发态或较高振动能级，而荧光总是发自于最低激发态最低振动能级向基态各振动能级跃迁。多总是发自于最低激发态最低振动能级向基态各振动能级跃迁。多出能量以内转换方式释放掉。出能量以内转换方式释放掉。（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）荧光光谱结构不决定于激发光波长，但荧光强度与）荧光光谱结构不决定于激发光波长，但荧光强度与Franck Condon 原理：跃迁瞬间原子核间距不变。原理：跃迁瞬间原子核间距不变。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同振动能级分布，从基态最低振动能电子激发态和电子基态有相同振动能级分布，从基态最低振动能级跃迁到第一电子激发态各振动能级几率与由第一电子激发态最级跃迁到第一电子激发态各振动能级几率与由第一电子激发态最低振动能级跃迁到基态各振动能级几率很相近。因为光强正比于低振动能级跃迁到基态各振动能级几率很相近。因为光强正比于跃迁几率，所以吸收光谱与荧光光谱形成左右对称。跃迁几率，所以吸收光谱与荧光光谱形成左右对称。荧光光谱及其峰位波长总是比它吸收荧光光谱及其峰位波长总是比它吸收光谱光谱及其峰位波长要长。及其峰位波长要长。激发光波长相关。激发光波长相关。荧光荧光激发光激发光电子基态电子基态振动基振动基态态振动激发振动激发态态电子激发电子激发态态内转换内转换能能量量荧光光谱特征：荧光光谱特征：以吸收光强为纵坐标，入射光波长或频率为横坐标所画出曲线称为吸收光谱以吸收光强为纵坐标，入射光波长或频率为横坐标所画出曲线称为吸收光谱。19河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第19页4.4.2 非辐射共振能量转移非辐射共振能量转移两个含有相同或相近激发态能级分子，到达一定距离时，经过偶极子电磁共振方式将供两个含有相同或相近激发态能级分子，到达一定距离时，经过偶极子电磁共振方式将供体分子体分子D激发能转移给受体分子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距离要在。能量供体与能量受体分子之间距离要在 5 10 nm 之间。之间。2。供体荧光光谱必须与受体吸收光谱要有重合。供体荧光光谱必须与受体吸收光谱要有重合3。供体必须是发荧光物质。供体必须是发荧光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：敏化荧光：用供体（敏化剂用供体（敏化剂,S）吸收光照射，经过非辐射能量转移，）吸收光照射，经过非辐射能量转移，细胞膜厚度普通为细胞膜厚度普通为 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）：）：r 为供受体分子间实际距离，为供受体分子间实际距离，R0 为分子间临界距离，为分子间临界距离，tD 是供体荧光寿命。是供体荧光寿命。若引入能量转移效率：若引入能量转移效率：则有：则有：测出能量转移效率既可推知分子间距离。测出能量转移效率既可推知分子间距离。使受体使受体(A)发荧光。发荧光。20河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第20页4.4.3 荧光应用荧光应用由光谱峰值位置和高度推断成份、结构、机理等等由光谱峰值位置和高度推断成份、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影响，可引发红移或蓝移，溶剂对荧光团荧光光谱位移影响，可引发红移或蓝移，溶质对荧光影响：荧光猝灭溶质对荧光影响：荧光猝灭荧光探针：绿色荧光蛋白，黄色荧荧光探针：绿色荧光蛋白，黄色荧光蛋白，蓝色荧光蛋白，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彩色大脑彩色大脑11月12日Nature封面Chong Fang et al.用荧光探针标识分子马达，再结用荧光探针标识分子马达，再结合光镊技术，研究单个分子马达合光镊技术，研究单个分子马达运动。运动。由此推断溶剂性质和改变。由此推断溶剂性质和改变。21河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学 第21页更多资源初一语文初一英语初一数学初一政治初一历史初一地理初一生物22河北工业大学 生物物理学第22页