理学类生物物理学.pptVIP

*河北工业大学生物物理学理学类生物物理学*河北工业大学生物物理学第1页，共22页，星期日，2025年，2月5日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荧光及其应用第4章光生物物理**第2页，共22页，星期日，2025年，2月5日4.1光生物物理简介可见光（电磁波）能量：1.55~3.26eV波长：380~800nm频率：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。光能机械能生命？光能化学能（ATP）机械能绿色植物、藻类、光合细菌分子马达光合系统、ATP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，如植物的叶绿体中的叶绿素分子，蛋白质中的色氨酸和酪氨酸等等。**第3页，共22页，星期日，2025年，2月5日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（10-15s），振动弛豫（10-12s）,发荧光（10-10~10-8s），发磷光（10-3s），以及光生电子、质子的转移等等。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。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。**第4页，共22页，星期日，2025年，2月5日第一个例子：叶绿体叶绿体植物细胞蔗糖光合作用：光合细胞捕获光能并将其转变为化学能的过程。**第5页，共22页，星期日，2025年，2月5日第二个例子：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。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.PhillipsJr.,Nat.Biotechnol.1996(1gfl)绿色荧光蛋白**第6页，共22页，星期日，2025年，2月5日光生物物理研究需要哪些知识？生物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！生物化学**第7页，共22页，星期日，2025年，2月5日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。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。**第8页，共22页，星期日，2025年，2月5日4.2.1分子的电子量子态分子的电子能级激发弛豫基态第一激发态第二激发态能量rE电子基态电子第一激发态振动基态对于分子，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。光子的能量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。（爱因斯坦关系）氢分子：氢原子：叶绿素a：**第9页，共22页，星期日，2025年，2月5日4.2.2分子的振动和转动量子态振动基态分子的振动能级电子基态电子第一激发态振动第一激发