生物物理學林東海分子生物物理4能量轉移名師優(yōu)質課賽課一等獎市公開課獲獎課件

§2.4生物大分子能量轉移

1.分子能態(tài)

2.蛋白質與核酸能量狀態(tài)

3.生物分子中能量轉移第1頁

生物大分子都是由各種不一樣組分組成聚合體系，其能量狀態(tài)也是由各組分能態(tài)決定，其中起主要作用是共軛體系，即π電子非定域化體系。比如：

蛋白質中各種芳香氨基酸，核酸中嘧啶和嘌呤堿基。

它們在決定生物大分子光學性質、激發(fā)能量傳遞含有主要意義。第2頁1.分子能態(tài)

組成物質分子均處于一定能態(tài)并不停地運動著。分子運動可分為平動、轉動、振動和分子內電子運動，每種運動狀態(tài)都處于一定能級.分子能量:

其中:是分子內在不隨分子運動而改變能量;是只與溫度相關平動能量；、、分別是與光譜相關分子轉動能量、振動能量和電子能量。第3頁分子每一個能量都有一系列能級，能級不是任意，而是含有量子化特征。通常分子處于基態(tài)，當它吸收一定能量躍遷到激發(fā)態(tài)，則產生吸收光譜。分子轉動、振動和電子能級躍遷，對應地產生轉動、振動及電子光譜。第4頁按照量子力學原理，分子能態(tài)按一定規(guī)律跳躍式地改變。物質在入射光照射下，分子吸收光時，其能量增加是不連續(xù)，吸收光頻率和兩個能級間能量差符合以下關系:El

，E2

分別表示初能態(tài)，終能態(tài)能量。初能態(tài)與終能態(tài)之間能量差愈大，則所吸收光頻率愈高(即波長愈短)，反之則所吸收光頻率愈低(即波長愈長)。第5頁分子轉動、振動及電子能級躍遷能量差異較大，所以，其吸收光譜出現(xiàn)在不一樣光譜區(qū)域。能級躍遷能量光譜區(qū)域分子轉動E<0.05eV遠紅外或微波區(qū)分子振動E=0.5~1.0eV中紅外區(qū)電子能級E=1~20eV近紅外和紫外第6頁可見光、紫外光吸收光譜是因為分子中聯(lián)絡較渙散價電子被激發(fā)產生躍遷從而吸收光輻射能量形成，即分子由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，電子由一個低能級軌道(即成鍵軌道)吸收了光能量躍遷到高能級軌道(稱為反鍵軌道)。第7頁與吸收光譜相關三種電子電子種類定義

σ電子兩個原子電子沿其對稱方向相互形成共價鍵（即單鍵）稱σ鍵，組成σ鍵電子稱為σ電子

π電子平行于兩個原子軌道形成價鍵（即雙鍵），稱π鍵，組成π鍵電子稱為π電子，如C=C鍵n電子未形成鍵電子稱為n電子第8頁電子躍遷類型與紫外吸收波長（nm）關系第9頁若逐步改變照射某物質入射光波長，并測定物質對各種波長光吸收程度（吸光度“A”或光密度“OD”）或透射程度（透光度“T”），以波長作橫坐標，“A”或“T”為縱坐標，得物質吸收光譜曲線：第10頁吸收光譜特征:曲線上“A”處稱最大吸收峰，所對應波長稱最大吸收波長，以表示。曲線上“B”處稱最小吸收谷，所對應波長稱最小吸收波長，以表示。曲線上在最大吸收峰旁“C”稱肩峰。在吸收曲線波長最短一端，曲線上“D”處，吸收相當強，但不成形，此處稱為未端吸收。

是化合物中電子能級躍遷時吸收特征波長，不一樣物質有不一樣最大吸收峰，所以它對判定化合物極為主要。吸收光譜，

、肩峰以及整個吸收光譜形狀決定于物質性質，其特征隨物質結構而異，是物質定性依據。第11頁2.蛋白質與核酸能量狀態(tài)蛋白質或核酸都是由各種不一樣組分組成聚合體，其能量狀態(tài)由各組分能態(tài)決定，其中起主要作用是共軛體系。蛋白質能態(tài)主要取決于色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸這三種芳香氨基酸，因為它們含有共軛大π鍵，含有熒光特征。

第12頁三種芳香氨基酸能態(tài)苯丙氨酸熒光量子很小，熒光很弱，對蛋白質發(fā)光貢獻可忽略不計。蛋白質熒光決定于三種氨基酸，依據蛋白質發(fā)光特征，將蛋白質分成A、B、C三類。氨基酸吸收峰熒光峰熒光量子苯丙氨酸2582820.04酪氨酸2753030.21色氨酸2803480.2第13頁A類蛋白質只含酪氨酸不含色氨酸，其熒光特征與酪氨酸相同，峰值為303nm，如胰島素、玉米蛋白等;B類蛋白質含有酪氨酸和色氨酸，其熒光表現(xiàn)為色氨酸熒光特征，不過，其熒光峰值則隨蛋白質而異，普通在330~350nm之間，如人血清白蛋白、酵母脫氫酶等;C類蛋白質僅含苯丙氨酸，如超氧化物歧化酶、肝銅蛋白等，其發(fā)光特征與苯丙氨酸相同。第14頁核酸及堿基熒光（單位：nm）激發(fā)光波長ATCGURNADNA260~280355310400370355350~360340~360296~313355395400370430380~400350~380核酸與蛋白質不一樣，室溫下它熒光很弱。堿基在水溶液中室溫下熒光量子普通小于10-4

，所以往往要在k系譜線77以下研究它熒光.用光子計數器能夠檢測核酸熒光。用不一樣激發(fā)光所得到各堿基及DNA、RNA等熒光波長以下表1-所表示。第15頁3.生物分子中能量轉移能量轉移:能量在分子內或分子間從一個部位轉移到另一個部位。在生物體內，相關能量轉移問題主要是研究能量轉移過程中不消耗熱能，供能者與受能者不發(fā)生碰撞，原子在遠于原子間距范圍內，由一個部位到另一個部位非輻射性能量轉移，有時也將這種方式稱為能量遷移(energymigration)

。能量轉移能夠經過三種路徑發(fā)生:

重合(交換)轉移,電荷轉移,共振轉移第16頁(1)重合(交換)轉移又稱激子轉移，是一個短程能量轉移，普通在0.2~0.5nm內才表現(xiàn)出來。當兩個相同分子靠近時，其電子軌道存在一定重合，電子進行能量交換。A分子激子能夠在B分子上出現(xiàn)，B分子激子也必定到A分子上去，半導體即是這種轉移方式。電子從滿帶被激發(fā)到激發(fā)帶。激發(fā)帶是整個晶體所共有，滿帶空穴與激發(fā)帶電子處于束縛狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為激子。激子能夠看成電荷對，經過激子遷移傳遞能量。第17頁(2)電荷轉移當兩個分子充分靠近時，一個電子從一個分子基態(tài)能級到另一個分子激發(fā)態(tài)能級現(xiàn)象稱為電荷轉移現(xiàn)象。電荷轉移與激子轉移不一樣,它需要更大能量將電子提升到晶體傳導帶上進行轉移，電子能夠遷移一段較長距離(長程)。轉移電子能很快與原子或其它離子發(fā)生重新組合，也可能落于陷阱，發(fā)磷光、熒光，產生熱效應或遠離激發(fā)處發(fā)生化學反應。第18頁(3)共振轉移經過兩個分子之間電磁偶聯(lián)作用進行能量轉移。一個分子能夠看成是正負電荷分離偶極子，分子受激發(fā)后將以一定頻率振動，振動時能量逐步釋放，假如其附近有振動頻率相同另一個分子存在，則經過兩個分子之間偶極-偶極相互作用，能量以非輻射方式從前者轉移到后者。處于激發(fā)態(tài)生物大分子，可經過共振轉移將能量傳遞給附近防護劑分子，使生物大分子得到保護，這已用各種方法得到驗證：防護劑能淬滅由大分子發(fā)出磷光;ESR譜研究表明，DNA吸收能量能夠傳遞給MER（琉基乙膠);溴尿嘧啶（5-BU）核苷取代胸腺嘧啶摻入到DNA分子中，胸腺