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生物物理学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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。
10、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
11、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
12、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
13、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
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