第五部分-光生物物理学

•Confidentiality/dateline:13ptArialRegular,whiteMaximumlength:1line•Informationseparatedbyverticalstrokes,withtwospacesoneitherside•Disclaimerinformationmayalsobeappearinthisarea.Placeflushleft,alignedatbottom,8-10ptArialRegular,whiteIndicationsingreen=LivecontentIndicationsinwhite=EditinmasterIndicationsinblue=LockedelementsIndicationsinblack=Optionalelements•Copyright:10ptArialRegular,white第六讲光生物物理学主要内容：1）光生物学过程的特征;2）生物分子水平的发光原初过程;3）光对生物大分子的作用;4）生物发光与化学发光作用内容介绍紫外光和可见光的特征:1)都属于电磁光谱，以光子为单位。2）光子的能量：E=hν=hc/λh,普朗克常数=6.62610-34Js,ν是频率，c是光速，λ波长远紫外近紫外可见近红外中红外远红外（真空紫外）10nm~200nm200nm~380nm380nm~780nm780nm~2.5m2.5m~50m50m~300m2、研究内容：1）光的原初过程光化反应实际是包括两个步骤：第一是光量子的吸收，此过程是在光作用下直接产生的反应，叫做光反应。第二是化学反应，它是光反应后的继发反应，所以叫暗反应包括：光吸收后的激发和激发态；荧光和磷光的发射和衰减；激发能的转栘；光生电子的转移；质子转栘；自由基与单线态氧的形成以及瞬变产物的形成与转化等等．暗反应。光反应2）对光能转换过程的研究:光对机体的作用中，所有的过程都有感受光的生色团参与。这些生色团处在生物膜上，在光生物物理学中又叫光感受体，它们往往是色素与蛋白质的复合物。研究这些光感受体的结构与功能之间的关系，特别是瞬变产物的特点，是光能转换中的关键问题。3、光生物学过程的特征（与辐射生物学的不同之处）：1）辐射生物学是研究高能辐射，如x射线与γ射线等对机体的作用；而光生物学是研究低能辐射(可见光、紫外光等）对机体的作用．高能辐射因其能量大，与物质的相互作用会引起电离与激发，而主要是引起电离作用，从而启动一系列的原初与继发的复杂反应；可见光、紫外光与物质的相互作用主要是引起激发，激发的分子由于比原来的分子有较高的能量所以不稳定，会发生一系列的弛豫过程，将多余能量以不同形式释放，分子本身又回到稳定的基态。这些激发分子的各种弛豫过程，就是光生物物理所要研究的一些基本的原初光反应及其规律。2）光生物物理还有一特征，就是光对机体的照射，机体中必须有能吸收这些波长光的物质分子存在才能发生反应。这些能吸收相应可见光和紫外光波长的物质分子就叫做生色团(chromophore)。生色团又叫光感受体，如光合作用中的叶绿素，植物光形态建成中的光敏色素，嗜盐菌的菌紫质，视觉过程中的视紫质等等。在高能辐射作用中，因为辐射能量大，只要撞击物质分子都会发生电离，无需机体中有特殊结构的物质分子来吸收。一、荧光的产生传递途径荧光延迟荧光磷光辐射跃迁无辐射跃迁系间跨越内转移外转移振动弛豫S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫1、基态一个分子在未吸收光能前所处的最低能量状态，叫基态。2、激发态当吸收光能后分子就会使一个电子提高到高能量轨道，这种能量提高的状态叫做电子激发态，简称激发态。有最低的电子激发态叫第一激发态；有较高的电子激发态分别叫做第二、第三激发态等等。第二、第三激发态可将多余能量以热能释放并降到第一激发态。一、荧光的产生3、单线态当吸收光子处于激发态时，虽然能量提高了，但电子自旋方向并没有改变，这时的激发态仍然是单线态。4、三重态指分子中电子自旋量子数S=1，即原来两个配对的自旋方向相反的电子之一自旋方向改变，以至电子自旋之和不为0的情况。一、荧光的产生驰豫过程：吸收光能后分子处于激发态，处于激发态的分子可以通过多种途径，将多余的能量释放，使分子又回到稳定的基态，这些释放多余能量的过程就是驰豫过程。S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫5、驰豫过程一、荧光的产生内转换：当两个电子能级非常靠近以至其振动能级有重叠时，如第一激发单重态的较高能级与第二激发态单重态的某一较低能级位能相同会发生电子由高电子能级以无辐射跃迁的方式跃迁至低能级上，称为内转换，转换速度10-13~10-11S（快）。S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫5、驰豫过程一、荧光的产生系间跨越：指激发单重态与三重态之间的无辐射跃迁，原因：激发态电子自旋反转，造成多重复改变，可能单重态（S1）低振动能级与三重态T1的较高振动能量有重叠。S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫5、驰豫过程一、荧光的产生外转换（猝灭）：激发分子与溶剂分子或其它溶液分子相互作用，发生能量转移，使荧光或磷光强度减弱甚至消失现象称为猝灭。S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫5、驰豫过程一、荧光的产生荧光：处于电子激发态的分子回到基态时发射的光称为荧光。磷光：某种物质被某种波长的光照射以后能在较长的时间内发生波长比荧光波长更长的光，则称这种光为磷光。S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫能量l2l1l3外转换l2T2内转换振动弛豫5、驰豫过程一、荧光的产生荧光：处于电子激发态的分子回到基态时发射的光。磷光：某种物质被某种波长的光照射以后能在较长的时间内发生波长比荧光波长更长的光。荧光与磷光的产生过程：激发态→基态的能量传递途径：荧光：10-7～10-9s，第一激发单重态的最低振动能级→基态；磷光：10-4～10s，第一激发三重态的最低振动能级→基态；一、荧光的产生光谱红移：任一物质的荧光光谱及其峰位的波长总是比它的吸收光谱及峰位波长要长，这现象称为光谱红移。镜像规则：通常荧光发射光谱与它的吸收光谱（与激发光谱形状一样）成镜像对称关系。1、荧光光谱二、荧光光谱和吸收光谱2、荧光光谱与吸收光谱二、荧光光谱和吸收光谱镜像规则基态上的各振动能级分布与第一激发态上的各振动能级分布类似；基态上的零振动能级与第一激发态的二振动能级之间的跃迁几率最大，相反跃迁也然。激发态与电子能级的关系通常用分子轨道来描述分子的能级。当一个电子发生跃迁时，它会从一个分子轨道转移到另一个分子轨道。原子中参与成键的电子组成新的分子轨道，这种成键电子和整个分子相联系而不属于某一原子核。两个成键原子的原子轨道组成一个能量较低的成键分子轨道和一能量较高的反键分子轨道。由电子对组成的共价键可以分成σ键或π键。当原子轨道头与头重叠时，形成σ键；平行重叠时，形成π键.一个成键σ轨道必定有一个相应的σ*反键轨道，一个成键的π轨道必定有一个相应的π*反键轨道。分子中没有参与成键的电子称为非键电子或n电子。有机化合物分子吸收紫外-可见光后产生的两种最主要的电子跃迁类型为：(1)成键轨道与反键轨道之间的跃迁。(2)非键电子激发到反键轨道。生物荧光的一些特性叶绿素a与b的吸收与荧光光峰荧光光谱是用适合的波长做为激发光照射样品，将得到的不同波长的荧光强度记录下来。1）任何物质的荧光波长总比其吸收波长长；这是因为荧光是发自于最低激发态的最低振动能级，而（吸光）激发往往使分子处于较高的激发态或较高的振动能级，它们总要通过内转换释放多余能量，所以发荧光的能量总比吸收的能量低，波长长。2）吸收与荧光两个光谱是镜像对称的。分子受激发从基态跃迁到激发态，只有一种跃迁即从基态的最低振动能级跃迁到激发态的最低振动能级，这时吸收与荧光的波长才是重合的。3）任一物质的荧光光谱不决定与激发光的波长．但是荧光强度是与激发光波长有关的．非辐射共振能量转移激发态将能量转移给与其相互作用的分子，回到基态，接受能量的受体分子则被激发，这种能量转移叫做非辐射共振能量转移（non-radiativeresonanceenergytransfer）。不同于激发态分子与另一基态分子发生碰撞产生的能量转移；也不同于激发态分子释放光子、另一基态分子吸收光子而激发（重吸收）等形式的辐射能量转移。非辐射共振能量转移的产生原因：当两个分子具有相同的激发能量变化（或受体比供体激发能级稍低），达到一定的距离时，通过两个分子在空间产生的电磁相互作用，供体分子可以将其激发能转移给受体分子，即形成非辐射共振能量转移。非辐射共振能量转移产生条件：1）供体与受体的距离在50-100埃之间；2）供体的荧光必须与受体分子的吸收光谱要有重叠，重叠愈大转移效率愈高；3）供体必须是能发荧光的分子；50埃是一般生物大分子的直径大小，也是生物膜的厚度大小，所以在生物大分子和膜上可以进行能量转移5、紫外光对生物大分子的作用5.1紫外光对生物大分子的物理作用主要是引起激发，继而引起一些其它反应，其作用大小决定于紫外光的波长与能量。1）蛋白质的激发：蛋白质发光决定于三种芳香氨基酸,因为它们具有共扼结构易于激发.芳香氨基酸的吸收与发光特征蛋白质吸收280nm左右的紫外光，从而引起激发并发光．核酸发光较弱。色氨酸Tryptophan（W，Trp）CH2—CHCOO-+NH3N酪氨酸Tyrosine（Y,Tyr）—CH2—CHCOO-HO+NH3蛋白质中的荧光生色团苯丙氨酸Phenylalanine(F,Phe)—CH2—CHCOO-+NH35.2紫外光对蛋白质与核酸的光化学作用1)紫外光对蛋白质的化学作用:蛋白质的变性,肽键的断裂,氢键的断裂;蛋白质的氧化,包括由氨基酸的氨基羰基化损伤;2)紫外光对核酸的化学作用:碱基的氧化损伤;DNA单链断裂;DNA链间的交联等；嘧啶碱基比嘌呤碱基敏感6、可见光的光敏化作用(光动力作用)1)光敏化作用(photosensitization):是指用可见光照射含有光敏化剂(sensitizer)的基质，在氧的参与下发生的光化学反应。它是通过光敏剂的三重态转移能量实现的.2)光敏化剂的种类:最有效的敏化剂是那些三重态寿命较长而量子效率又高的物质染料：亚甲基兰,玫瑰红,曙红等色素类:如卟啉,黄素等芳香碳氢化物:如红烯以及一些蒽类化合物3)光敏化作用的类型光敏化剂吸收光能后,先激发到单线态,通过系间交连形成三重态,然后产生Ⅰ型反应和Ⅱ型反应:sensitizer吸收光能1sensitizer系间交连3sensitizerⅠ型反应与基质作用,产生氢原子或电子转移自由基Ⅱ型反应(是体外合成产生1O2的常用方法)将能量转移给O2,产生单线态氧(1O2)与其它基质作用单线态三重态4)光敏化作用的生物学效应:分子水平来讲，受作用的基质是蛋白质与核酸这些大分子。在细胞成分中生物膜是首当其冲的光敏化作用基质,单线态氧等活性氧主要是破坏膜脂，使脂肪酸氧化从而使膜变得脆弱。过氧化物诱发的氧化作用则造成整个膜的破坏。对光敏化作用敏感的蛋白质是含有巯基的氨基酸(如半胱氨酸)与芳香氨基酸。核酸对