生物物理学-林东海-第二章分子生物物理-4-能量转移.ppt

2 4生物大分子的能量转移1 分子的能态2 蛋白质与核酸的能量状态3 生物分子中的能量转移 生物大分子都是由多种不同组分组成的聚合体系 其能量状态也是由各组分的能态决定 其中起主要作用的是共轭体系 即 电子非定域化的体系 例如 蛋白质中各种芳香氨基酸 核酸中嘧啶和嘌呤碱基 它们在决定生物大分子的光学性质 激发能量的传递具有重要的意义 1 分子的能态 组成物质的分子均处于一定能态并不停地运动着 分子的运动可分为平动 转动 振动和分子内电子的运动 每种运动状态都处于一定的能级 分子的能量 其中 是分子内在的不随分子运动而改变的能量 是只与温度有关的平动能量 分别是与光谱有关的分子转动能量 振动能量和电子能量 分子的每一种能量都有一系列的能级 能级不是任意的 而是具有量子化特征的 通常分子处于基态 当它吸收一定能量跃迁到激发态 则产生吸收光谱 分子转动 振动和电子能级的跃迁 相应地产生转动 振动及电子光谱 按照量子力学原理 分子能态按一定的规律跳跃式地变化 物质在入射光的照射下 分子吸收光时 其能量的增加是不连续的 吸收光的频率和两个能级间的能量差符合下列关系 El E2分别表示初能态 终能态能量 初能态与终能态之间能量差愈大 则所吸收的光频率愈高 即波长愈短 反之则所吸收的光频率愈低 即波长愈长 分子转动 振动及电子能级跃迁的能量差别较大 因此 其吸收光谱出现在不同的光谱区域 可见光 紫外光吸收光谱是由于分子中联系较松散的价电子被激发产生跃迁从而吸收光辐射能量形成的 即分子由基态变为激发态 电子由一个低能级轨道 即成键轨道 吸收了光能量跃迁到高能级轨道 称为反键轨道 与吸收光谱有关的三种电子 电子跃迁类型与紫外吸收波长 nm 的关系 若逐渐改变照射某物质的入射光的波长 并测定物质对各种波长光的吸收程度 吸光度 A 或光密度 OD 或透射程度 透光度 T 以波长 作横坐标 A 或 T 为纵坐标 得物质的吸收光谱曲线 吸收光谱的特征 曲线上 A 处称最大吸收峰 所对应的波长称最大吸收波长 以表示 曲线上 B 处称最小吸收谷 所对应的波长称最小吸收波长 以表示 曲线上在最大吸收峰旁 C 称肩峰 在吸收曲线的波长最短的一端 曲线上 D 处 吸收相当强 但不成形 此处称为未端吸收 是化合物中电子能级跃迁时吸收的特征波长 不同物质有不同的最大吸收峰 所以它对鉴定化合物极为重要 吸收光谱 肩峰以及整个吸收光谱的形状决定于物质的性质 其特征随物质的结构而异 是物质定性的依据 2 蛋白质与核酸的能量状态 蛋白质或核酸都是由多种不同组分组成的聚合体 其能量状态由各组分的能态决定的 其中起重要作用的是共轭体系 蛋白质能态主要取决于色氨酸 酪氨酸和苯丙氨酸这三种芳香氨基酸 因为它们具有共轭的大 键 具有荧光特性 三种芳香氨基酸的能态 苯丙氨酸的荧光量子很小 荧光很弱 对蛋白质发光的贡献可忽略不计 蛋白质的荧光决定于三种氨基酸 根据蛋白质的发光特性 将蛋白质分成A B C三类 A类蛋白质只含酪氨酸不含色氨酸 其荧光特性与酪氨酸相同 峰值为303nm 如胰岛素 玉米蛋白等 B类蛋白质含有酪氨酸和色氨酸 其荧光表现为色氨酸荧光特性 但是 其荧光峰值则随蛋白质而异 一般在330 350nm之间 如人血清白蛋白 酵母脱氢酶等 C类蛋白质仅含苯丙氨酸 如超氧化物歧化酶 肝铜蛋白等 其发光特性与苯丙氨酸相同 核酸及碱基的荧光 单位 nm 核酸与蛋白质不同 室温下它的荧光很弱 碱基在水溶液中室温下的荧光量子一般小于10 4 所以往往要在k系谱线77以下研究它的荧光 用光子计数器可以检测核酸的荧光 用不同激发光所得到的各碱基及DNA RNA等的荧光波长如下表1 所示 3 生物分子中的能量转移 能量转移 能量在分子内或分子间从一个部位转移到另一个部位 在生物体内 有关能量转移的问题主要是研究能量转移过程中不消耗热能 供能者与受能者不发生碰撞 原子在远于原子间距的范围内 由一个部位到另一个部位的非辐射性的能量转移 有时也将这种方式称为能量迁移 energymigration 能量转移可以通过三种途径发生 重叠 交换 转移 电荷转移 共振转移 1 重叠 交换 转移 又称激子转移 是一种短程能量转移 一般在0 2 0 5nm内才表现出来 当两个相同分子靠近时 其电子轨道存在一定的重叠 电子进行能量交换 A分子的激子可以在B分子上出现 B分子的激子也必然到A分子上去 半导体即是这种转移方式 电子从满带被激发到激发带 激发带是整个晶体所共有 满带的空穴与激发带的电子处于束缚状态 这种状态称为激子 激子可以看成电荷对 通过激子的迁移传递能量 2 电荷转移 当两个分子充分接近时 一个电子从一个分子基态能级到另一个分子激发态能级的现象称为电荷转移现象 电荷转移与激子转移不同 它需要更大的能量将电子提高到晶体的传导带上进行转移 电子可以迁移一段较长的距离 长程 转移的电子能很快与原子或其他离子发生重新组合 也可能落于陷阱 发磷光 荧光 产生热效应或远离激发处发生化学反应 3 共振转移 通过两个分子之间的电磁偶联作用进行的能量转移 一个分子可以看成是正负电荷分离的偶极子 分子受激发后将以一定的频率振动 振动时能量逐步释放 如果其附近有振动频率相同的另一个分子存在 则通过两个分子之间的偶极 偶极相互作用 能量以非辐射方式从前者转移到后者 处于激发态的生物大分子 可通过共振转移将能量传递给附近的防护剂分子 使生物大分子得到保护 这已用多种方法得到验证 防护剂能淬灭由大分子发出的磷光 ESR谱研究表明 DNA吸收的能量可以传递给MER 琉基乙胶 溴尿嘧啶 5 BU 核苷取代胸腺嘧啶掺入到DNA分子中 胸腺嘧啶残基吸收的能量 可以转移到溴尿嘧啶上 结果造成DNA分子