生物物理学林东海分子生物物理能量转移.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π 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。 能级跃迁的能量 光谱区域 分子转动 ?E 0.05 eV 远红外或微波区 分子振动 ? E= 0.5~1. 0 eV 中红外区 电子能级 ? E= 1~20 eV 近红外和紫外 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 电子种类 定义 σ电子 两个原子的电子沿其对称方向相互形成的共价键（即单键）称 σ 键，构成 σ 键的电子称为σ 电子 π电子 平行于两个原子轨道形成的价键（即双键），称π 键，构成 π键的电子称为π 电子，如C=C键 n电子 未形成键的电子称为n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π 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。 氨基酸 吸收峰 荧光峰 荧光量子 苯丙氨酸 258 282 0.04 酪氨酸 275 303 0.21 色氨酸 280 348 0.2 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303 nm ，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330~350 nm 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：