关于生物分子的激发态与能量转移介绍

[拼音]：shengwu fenzi de jifatai yu nengliang zhuanyi

[外文]：excited states and energy transfer of biological molecules

生物大分子吸收紫外光的能量后，分子内电子跃迁到较高的能级──激发态，激发态电子能量较大、不稳定，容易产生各种变化，其中包括激发能在分子内与分子间的传递──能量转移。叶绿素与视色素等由于受可见光作用，也会产生激发态与能量转移过程。

生物大分子吸收紫外光，叶绿素和视色素吸收可见光后，都可出现激发态；只是激发态能级大小有所不同（见图）。

图中S0为分子正常基态能级，吸收能量后可以跃迁到S1的最低电子激发零振动能级（过程1），也可跃迁到S1的其他更高振动能级（过程2），甚至跃迁到更高的电子激发能级S2（过程3）。激发能级S2，能量更大也更不稳定，在10-13～10-12秒内就会通过内转换把多余能量以热能形式释放，回到较低的电子激发能级S1。处于S1的高振动能级也很容易由于分子的振动把多余能量以热能形式释放，降到最低电子激发能级S1。处于S1能级的分子在10-11秒内，可通过非辐射形式或辐射形式释放它的多余能量，后一过程即发生荧光现象（过程4）。如果外界条件适合促使其配对电子之一发生转向，即由原来相互非平行状态（↑↓）变成相互平行状态（↑↑），这时就转变成间稳的三重态能级T1。这个过程叫做系间交换(过程5)。处于三重态T1的分子，如果再吸收能量，也可跃迁到较高的三重态 T2(过程6)。如果不再吸收能量，由于它比基态能级S0能量还高，所以，仍是不稳定的。它也可以非辐射形式释放多余能量而回到基态S0。以光子辐射形式释放能量的过程就叫做磷光(过程 7)。不论是在不同电子能级之间或是在同一电子能级的不同振动能级之间，以非辐射形式释放能量的过程都叫内转换（过程8）。当然处于S1或T1能级的分子，它们所具有的激发能也可转移给另一分子，或在大分子内从一个基团或某个部位转移给另一基团或某部位，这种能量转移过程，前者叫分子间的能量转移，后者叫分子内的能量转移。处于基态能级的分子，它轨道上的电子是配对的，即两个电子自旋方向相反（即非平行的），这种状态称单线态(S0)。分子吸收能量后若仅仅是能级发生改变，而电子自旋方向不变，就叫做单线激发态，如S1与S2。若电子自旋方向由相反变成相同（即相互平行）就叫做三重态，如T1与T2。荧光是从最低单线激发态发出，磷光则由最低三重态能级发出。

由于激发态分子可发出荧光或磷光，所以研究激发态往往通过研究发光的特点(如荧光、磷光)以及发光的量子产额、发光的期间(或寿命)、发光的动力学等参量来反映能级的变化和能量关系。蛋白质和多肽的发光主要是由组成蛋白质的氨基酸贡献的。20种氨基酸中能发光的只有芳香氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸与色氨酸等。韦伯根据发光特点曾把蛋白质分为A、B两类。A类蛋白质只含酪氨酸不含色氨酸，它们的发光特点与单纯酪氨酸发光相同，说明发光是由蛋白质内的酪氨酸贡献的。B类蛋白质即含酪氨酸又含色氨酸，它们的发光与单纯色氨酸的发光相同，即B类蛋白质发光是由色氨酸贡献的。近年来又发现了C类蛋白质，这种蛋白质只含苯丙氨酸，发光特点与单纯苯丙氨酸相同。B类蛋白质含有酪氨酸和色氨酸两种芳香氨基酸，而只表现为色氨酸的发光特点，是因为酪氨酸吸收的能量都转移给色氨酸的缘故。同理A类蛋白质若含有苯丙氨酸，一方面因为苯丙氨酸发光微弱，另一方面它也会转移能量给酪氨酸，所以A类蛋白质的发光总是体现酪氨酸的特点。各种蛋白质含有这三类蛋质的种类和数量各不相同，但是上述规律却是相同的。即使象人的血清清蛋白，每一分子含有17个酪氨酸和一个色氨酸，它仍表现为色氨酸荧光的特点。玉米胶原蛋白，因其不含色氨酸，所以它的发光就表现为酪氨酸发光的特点。

蛋白质在室温下可发荧光，低温下（液氮）即可发荧光又可发磷光。荧光比磷光的波长短，寿命也短。蛋白质中酪氨酸的量子产额（即发光的量子数与吸收光子的比值）很低，一般少于0.04。比单纯酪氨酸的荧光小5～10 倍。这主要是由于蛋白质中的二硫键和肽键对酪氨酸有猝灭作用。在不同蛋白质中色氨酸的量子产额变动幅度很大 (从0.04～0.6)。对此曾提出过许多不同的机制，但都不能很好地解释。

蛋白质与氨基酸在极性溶剂中荧光光谱及其峰值波长往往红移(即向长波方向移动)。红移是分子激发态的一个普遍现象。如果用光物理的溶剂化模型来解释，即认为激发分子的电偶极矩往往比基态时大，从而导致激发分子与溶剂壳层中极性分子的强相互作用。若溶剂分子在比荧光寿命还短的期间内能够重新排列，那末光谱峰值就红移了。用光化学的激发络合物模型来解释，即认为在蛋白质中形成激发络合物，此时能量降低。而激发络合物的特征就是有一个无结构的红移的荧光光谱。

蛋白质内的色氨酸比单纯色氨酸荧光峰值往往蓝移，并可由于色氨酸在蛋白质内所处微环境不同而出现发光的异质性。研究蛋白质发光的异质性有助于用发光光谱来探测蛋白质构象的变化及其动力学。

核酸激发态的研究比蛋白质晚10年，其分子较复杂，规律性也较差。核苷酸的最低单线激发态及三重态都是π-π*跃迁。也有人认为在非氢键合溶液中单线态是'nπ态，而在氢键合溶液中单线是π-π态，三重态在两种溶液中都是π-π态。核苷酸的荧光量子产额小，系间交换的量子产额也相当小，在室温下往往猝灭了。几种核苷酸激发时，它们单线激发态的能级大小的次序是腺嘌呤＞尿嘧啶＞胸腺嘧啶＞鸟嘌呤＞胞嘧啶；而三重态的能级大小的次序是胞嘧啶＞鸟嘌呤＞腺嘌呤＞胸腺嘧啶。二核苷酸常具有较宽的无结构的荧光光谱，与单核苷酸相比有较大的红移。这种谱带叫做激发二聚体的荧光光谱。多核苷酸在77K下可形成单线态激发二聚体，DNA也如此。DNA 的磷光是来自胸腺嘧啶的三重态。核苷与核苷酸的荧光室温下与低温情况相比，光谱加宽、无结构并失去红移。在室温下DNA的荧光与碱基相比光谱加宽有些红移。在室温下碱基的单线态能级次序是腺嘌呤＞鸟嘌呤＞胞嘧啶＞胸腺嘧啶＞尿嘧啶。

核苷与酪氨酸的混合溶液的冰冻聚集态，酪氨酸荧光强度下降，核苷则可发荧光，单线态与三重态都如此。但是在少量的色氨酸与腺嘌呤核苷的混合溶液，则后者的荧光猝灭，而色氨酸的荧光则敏化。因为酪氨酸的单线态与三重态能级比所有的核苷都大；色氨酸的三重态能级比所有的核苷能级都小，而它的单线态能级对胸腺嘧啶、胞嘧啶与鸟嘌呤是能量供体，对腺嘌呤和尿嘧啶则是能量受体。

电子激发能不仅用辐射或内转换的形式丧失其多余能量，而且还可用能量转移方式将能量传递给同一分子的其他部分(分子内转移)或传递给另一个相同的或不同的分子（分子间转移）。因此能量转移是和电子激发有关的过程。能量转移有多种形式，最主要的有：共振转移、电子转移、络合物的电荷转移等。共振转移指一个激发态分子(供体分子)，将激发能以非辐射形式转移给另一分子（受体分子）的过程。所以共振转移可以看成是两个电偶极子之间的电磁偶联。它们之间的作用，实际是激发的供体对受体部位的电磁扰动的结果。弗尔斯特于1949年提出了著名的共振转移方程式。即两个分子间的转移效率与其距离的六次方成反比。他认为这是发生在单线态与单线态之间的转移，分子间距离小于100埃。而且能量供体分子的荧光光谱与能量受体的吸收光谱重叠越大，转移效率也越高。斯特赖斯进一步证明还存在三重态到单线态的能转移；它本质上是一种延迟荧光，可做为前一种形式的补充。至于三重态-三重态间的能量转移，则只能发生在距离小于15埃的范围内。而且它的机制已不是偶极－偶极相互作用，而是一种电子交换作用。斯特赖斯总结了这些结果，提出一个名词叫“光谱尺”。其意即通过光谱的测定，来测量大分子内生色团间的距离。这是目前能量转移应用的一个主要方面。另外，利用发荧光物质（荧光探剂）与分子结合，应用荧光方法研究分子构象的变化，其根据之一也是基于能量转移。

蛋白质中的能量转移已研究得很多，3种芳香氨基酸的能量转移次序是苯丙氨酸→酪氨酸→色氨酸。在蛋白质分子内，不同分子（即基团）间的能量转移已得到公认，但相同分子间的能量转移，特别是色氨酸→色氨酸之间的能量转移尚有争论。

在多核苷酸以及在天然的 DNA的同一股上的相邻碱基之间也可以发生共振转移，这是振动弛豫前的单线态能量转移，转移率为1012每秒。在DNA中二聚体可直接从激发的单线态形成。在低温下二核苷酸不论哪一种碱基吸收光子，都可将其激发成二聚体。相邻碱基间可发生单线态的能量转移，最后转移到二聚体上。总之，在DNA中可发生如下的一些过程：265纳米波长的光可以被A-T或G-C碱基对同等地吸收，而在振动弛豫尚未发生前，激发能就迁移到相当长的距离（超过4个碱基对），而优先定位在G-C碱基对与A-T碱基对（两者数量之比为 4:1）。定域在G-C碱基对的激发，大部分都在单线态能级上猝灭，而定域在A－T碱基对上的能量则可继续形成激发络合物或胸腺嘧啶三重态。所以猝灭与激发络合物的形成过程都与振动弛豫后转移强烈地竞争。

生物大分子的能量转移方式，除共振转移外，还有激发能借电子和空穴释放到反应中心的电子转移、络合物中单个电子在两个分子间进行部分转移的络合物电荷转移及溶液中溶质分子吸收能量后将能量转移到溶剂中的质子转移等。但通常讲的能量转移，主要是指能量的共振转移。