生物系统中的分子自旋与量子现象

### 生物系统中的分子自旋与量子现象 #### 1. 电子自旋相关技术 在相关研究中，脉冲电子 - 电子双共振（PELDOR）技术被用于评估自旋标记之间的自旋偶极和交换相互作用，这些信息对于在开壳层化合物中实现量子门操作是必要的。而且，PELDOR不仅是一种分析技术，它还是电子自旋相干操纵的有力工具。 #### 2. 光合作用相关结构与过程 ##### 2.1 反应中心和光捕获复合物 在光合作用的初级能量转换步骤中，膜结合蛋白反应中心（RCs）中的光诱导电子转移反应起着关键作用。RCs存在于被称为光系统的大型色素 - 蛋白复合物中。在所有产氧光合生物（植物、蓝细菌、藻类）中，可区分出两种光系统，即光系统I和II（PS I和PS II）。RCs分别包含被称为P700和P680的叶绿素二聚体。当类囊体膜暴露在阳光下时，被称为LHCs的色素 - 蛋白天线吸收太阳能并将其转移到RCs。 在PS I中，叶绿素二聚体P700位于电子转移链上，该链包含六个叶绿素（Chls）、两个叶绿醌（A1）和三个Fe4S4簇（Fx、FA、FB），它们排列在由伪C2对称轴相关的两个相似分支中。Chls分为三组：特殊对P700、辅助Chls（A）和初级电子受体（A0）。辅助因子（A、A0、A1）是分支A或分支B的一部分。 最初认为PS I中的电子转移是单向的，但在过去十年中，人们认识到PS I中的两个辅助因子链在功能上都是相关的（双向机制）。 在PS II中，水氧化复合物由四个交换耦合的锰（Mn）原子和一个钙（Ca）原子组成，它能从水中产生分子氧。EPR技术为PS II中氧化还原活性分子的电子和分子结构提供了详细信息。最近，PS II的晶体结构以1.9 Å的分辨率被披露，同时还揭示了大量水分子的存在。 在高等植物和绿藻中发现了两种类型的LHCs，即LHC - I和 - II，它们分别与PS I和PS II相关。在紫色细菌中，可区分出外周光捕获（LH2）和核心光捕获天线复合物（LH1）。直到最近，LHCs中的能量转移主要由福斯特理论中的经典跳跃机制解释，但最近的研究提出了通过量子相干的波状能量迁移作为替代模型，揭示了在温暖、潮湿和嘈杂的生物系统中存在持久的量子相干性。 以下是PS I和PS II的相关结构和功能对比表格： | 光系统 | 叶绿素二聚体 | 电子转移机制 | 主要功能 | | ---- | ---- | ---- | ---- | | PS I | P700 | 双向机制 | 参与电子传递链 | | PS II | P680 | - | 水氧化产生氧气 | mermaid流程图展示PS I电子转移过程： ```mermaid graph LR A[P A0 AI AT] -->|hv| B[1P* A0 AI AT] B --> C[P+ A0- AI AT] C --> D[P+ A0 AI- AT] D --> E[P+ A0 AI AT-] ``` ##### 2.2 纠缠态中的自旋相关自由基对 在光系统中，叶绿素二聚体吸收光后，电子在皮秒到亚纳秒时间范围内从每个色素的激发单重态转移到初级电子受体。失去电子后，叶绿素二聚体变成带正电的色素，而受体变成带负电。光诱导的阳离子（P +）和阴离子（Ai -）是自由基，因此电荷分离状态形成了可以通过TR - EPR检测的自由基对P + Ai -。 由两个未配对电子组成的自由基对形成一个单重态（S）和三个三重态（T +、T0、T -）。在高磁场下，四个可能的电子自旋态的本征态可以描述为： \[ \begin{align*} |S\rangle&=\frac{1}{\sqrt{2}}(|\alpha_1\beta_2\rangle - |\beta_1\alpha_2\rangle)\\ |T_+\rangle&=|\alpha_1\alpha_2\rangle\\ |T_0\rangle&=\frac{1}{\sqrt{