Взаимодействие квантов света с биологическими соединениями.

Квантовая биофизика изучает электронную структуру биологически важных молекул, электронные переходы в этих молекулах и пути превращения энергии возбужденного состояния молекул в энергию продуктов.

Каждый электрон в молекуле находится на определенной орбитали и обладает определенной энергией. Если молекуле сообщить энергию, например, в форме кванта света, может произойти переход с заполненного основного уровня (S₀) на один из незаполненных (рис. 1). При этом молекула оказывается в синглетном (S₁, S₂, …, S_n) электронно-возбужденном состоянии.

Рис. 1. Электронные переходы в молекулах.  

За счет внутренней конверсии (безизлучательная отдача энергии) электроны всегда оказываются на низшем колебательном подуровне синглетного возбужденного состояния (S₁). Спины электронов не изменяются (антипараллельны), время жизни молекул в состоянии составляет 10^–8–10^–9 с. Далее, с определенной вероятностью, могут реализовываться следующие пути превращения энергии состояния S₁:

1. В тепло: S₁ → S₀ (внутренняя конверсия).

2. Испускание кванта флюоресценции: S₁ → S₀ + hn_фл

3. Фотохимическая реакция: S₁ → продукт.

4. Передача энергии возбуждения другой молекуле.

5. Обращение спина электрона и переход молекулы в триплетное возбужденное состояние: S₁ → Т₁ (интеркомбинационная конверсия). Спины электронов в состоянии Т₁ и S₀ одинаковы, поэтому переход в основное состояние запрещен и время жизни молекулы в Т₁ значительно больше – 10^–4–10 с. Из триплетного состояния возможны следующие пути реализации энергии:

– безизлучательный переход с обращением спина электрона: Т₁ → S₀;

– испускание кванта фосфоресценции: Т₁ → S₀ + hn;

– фотохимическая реакция: Т₁ → продукт;

– передача энергии возбуждения другой молекуле.

Любые излучательные переходы в молекуле (флюоресценция, фосфоресценция) называют общим термином – люминесценция.

Для того чтобы данный раствор или вещество поглощали энергию падающего пучка света необходимо выполнение энергетического условия: частота поглощаемого излучения (n) должна соответствовать выражению Бора:

,

где h – постоянная Планка – 6,63∙10^–34 Дж∙с, Е₁ – энергия основного состояния молекулы, Е₂ – энергия возбужденного состояния. Уравнение показывает, что энергия кванта (фотона) поглощается молекулой целиком, а не по частям.

Поглощение света внешне проявляется в ослаблении светового потока при прохождении через исследуемый объект. Это явление может быть измерено инструментально с помощью приборов: спектрофотометра, фотоэлектроколориметра:

,

где Т – коэффициент светопропускания; I₀ – интенсивность света, падающего на образец; I – интенсивность света, прошедшего через раствор (величина 1–Т называется коэффициентом светопоглощения). Поскольку коэффициент светопропускания связан с концентрацией раствора сложной экспоненциальной зависимостью, на практике обычно используют величину оптической плотности (D).

Закон Бугера–Ламберта–Бера: поглощение света исследуемым образцом прямо пропорционально зависит от концентрации вещества (с, моль∙л^–1), расстояния, которое свет проходит в растворе – длины оптического пути (l, см) и способности вещества поглощать свет данной длины волны – коэффициента молярной экстинкции (e, л∙моль^–1∙см^–1):

,

Коэффициент молярной экстинкции является фундаментальной характеристикой вещества, его величина не зависит от условий измерения, а определяется лишь способностью данных молекул поглощать свет той или иной длины волны. Значения e для многих веществ определены и внесены в соответствующие справочные издания.

Закон Бугера-Ламберта-Бера иногда выражают в виде

Коэффициент молярной экстинкции может быть выражен через натуральный молярный показатель поглощения (c_l): . Величина c_l отражает суммарное эффективное сечение поглощения всех молекул одного моля (c_l=s×N_A). Поэтому закон Бугера-Ламберта-Бера может иметь вид

Графики, выражающие зависимость D (реже e) от длины волны падающего света, называют спектрами поглощения вещества.

За поглощение света в ультрафиолетовой и видимой областях спектра ответственны определенные группы, входящие в состав сложных молекул и называемые хромофорными группами. Обычно они имеют систему сопряженных двойных связей (часто циклические, ароматические системы).

Наиболее значимые полосы поглощения биологических макромолекул:

1. λ ≈ 190 нм – пептидные связи белковой молекулы (интенсивность полосы увеличивается при нарушении пространственной организации молекулы);

2. λ ≈ 255-280 нм – серосодержащие аминокислоты (цистин, цистеин, метионин);

3. λ ≈ 260 нм – пуриновые и пиримидиновые основания нуклеотидов;

4. λ ≈ 280 нм – ароматические аминокислоты (триптофан, фенилаланин, тирозин);

5. λ ≈ 412 нм (полоса Соре) – порфиринсодержащие соединения (гемоглобин);

6. λ ≈ 500 нм – комплекс ретиналя и опсина (зрительный пигмент родопсин).

Регистрация спектров поглощения – широко используемый диагностический и научно-исследовательский метод. Он позволяет:

1. Идентифицировать вещество в исследуемой пробе.

2. Определить концентрацию вещества в растворе.

3. Оценить конформационные перестройки макромолекул, которые приводят к изменению соотношения хромофоров на их поверхности.

Дата добавления: 2015-08-18