Квантовая биофизика

Содержание

Слайд 4

Электронные переходы при поглощении света в биомолекулах
При поглощении квантов света (фотонов) происходит

Электронные переходы при поглощении света в биомолекулах При поглощении квантов света (фотонов)
изменение энергетического состояния молекул-акцепторов.
Поглощение света представляет собой преобразование энергии кванта света (hν) в энергию электронного и колебательного возбуждения молекулы. Этот процесс выражается в том, что один из электронов переходит с синглетного основного (невозбужденного) уровня (So) на один из синглетных возбужденных уровней (Si); одновременно может происходить возбуждение колебательного подуровня.
При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят с одного энергетического уровня на другой.

Слайд 5

Схема электронных переходов, обусловливающих спектр поглощения в видимой и УФ-областях.

Схема электронных переходов, обусловливающих спектр поглощения в видимой и УФ-областях.

Слайд 7

Спектральные характеристики различных форм гемоглобина человека

Спектральные характеристики различных форм гемоглобина человека

Слайд 9

Спектр поглощения водного оксигемоглобина мышей в ультрафиолетовой и видимой областях.

Спектр поглощения водного

Спектр поглощения водного оксигемоглобина мышей в ультрафиолетовой и видимой областях. Спектр поглощения
раствора сывороточного альбумина человека

Слайд 10

Как известно, электроны пептидной группы в известной мере делокализованы по трем атомам:

Как известно, электроны пептидной группы в известной мере делокализованы по трем атомам:
азоту, углероду и кислороду. Среди наблюдаемых в пептидной группе переходов наименьшую энергию имеет n→π*-переход, n-электрон локализован на атоме кислорода. Полоса поглощения n→π* в пептидах обычно наблюдается при 210-220 нм и является очень слабой. Только в случае альфа-спиральной конформации полимера этот переход очень слабо проявляется в виде небольшого плеча на фоне гораздо более сильной полосы с максимумом вблизи 190 нм. Эта интенсивная полоса, главная в доступной для измерений области, порождается π1→π*-переходом.
Уровни π1 и π* отвечают связывающей и несвязывающей орбите СО-группы.

Слайд 11

При одноэлектронном переходе зависимость D (или ε) от λ обычно описывается кривой

При одноэлектронном переходе зависимость D (или ε) от λ обычно описывается кривой
распределения Гаусса. Полоса поглощения в электронном спектре характеризуется основными параметрами:
максимальным значением оптической плотности (Dmax) или молярного коэффициента экстинкции (εmax) (максимум поглощения);
длиной волны максимального поглощения (λmax, нм), соответствующей Dmax;
- эффективной шириной полосы поглощения ∆λ½, нм (или полушириной полосы поглощения), она соответствует расстоянию между двумя точками полосы поглощения, находящимися на высоте ½Dmax данной полосы.

Слайд 13

Максимумы поглощения ароматических аминокислот
Характеристические точки спектра поглощения раствора белка (BSAVS) и его

Максимумы поглощения ароматических аминокислот Характеристические точки спектра поглощения раствора белка (BSAVS) и
реконструкции (BSARS)
Смещение характеристических точек (VS–RS)

Смещение точек (VS–RS) в длинноволновую часть спектра белка
относительно модели, а также неоднородность шага смещения,
указывает на взаимодействие аминокислотных остатков
в молекуле бычьего сывороточного альбумина.

Слайд 14

250

260

270

280

290

300

0

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

Спектр поглощения БСА в диапазоне длин волн 250 – 300 нм
(концентрация 1.2×10-5

250 260 270 280 290 300 0 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500
моль/л, pH 7.4)

λ, nm

A

291.5

285.5

277.5

268.5

264.5

258.5

252.5

284.0

???

288.5

Слайд 16

Электронные переходы в молекуле (схема Яблонского)

Электронные переходы в молекуле (схема Яблонского)

Слайд 17

Электронные переходы в молекуле (схема Яблонского)

Электронные переходы в молекуле (схема Яблонского)

Слайд 18

Миграция энергии
Это самопроизвольная безызлучательная передача энергии от одной частицы (атома, молекулы) к

Миграция энергии Это самопроизвольная безызлучательная передача энергии от одной частицы (атома, молекулы)
другой на расстояния, значительно превышающие межатомные, происходящая без растраты на тепловые колебания и без кинетических соударений донора и акцептора энергии:
M*l + M2 → Ml + M*2,
где M*1 – донор энергии – электронно-возбужденная частица (молекула); М2 – акцептор энергии – молекула в основном состоянии.
Механизмы миграции энергии:
- индуктивно-резонансный,
- обменно-резонансный,
- экситонный
- полупроводниковый (зонная проводимость).

Слайд 19

Индуктивно-резонансная миграция энергии
Передача энергии по этому механизму осуществляется за счет диполь-дипольных

Индуктивно-резонансная миграция энергии Передача энергии по этому механизму осуществляется за счет диполь-дипольных
взаимодействий между молекулами M1 и М2.
Энергия взаимодействия обратно пропорциональна R3 (R - межмолекулярное расстояние), а вероятность миграции энергии обратно пропорциональна R6.
Расстояния, при которых осуществляется миграция энергии между донором и акцептором, принято характеризовать так называемым критическим радиусом Ro. Значение его колеблется для различных пар молекул от 1 до 10 нм и определяется временем жизни возбужденного состояния донора (10-8 – 10-9 с), площадью (интегралом) перекрытия вышеназванных спектров и величиной мигрирующих порций энергии.
Индуктивно-резонансная миграция энергии может протекать как в рамках одной молекулы, от одних ее групп к другим (внутримолекулярная миграция), так и между отдельными молекулами (межмолекулярная миграция энергии).
Примеры миграции энергии по индуктивно-резонансному механизму: ароматические аминокислоты белка → фикобилины (фикоэритрин и фикоцианин); тирозин → триптофан; триптофан → триптофан; хлорофилл b → хлорофилл а и др.

Слайд 20

Миграция энергии по индуктивно-резонансному механизму может происходить в случае выполнения трех правил

Миграция энергии по индуктивно-резонансному механизму может происходить в случае выполнения трех правил
Ферстера:
1. Донор энергии (M*1) должен обладать способностью к флуоресценции.
2. Спектр флуоресценции донора (M*1) должен перекрываться со спектром поглощения акцептора (М2). Эффективность миграции энергии прямо пропорциональна площади перекрытия указанных спектров.
3. Донор (M*1) и акцептор энергии (М2) должны быть сближены на определенные расстояния (R).

Слайд 21

Обменно-резонансная, или триплет-триплетная миграция энергии
Энергия мигрирует с триплетного возбужденного уровня донора

Обменно-резонансная, или триплет-триплетная миграция энергии Энергия мигрирует с триплетного возбужденного уровня донора
(3D) на триплетный уровень акцептора (3А) в соответствии со схемой
3D + 1А → 1D + 3A
Это связано с перекрыванием «триплетных» электронных облаков за счет электростатических взаимодействий электронов донора и акцептора. Чем больше объем перекрывания электронных орбит (облаков), тем вероятнее перенос, при котором донор и акцептор взаимно обмениваются своими электронами.
В этом случае необходимо большее сближение молекул (R0 < 2 нм), чем для индуктивно-резонансного переноса энергии.
Эффективность обменно-резонансной миграции энергии обратно пропорциональна шестой степени межмолекулярного расстояния (1/R6).

Слайд 22

В пределах одного локального светособирающего комплекса, примыкающего с ФСI или ФСII, где

В пределах одного локального светособирающего комплекса, примыкающего с ФСI или ФСII, где
молекулы пигментов плотно упакованы в квазикристаллическую структуру, их электронные уровни могут обобществляться в зоны. В этом случае возможен экситонный механизм миграции энергии, при котором поглощение кванта света приводит к появлению экситона - коллективного возбуждения, делокализованного по всей системе молекул.

Экситонный перенос энергии
возникает вследствие электрических, диполь-дипольных взаимодействий между молекулами или ионами.
Экситон – квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы.

Возбуждение молекулы донора распространяется по верхним колебательным уровням на всю систему акцепторов за время 10-13 -10-14 сек, меньшее, чем время релаксации колебательных состояний. Это самый быстрый способ миграции энергии.

Слайд 24

Спектр действия фотохимической реакции – зависимость поперечного сечения (вероятности) фотохимической реакции (σ)

Спектр действия фотохимической реакции – зависимость поперечного сечения (вероятности) фотохимической реакции (σ)
от длины волны облучения: σ = Sϕ ,
где S – поперечное сечение поглощения активного света;
ϕ – квантовый выход фотохимической реакции.
S – вероятность поглощения кванта при прохождении его через молекулу

Физический смысл S – эффективное сечение молекулы, при попадании в которое происходит поглощение фотона данной длины волны.

Физический смысл квантового выхода фотохимической реакции
– отношение числа прореагировавших (химически измененных) молекул (n1) к числу молекул, поглотивших фотоны (n2): ϕ = n1/n2.
Величина квантового выхода фотохимической реакции определяется отношением констант скорости фотохимической дезактивации электронно-возбужденного состояния к сумме констант скорости других процессов дезактивации: тепловая диссипация, испускание кванта люминесценции, фотохимическая реакция и образование фотопродукта, миграция энергии, переход молекулы в триплетное возбужденное состояние.

Слайд 26

По виду энергии возбуждения различают :
фотолюминесценцию (возбуждение светом),
радиолюминесценцию (возбуждение

По виду энергии возбуждения различают : фотолюминесценцию (возбуждение светом), радиолюминесценцию (возбуждение ионизирующей
ионизирующей радиацией),
электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем),
триболюминесценцию (возбуждение механическими колебаниями),
хемилюминесценцию (возбуждение в результате химических реакций).

Люминесценция - это нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения.

«Будем называть люминесценцией избыток светового над температурным излучением тела в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью примерно 10−10 секунд и больше». С.И. Вавилов

Слайд 27

Электронные переходы в молекуле (схема Яблонского)

Электронные переходы в молекуле (схема Яблонского)

Слайд 28

Интенсивность люминесценции (Iл) возрастает с увеличением интенсивности возбуждающего света (Io), способности вещества

Интенсивность люминесценции (Iл) возрастает с увеличением интенсивности возбуждающего света (Io), способности вещества
поглощать энергию света и его способности испускать кванты люминесценции:

где I - интенсивность вышедшего из образца света;
ϕ - квантовый выход люминесценции, представляющий собой отношение числа излученных квантов к числу поглощенных квантов и рассчитываемый по формуле ϕ = Iл/(Io-I);
ε - молярный коэффициент поглощения;
с - концентрация вещества;
l - толщина образца (длина оптического пути).

Слайд 30

Спектры флуоресценции сдвинуты в длинноволновую область по сравнению с длинноволновой полосой поглощения

Спектры флуоресценции сдвинуты в длинноволновую область по сравнению с длинноволновой полосой поглощения
(закон Стокса)
Спектры флуоресценции зеркально-симметричны данной полосе поглощения (правило В.Л. Лёвшина).

Явление зеркальной симметрии фиксируется экспериментально, однако полное зеркальное соответствие не наблюдается. Все отклонения связаны с молекулярными и межмолекулярными процессами, в том числе отличиями колебательных уровней молекул в основном и возбуждённом электронных состояниях, перестройкой молекул в возбуждённом состоянии

Слайд 31

Форма спектра люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света.
(правило М.Каши)

Квантовый

Форма спектра люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света. (правило М.Каши)
выход люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света.
(закон С.И. Вавилова)