Квантовая биофизика

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

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

Спектральные характеристики различных форм гемоглобина человека

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

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.

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.

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

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 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

Электронные переходы в молекуле (схема Яблонского)

Электронные переходы в молекуле (схема Яблонского)

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

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.

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).

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).

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.

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.

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

Электронные переходы в молекуле (схема Яблонского)

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).

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

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