Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

Рис. 3. Схематическое изображение физического механизма люминесценции: жирными горизонтальными линиями обозначены энергетические состояния молекулы люминесцирующего вещества; S0 — основное (невозбужденное) состояние; S2, S2 и Т1 — возбужденные состояния; тонкими горизонтальными линиями обозначены колебательные уровни (0, 1, 2.,. или 0’, 1’, 2’ и т.д.); в прямоугольниках показано направление спина возбужденного электрона (слева) по отношению к спину оставшегося электрона; ВК — внутренняя конверсия (переходы электрона без обращения спина); ИК — интеркомбинационная конверсия (переходы электрона с обращением спина). При поглощении энергии молекула переходит в возбужденное состояние S1 или S2 (обозначено синими вертикальными стрелками). Часть поглощенной энергии преобразуется в тепло (обозначено волнистыми стрелками), при этом молекула переходит на нижний колебательный уровень состояния S1 или трансформируется в состояние Т1 Возвращение молекулы из состояния S1 или Т1 на исходный энергетический уровень может сопровождаться излучением света — флюоресценцией (обозначена темно-зелеными стрелками) или фосфоресценцией (обозначена светло-зелеными стрелками).

Люминесценция биологических объектов может быть собственной (первичной) либо возникать после соответствующей химической модификации имеющихся веществ (вторичная), а также после введения так называемых флюоресцентных зондов.

Флюоресцирующие соединения могут быть определены в очень низких концентрациях, часто в присутствии посторонних веществ. Поэтому регистрация люминесценции успешно используется для количественного определения многих биологически важных веществ. Одним из наиболее ярко флюоресцирующих лекарственных соединений является хинин. В кислых растворах он люминесцирует в синей области (450—475 нм). Чтобы определить его в плазме крови проводят осаждение белков метафосфорной кислотой и измеряют люминесценцию хинина прямо в фильтрате. Яркой синей флюоресценцией обладает противогрибковый препарат гризеофульвин, он легко определяется в экстрактах из крови или мочи. Барбитураты в щелочной среде обладают яркой зеленой флюоресценцией, их можно определить в экстрактах из биологического материала. После экстракции возможна количественная регистрация многих витаминов, например витамина Е, максимум флюоресценции которого лежит в УФ-области при 330 нм. Витамин В6 имеет синюю, а витамин А — зеленую флюоресценцию. Витамины С, D, В12 и др. удается определить по вторичной люминесценции. Наркотические вещества морфин и героин флюоресцируют очень слабо, но после обработки образцов серной кислотой с последующим выщелачиванием возникает специфическая интенсивная синяя флюоресценция продуктов реакции. Этим методом удается определить до 0,02 мкг наркотика в пробе. Чувствительным лабораторным методом определения АТФ является регистрация хемилюминесценции в присутствии люциферина и люциферазы светлячка. Люцифераза катализирует реакцию восстановленного люциферина с АТФ; продукт этой реакции — аденилат при окислении испускает свет. По собственной люминесценции проводят контроль качества пищевых продуктов. Так, при длительном хранении молока и сливок рибофлавин окисляется в люмихром, что сопровождается изменением цвета флюоресценции от желто-зеленого к синему. Яйца, зараженные некоторыми видами бактерий рода Pseudomonas, при УФ-облучении начинают интенсивно флюоресцировать (за счет пигмента пиовердина, синтезированного этими бактериями).

Регистрацию люминесценции используют в целях диагностики. Характерная первичная люминесценция желто-зеленого цвета, возбуждаемая УФ-облучением при 365 нм, наблюдается в волосах, пораженных паразитическими грибками.

Регистрация люминесценции позволяет получать важную информацию о физико-химических свойствах биологических объектов в норме и патологии. Молекулярные механизмы работы цепи переноса электронов в митохондриях, целых клетках и даже в тканях изучают по изменению синей (440 нм) флюоресценции восстановленных пиридиннуклеотидов, возбуждаемой при 365 нм. При изучении структуры нуклеиновых кислот применяют акридиновый оранжевый и другие зонды. При этом определение положения максимума люминесценции в спектре позволяет судить о структуре нуклеиновой кислоты. Так, максимум акридинового оранжевого и двуспиральной нативной ДНК располагается в зеленой области спектра (530 нм), тогда как в одноцепочечной ДНК и РНК он смещается в красную область (640 нм). Микрофлюориметрически с помощью зондов анализируют ДНК непосредственно в клетках. В медицинской технике распространение получили неорганические люминофоры — вещества, способные к фото-, рентгенофлюоресценции и т.д.

Биолюминесценция – видимое свечение организмов, связанное с процессами их жизнедеятельности; являет собой результат биохимической реакции, в которой химическая энергия возбуждает специфическую молекулу, и та излучает свет. Наблюдается у нескольких десятков видов бактерий, низших растений (грибов), у некоторых беспозвоночных животных (от простейших до насекомых включительно), у рыб. Светящиеся организмы иногда размножаются в таком количестве, что вызывают свечение моря. У многих организмов (бактерии, простейшие, ракообразные, грибы и др.) свечение происходит постоянно и непрерывно, если в окружающей среде есть кислород. У других биолюминесценция происходит отдельными вспышками и связана с условиями жизнедеятельности (голод, период размножения и др.). Биологическое значение биолюминесценции различно. Так, у светящихся насекомых вспышки биолюминесценции служат сигналом, позволяющим самцам и самкам находить друг друга; у ряда глубоководных рыб — для освещения и приманки добычи; у каракатицы — для защиты от хищников (путём выбрасывания светящейся жидкости) и др. В некоторых случаях источником биолюминесценции животного являются светящиеся бактерии-симбионты (например, т. н. несамостоятельное свечение ряда рыб).

Первичные процессы фотосинтеза. Структурная организация и функционирование фотосинтетических мембран.

Перенос электрона в первичных стадиях процессах фотосинтеза.

Последовательность отдельных реакций в фотобиологических процессах включаетследующие стадии: поглощение кванта света хромофорной группой и образование электронно-возбужденных состояний -> миграция энергии электронного возбуждения -> первичный фотофизический акт и появление первичных фотопродуктов -> образование первичных стабильных химических соединений -> физиолого-биохимические процессы -> конечный фотобиологический эффект.

В основе первичных процессов фотосинтеза лежит сложная совокупность окислительно-восстановительных реакций переноса электрона в электрон-траспортной цепи (ЭТЦ).

Z-схемa фотосинтеза: восстановленные продукты ФС II служат донорами электронов для ФС 1. Возбуждение светом, который в основном поглощается ФС П, должно приводить к восстановлению промежуточных переносчиков в ЭТЦ, а возбуждение ФС 1, наоборот, к их окислению.

Фотосистемы ФС2 и ФС1 функционируют последовательно: донором электронов для ФС1 служат восстановленные в результате действия ФС2 фотопродукты. Дальний красный свет(длина волны > 680 нм) поглощается преимущественно пигментами ФС1 и вызывает окисление цитохрома, который восстанавливается ФС2 при поглощении коротковолнового света (длина волны < 680 нм). Оптимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается при определенном соотношении между количеством возбужденных ФС1 и ФС2, которое зависит от спектрального состава света. Поглощение света происходит пигментами светособирающего (СС) пигмент - белкового (ПБ) комплекса (ССПБК), от которого, как из резервуара, энергия возбуждения передается на пигмент - белковые комплексы ФС1 и ФС2 (ПБК1 и ПБК2) и далее непосредственно к реакционным центрам РЦ1 и РЦ2:

Схема миграции энергии в фотосинтетическом аппарате высших растений

В зависимости от конформационного состояния фотосинтетических мембран изменяется топография расположения ПБК1 и ПБК2 , их связь с ССПБК, и распределение энергии возбуждения между ФС1 и ФС2. Это определяется присутствием ионов в среде, рН среды, степенью фосфорилирования и поверхностным зарядом белков ССПБК. В различных физиологических условиях изменяется роль этих факторов, что таким образом имеет регуляторное значение для распределения энергии возбуждения между фотосистемами.

Билет 16.

Миграция энергии. Доказательства миграционной передачи энергии. Примеры миграции энергии в биологических системах.

Участие белков в метаболизме и их функциональная активность всегда связаны с изменением их функционального электронного состояния, которое обуславливает конформационные переходы. Сами электронные переходы и изменение электронного состояния биополимеров происходят намного быстрее, чем вызванные ими конформационные перестройки. Поэтому в первом приближении электронные и конформационные переходы можно рассматривать отдельно.

Особую роль играют миграция энергии электронного возбуждения и транспорт электронов в биологических структурах. Одним из первых сообщений о миграции энергии электронного возбуждения в белке были опыты по фотодиссоциации карбомиоглобина комплекса С0-миоглобин. Под действием света в присутствии кислорода происходило отщепление СО от карбомиоглобина с образованием оксимиоглобина:

Белок-гем-СО => (свет, О2) Белок-гем-О2 + СО.

Фотохимическая реакция отщепления СО от гема вызывается светом, погло­щенным гемом, и достаточно эффективна при длинах волн около 410 нм. Однако, кроме того, в области 280 нм, где до 40% энергии поглощают ароматические груп­пы белка, возбуждение приводит к такому же эффективному распаду связи гем-СО. Это свидетельствует о миграции энергии от белка на гем. Затем эта энергия растрачивается на фотохимическое отщепление оксида углерода:

Белок*-гем-СО =>Белок-гем*-СО =>Белок-гем-O₂+СО.

Один из наиболее важных процессов миграции энергии осуществляется в фо­тосинтезе. Здесь происходит перенос энергии от фикоэритрина и фикоцианина на хлорофилл в направлении реакционного центра, где происходит первичный акт фо­тосинтеза.

Транспорт электрона:

· На дальние расстояния

· Не зависит от поступательных движений донора и акцептора

· Не нужен непосредственный контакт донора и акцептора

· Основа ФС и дыхания

· Может идти и при очень низких температурах (жидкий азот)

Роль электронного возбуждения в ФС– преодоление активационного барьера первой реакции. Однако в фотосинтезе сво­бодная энергия конечных продуктов выше, чем начальных (С0₂ и Н₂0), и поэтому здесь происходит еще и запасание энергии света в виде энергии химических связей продуктов фотосинте­за

Физическая причина переноса электрона с донора на акцептор(кулоновские взаимодействия). Стадии индуктивно-резонансного механизма:

1. Возбужденный донор Д* генерирует переменное электромагнитное поле за счет осцилляции(периодического изменения во времени) заряда е

2. Взаимодействие поля и электрона на невозбужденном А

3. Если частота колебания поля совпадает с частотой перехода е на возбужденный уровень, то происходит перенос энергии

4. Молекула Д* возвращается в основное, а молекула А переходит в возбужденное состояние А* - БЕЗЫЗЛУЧАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС.

Веро­ятность индуктивно-резонансного перехода пропорциональна сте­пени перекрытия спектра флуо­ресценции донора и спектра поглощения акцептора (рис. 2) и обратно пропорциональна R в 6ой степени, где R — расстояние между взаимодействующими молекулами. Расстояния, на которых эффективно происходит индуктив­но-резонансный перенос энергии, составляют около 20—50 А со скоростями 10 в6-10в 11 с^-1.

При понижении температуры спект­ральные полосы флуоресценции Д и поглощения А сужаются, степень их перекрытия уменьшается и вероятность переноса па­дает. Индуктивно-резонансный перенос возможен не только между синглетными уровнями донора и акцептора, но и по триплет- сннглетному (Дт->Аs1) и синглет-триплетному механизму (Дs->Ат). На более коротких расстояниях 1—З А порядка длины химической связи электронные орбитали донора и акцептора могут перекрываться. Тогда перенос возбуждения осуществля­ется по так называемому обменно-резонансному механизму, при котором происходит «обмен» электронами и электронными со­стояниями.

В фотосинтетических мембранах обменно-резонансная пере­дача происходит от хлорофилла в состоянии S1 на более низкий триплетный уровень каротиноидов

ХлS1 (спины вверх-вниз)+Kap s0 (спины вверх-вниз)= Хл s0 (спины вверх-вниз)+KapТ (оба спина вверх).

Как видно, здесь не сохраняется суммарный спин в системе Д и А. В то же время молекулы каротиноидов, поглотившие свет и перешедшие в состояние S1 могут отдавать энергию хлоро­филлу, так как их S1 уровень расположен выше S1 уровня хло­рофилла

ХлS0 (спины вверх-вниз)+Kap s1 (спины вверх-вниз)= Хл s1 (спины вверх-вниз)+KapS0 (спины вниз-вверх).

Другой, так называемый экситонный механизм миграции энергии, возбуждения осуществляется при больших энергиях взаимодействия (около 10 в -2 эВ). В этом случае время миграции тау много меньше 10 в -12 с и составляет 10 в -13 – 10 в -14 с. Возбуждение, попавшее в молекулу донора, может перейти в соседнюю молекулу акцеп­тора раньше, чем успеет произойти релаксация на нижние ко­лебательные уровни состояния s1 молекулы донора. Возбужде­ние как бы бежит по верхним колебательным уровням взаимо­действующих молекул, не успевая локализоваться на каждой из них в отдельности (рис. 3).

В этой ситуации возбуждени­ем одновременно охвачено несколько сот молекул, и оно носит коллективный характер. Такой тип миграции называется экситонным, а сама область возбуждения, включающая большое число молекул,— экситоном. В фотосинтетических мембранах экситонный механизм имеет место при миграции энергии в пре­делах группы однородных молекул пигмента, фиксированных на одном и том же белковом носителе. Перенос между разны­ми пигмент-белковыми комплексами идет по индуктивно-резо­нансному механизму.

Оптические свойства листьев высших растений и спектральные методы оценки состояния фотосинтетического аппарата in situ.

Исследование спектров флуоресценции - зависимости интенсивности излучения от длины

волн I=f(лямбда) - позволяет проводить качественный и количественный анализ различных компонентов в биологических и модельных системах, изучать их состояние, (например, агрегацию, комплексообразование и т.д.) и взаимодействие с другими соединениями.

По положению максимума (нм, см-1) в спектре флуоресценции можно судить о величине

кванта энергии, запасаемой в молекуле данного компонента системы, а сопоставление

спектров флуоресценции и поглощения дает информацию о миграции энергии

(межмолекулярном переносе энергии возбуждения в системе). Величина квантового выхода флуоресценции, представляющего собой отношение числа квантов флуоресценции к числу поглощенных квантов фи=n фл/nпогл, позволяет определить время жизни возбужденного состояния молекул компонента. Скорость затухания флуоресценции позволяет судить о времени сохранения энергии возбуждения в молекуле, что в сочетании со значениями квантовых выходов и скоростями тушения флуоресценции дает возможность проанализировать процессы растраты и миграции энергии.

Флуоресценция возникает при переходе молекулы с самого нижнего колебательного подуровня первого синглетного возбужденного состояния на основной: S1* → S0 + hv.

Излучательный переход в молекуле происходит на разные колебательные подуровни основного состояния, а поглощательный – с основного почти на какой угодно возбужденный уровень. Таким образом, энергия поглощенного кванта всегда больше, чем энергия кванта флуоресценции, а спектр флуоресценции будет расположен в более длинноволновой области, чем самый длинноволновый максимум в спектре поглощения (закон Стокса). Очевидно, что поскольку высвечивание квантов флуоресценции происходит с самого нижнего колебательного подуровня возбужденного первого синглетного состояния, спектр флуоресценции не зависит от длины волны возбуждения (закон Вавилова).

Длительность жизни молекулы в синглетном возбужденном состоянии обычно составляет 10-8 - 10-9 с . Интенсивность флуоресценции вещества можно описать следующим выражением:

I = K*I0 (1-T)*фи,

где I0 - интенсивность возбуждающего света, (1-T) - поглощение, а фи - квантовый выход

флуоресценции, К – коэффициент пропорциональности.

Характеристики

Список файлов вопросов/заданий