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

Текст из файла (страница 14)

последующим испусканием кванта света ашню3 (7). Этот переход сопряжен с преодолением достаточно высокого барьера энергии активации (дельтаE ~ 70 кДж/моль), поэтому вероятность обратного перехода 4 мала по сравнению с прямым переносом электрона 5 на вторичные акцепторы. Последнее обстоятельство обусловливает очень низкую интенсивность послесвечения. Таким образом, энергия, высвечиваемая в виде замедленной флуоресценции, выделяется в реакции обратного переноса электрона с восстановленного акцептора Q на хлорофилл реакционного центра Р680 (в реакции рекомбинации зарядов): Р680+ + Q- = Р680 + Q + ашню3. За счет высоких скоростей миграции энергии возбуждения между молекулами хлорофилла замедленная флуоресценция высвечивается не пигментом реакционного центра, а светособирающими молекулами хлорофилла. Именно поэтому спектры быстрой и замедленной флуоресценции идентичны. Кинетика затухания послесвечения имеет форму

сложной экспоненты, которая может быть представлена в виде суммы нескольких компонент с различным временем жизни (тау от 0,5 мс до нескольких секунд). Это свидетельствует о наличии нескольких реакций, определяющих замедленную флуоресценцию. Скорость реакции рекомбинации зависит от скорости восстановления Р680+ донором Z и окисления Q- последующими акцепторами. Количество компонент послесвечения и их время жизни сложным образом зависят от кинетики прямого и обратного транспорта электронов в ближайшем донорно-акцепторном окружении реакционного центра ФС II. Интенсивность послесвечения (I) пропорциональна скорости рекомбинации (омега) Р680+ и Q- и квантовому выходу излучения в акте рекомбинации (h). Скорость реакций рекомбинации определяется концентрацией реакционных центров в состоянии Р680+ Q-, а квантовый выход h зависит от квантового выхода энергии возбуждения Р680 при обратном переносе электронов (hвозб) и собственно квантового выхода флуоресценции (hфл):

I = h*омега=k1*hвозб *hфл*[Р680 +Q-].

Как было отмечено выше, концентрация Р680+ Q- зависит от скорости оттока электронов от реакционного центра - этим обстоятельством объясняется зависимость интенсивности и

компонентного состава замедленной флуоресценции от изменения скорости транспорта

электронов в хлоропластах растений, вызванного изменением внешних условий.

Фотоиндуцированное свечение подобно многим химическим процессам лимитировано

больцмановским фактором, в параметры которого входят энергия активации и температура. В связи с этим интенсивность послесвечения определяется соотношением:

I = hомега= k2 *hвозб *hфл [Р680+ Q-] *exp(-(дельтаE-дельтамюаш)/КТ)

Кроме того, разделенные заряды в реакционных центрах определенным образом

ориентированы в мембране, поэтому образование трансмембранного потенциала на

мембране хлоропласта (дельтамюаш) влияет на процессы прямого и обратного транспорта электронов и, соответственно, на выход послесвечения. Например, создание электрического диффузионного потенциала при быстром введении одновалентных солей металлов или наложение искусственного электрического поля на суспензию хлоропластов приводит к стимуляции замедленной флуоресценции.

Важным достоинством метода регистрации замедленной флуоресценции является

возможность получения информации от интактного объекта, что оказывается существенным, в частности, при проведении физиологических исследований в полевых условиях. Быстротаполучения информации позволяет использовать метод для экспресс-оценки устойчивости организмов к неблагоприятным факторам среды и фитотоксическим веществам. Например, применение метода в селекционной работе позволяет выявлять сортовые различия растений в устойчивости к температуре, водному дефициту, засолению, болезням, гербицидам.

При исследовании замедленной флуоресценции растений используют методы

регистрации кинетики затухания и кривых индукции миллисекундных компонент

(зависимостей интенсивности послесвечения от времени освещения образцов).

А. Измерение кинетики затухания замедленной флуоресценции

Кинетика затухания флуоресценции растений после короткого (порядка 1 с) импульса

света, включает в себя короткоживущие (тау= 10в-9 – 10в-7 с, быстрая флуоресценция) и

долгоживущие компоненты (тау= 10в -6 - 10 с, замедленная флуоресценция). Спектральный состав всех компонент флуоресценции одинаков, поэтому выделить послесвечение можно только по времени. Для этого момент возбуждения отделяется от начала регистрации свечения некоторым темновым интервалом, в течение которого быстрая флуоресценция хлорофилла полностью затухает. В установке объект закрепляется в камере под фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), регистрирующем слабое свечение. На момент освещения ФЭУ закрывается шторкой, на нижней поверхности которой расположен светодиод. После окончания освещения (1 с) шторка автоматически открывает ФЭУ, причем за время открывания шторки быстрая флуоресценция полностью затухает. После этого компьютер регистрирует кинетику затухания замедленной.

При включении света наблюдается сначала быстрое, а затем медленное нарастание интенсивности послесвечения до максимального значения. Медленное увеличение интенсивности отражает увеличение электрохимического градиента протонов на

тилакоидной мембране (дельтамюаш) во время освещения. Обработка листьев разобщителями, снимающими этот градиент, приводит к исчезновению медленной фазы на индукционной кривой. Стадия спада интенсивности послесвечения при длительном освещении наблюдается только на интактных листьях, в которых осуществляются темновые реакции фиксации СО2, утилизирующие продукты световой стадии фотосинтеза (АТP, НАDPН2). Снижение концентрации АТP в клетке при длительном освещении активирует его ресинтез, который осуществляется за счет энергии протонного градиента на мембране, что, в свою очередь, приводит к уменьшению интенсивности послесвечения. Это также позволило использовать метод ЗФ для оценки степени энергизации мембраны хлоропластов и связанной с ней фотосинтетической продуктивности фитопланктона. Вид индукционной кривой очень сильно зависит от состояния исследуемого объекта (с диуроном она прижалась к оси) - в зависимости от режима предшествующего освещения листьев, изменения температуры и др. вызывает значительное варьирование формы кривой послесвечения.

Очевидно, интенсивность ЗФ пропорциональна количеству РЦ в состоянии Р680+Q- с разделенными зарядами. Это состояние зависит от скорости последующих стадий переноса электрона. При действии повреждающих факторов на фотосинтетический аппарат концентрация РЦ в состоянии Р680+Q- может изменяться. Это позволяет использовать ЗФ для обнаружения загрязнений в водной среде.

В результате проведенных работ созданы, испытаны и используются для поведения экологических исследований следующие приборы: зонд-флуорометр, предназначенный для измерения в природных водах (in situ) на глубине до 200 м обилия фитопланктона и эффективности функционирования его фотосинтетического аппарата, а также регистрирующий подводную облученность и температуру, что позволяет рассчитывать первичную продукцию; проточный флуорометр, предназначенный для измерения в природных водах по ходу судна обилия фитопланктона и эффективности функционирования его фотосинтетического аппарата и снабженный спутниковой системой непрерывной регистрации географических координат; бортовой флуорометр для исследования адаптационных характеристик состояния фотосинтетического аппарата проб природного фитопланктона и культур водорослей; микрофлуорометр, позволяющий измерять параметры флуоресцентные одиночных клеток водорослей; дистанционный флуорометр для бесконтактного измерения эффективности фотосинтеза и скорости прироста биомассы посевов высших растений; флуорометрический индикатор функционального состояния фотосинтетического аппарата листьев и однолетних побегов высших растений, предназначенный для проведения массовых обследований деревьев и кустарников на больших территориях.

Билет 17

Возбужденные состояния и трансформация энергии в биоструктурах. Перенос

электрона в биоструктурах. Туннельный эффект.

Все, что до Туннельного эффекта - см.билет 16.1

КОРОТКО О ГЛАВНОМ: нужно перенести е с Д на А, но между ними есть энергетический барьев, больший по энергии, чем потенциальная энергия частицы. Например: е доставляется к гему внутри белка. Перенос идет нормально при любой температуре, причем при высоких-пик скорости, а при снижении температуры скорость падает, но тем не менее е движутся вполне себе нормально. Перенос е идет за счет туннельных эффектов, которые основаны на ядерных перестройках комплекса ДА. Д* и А* имеют разные равновесные ядерные координаты(R1 и R2), но существует зона, в которой они пересекаются:R*. Вблизи нее эенрии Д и А вбизки и е может успеть “протуннелировать” с Д на А. Важно, что е должен успеть потерять часть энергии, чтоб не вернуться на исходное состояние, а комплекс перестроиться так, чтоб оказать в координате R2. При понижении температуры туннелирование имеет меньшую вероятность.

Туннельный эффект:для него нужны особые структуры. Реакция без энергии активации, реакция не зависит от температуры. (Еа=0)

В настоящее время наибольшее внимание в этой области привлекает к себе концепция туннельного транспорта электрона между отдельными белковыми молекулами-переносчиками, отделенными друг от друга энергетическими барье­рами. Туннельный эффект — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Это явление имеет квантовую природу, так как подразумевает собой прохождение частицы сквозь область пространства, пребывание в которой запрещено классической механикой, например, перескок электрона через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два проводника.

Туннельный механизм обеспечивает эффективный транспорт электронов между донорно-акцепторными группами, располо­женными на расстоянии 10—15 А. Именно такой перенос может идти в дыхательной и фотосинтетической цепи, где простетические группы(небелковые компоненты, как гем, например) погружены в белковые глобулы на 5—10 А и взаи­модействуют друг с другом через белковую матрицу (в цитохромах). Перенос электрона происходит в белке по «электрон­ной тропе».

Эксперименты показали, что перенос электрона в фотосинтетической цепи идет эффективно как при комнатных, так и при низких температу­рах. На рис. приведена кривая зависимости окисления цитохрома фотоактивной молекулой бактериохлорофилла в фото­синтетических реакционных центрах. Как видно, кривая носит двухфазный характер. Начальный активационный участок кри­вой отражает влияние температуры на перестройки ядер ато­мов в белковых частях переносчиков, которые необходимы для обеспечения эффективного переноса электрона. При низких температурах эти перестройки затруднены, в результате чего скорость переноса электрона падает. Однако здесь перенос происходит хотя и медленнее, но зато и мало зависит от темпера­туры. Именно этому соответствует безактивационный низкотем­пературный участок кривой переноса электрона (рис. 5).

В основе описанного переноса электрона, сопряженного с пере­стройкой ядерной системы, лежат так называемые туннельные эффекты, которые связаны с электронно-конформационными взаимодействиями в макромолекулах. Согласно квантовым представлениям частица (электрон, отдельные ядра) обладает определенной вероятностью прохож­дения сквозь потенциальный барьер, энергия которого больше, чем энергия самой частицы (рис. 6).

Такое «просачивание» cквозь барьер, или туннелирование, не требует тепловой активации. В квантовой механике оно связано с тем, что состояние частицы характеризуется некоторой «размазанностью» (принцип Гейзенберга). Следовательно, существует вероятность найти частицу в разных точ­ках окружающего ее пространства, включая и область, находя­щуюся за потенциальным барьером. Туннельные переходы со­вершают электроны и ядра в комплексе ДА. В исходном со­стоянии (Д-(это минус)А) ядерные конфигурации донорно-акцепторного комплекса соответствуют состоянию, когда электрон локализо­ван на доноре (Д-А). Ядерная конфигурация конечного состо­яния после переноса электрона и изменения электронного со­стояния (Д-А=>ДА-) отличается от начальной и система имеет другую энергию (рис. 7).

Это значит, что равновесные ядер­ные координаты R1 и R₂ начального (Д-А) и конечного (ДА-) состоянии отличаются. Однако существует точка R* в которой кривые потенциальной энергии пересекаются. Очевидно, в точке R* энергии начального (Д-А) и конечного (ДА-) состояний совпадают. Допустим, что донорно-акцепторный комплекс, на­ходившийся в состоянии Д-А, перестроился таким образом, что его ядерная координата попала в окрестность точки R*. Само по себе это необязательно приведет к переносу электрона. Но в точках, близких к R*, сравнительно невелика ширина барье­ра туннелирования, отделяющего потенциальные кривые на­чального и конечного состояний. Поскольку около точки R* энергии начального и конечного состояний близки, то во время пребывания системы около R* электрон может успеть протуннелировать от Д- на А. Для закрепления на акцепторе элект­рон должен успеть потерять часть своей энергии, чтобы не вер­нуться таким же образом назад. В свою очередь для этого ядер­ная система должна успеть перестроиться так, чтобы часть электронной энергии ушла в тепло, а вся система приобрела бы ядерную конфигурацию, соответствующую состоянию ДА- с ко­ординатой R2. В этом случае за время пребывания электрона на А ядерная конфигурация изменится так, что система «сва­лится» в точку В результате произойдет необратимый пере­нос электрона от Д к А и система перейдет в состояние ДА-.

Ядерная система комплекса ДА, находящегося в исходном состоянии R1 может попасть в окрестность точки R* за счет тепловой активации и перехода на верхние колебательные уров­ни исходного состояния, где координаты ядер близки к R*. Этому процессу соответствует активационный температурно-зависимый участок двухфазной кривой переноса электрона. При низких температурах ядра находятся на нижних колебательных уровнях, где ширина барьера между потенциальными кривыми начального и конечного состояний шире, чем на верхних уров­нях. В этом случае существует меньшая вероятность туннели­рования ядер в конечное состояние, которая уже не зависит от температуры.

Таким образом, общая вероятность W туннельного переноса электрона, сопряженного с перестройкой ядерной системы и тепловой диссипацией части электронной энергии, складывается из двух частей: W=W0+W1*exp(-aш с палочкой*омега/кТ). Здесь W₀ — вероятность подбарьерного, не зависящего от температуры туннелирования с нижних колебательных уровней; W₁- вероятность надбарьерного активационного процесса; W0<<W1,aш с палочкой*омега— энергия колебательного кванта, необходимая для активации переноса.

Для характеристики величины туннельного эффекта вводится коэффициент прозрачности барьера, равный модулю отношения плотности потока прошедших частиц к плотности потока упавших. Точное решение получается решением квантовомеханической задачи. Коэффициент прозрачности D зависит от ширины барьера b, высоты барьера h,массы частицы m, а также от профиля потенциального барьера, значения потенциальной энергии по правую и левую сторону от барьера.

Приближенно зависимость коэффициента прозрачности можно описать формулой: В пропорционально k*exp(-корень из mbh)

Характеристики

Список файлов вопросов/заданий