PDF (1123296), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Напротив, выход фото-люминесценции резко уменьшается приобратном пре-вращении длинных волн в короткие.Закон Вавилова уточняет закон Стокса—Ломмеля и предусматривает возможность возникновения люминесценции привозбуждении ее светом с большей длиной волны, чем свет люминесценции (антистоксовая область возбуждения). Даннаявозможность реализуется вследствие того, что молекулы до поглощения квантов света могут обладать значительным запасомколебательной энергии, которая, суммируясь с энергией поглощенных квантов, может приводить к излучению фотонов сбольшей энергией:hn е = hn а + Ev , (14.4.88)где hnе — энергия фотона люминесценции; hna — энергия поглощенного фотона; Ev — колебательная энергия молекулы.Фотодинамическое действие.Любой фоторегуляторный процесс включает несколько последовательных стадий:1)поглощение кванта света и образование возбуждённого состояния фоторецептора2)фотофизическая реализация энергии возбуждения3)Сенсибилизация фотохимической реакции4)образование промежуточных продуктов5)конечное проявление фотобиологических эффектовФотосенсибилизаторами называются вещества, выступающие в качестве первичных фоторецепторов в фотобиохимическихреакциях.Пигменты-сенсибилизаторы большинства фотобиологических процессов до сих пор неидентифицированы (о их природеможно судить только по спектрам действия фотобиологических эффектов).
Исключением является пигмент фитохром. Этодимер, каждый мономер которого содержит хромофор (фитохромобилин), присоединённый к апобелку тиоэфирной связью.Фитохром обладает фотоконверсией – под действием красного и дальнего красного света он способен менять своюконформацию с изменением максимума поглощения при 660нм (К) и 730 нм (ДК). Дальнекрасная форма фитохрома (Ф730)характеризуется наличием гидрофобной зоны, что позволяет фитохрому взаимодействовать с регуляторными и сигнальнымимолекулами.Принцип действия фотосенсибилизаторов основан на эффективном измнении активности ферментов а также проницаемостимембран) при поглощении кванта света.
Поглощая свет, молекула сенсибилизатора претерпевает фотохимическую реакцию(например, цис-транс изомеризацию), приводящую к изменению пространственной конфигурации фотохрома,что отражаетсяна характере взаимодействия фотохрома с ферментом.Однако, не все фотосенсибилизаторы реагируют на красный свет . Пример процесса,индуцируемого синим светом, являетсяфототропизм. Основными рецепторами этих реакций являются флавиновые хромофоры. (за счёт фотосенсибилизированныхрибофлавином окислительных реакций происходит активация транспорта ауксинов через мембрану).
Ещё к реакциям, которыеиндуцируются синим светом, относятся каротиногенез, фототаксис.Фотодинамическими называются фотосенсибилизированные деструктивные процессы в большинстве случаев протекающиес участием кислорода. Фотодинамические реакции разделяются на 2 типа, в зависимости от того, каким способом энергиясветового возбуждения передаётся на биологический субстрат.В реакциях I типа возбуждённый сенсибилизатор может осуществлять ОВР с различными молекуласи (перенося либоэлектрон, либо атом водорода). В результате образуются реакционноспособные радикалы сенсибилизатора и субстрата,ступающие в химические реакции с кислородом.В реакциях II типа перенос энергии от возбуждённой в триплетном состоянии молекулы сенсибилизатора происходит ккислороду с образованием синглетной формы кислорода, который окисляет молекулы биологического субстрата.Однако существую фотодинамические реакции, не требующие участия кислорода.
В частности, такие процессы протекают вДНК. Энергия возбуждения в данном случае передаётся с молекул-сенсибилизаторов на азотистые основания, вызывая ихдимеризацию(это происходит под действием УФ излучения).Интересно, что данное действие является фотообратимым.Под действием УФ протекает реакция фотогидратации ДНК, когда к пиримидиновому кольцу присоединяется молекула воды.Однако, это реакция протекает только в одноцепочечных НК, что имеет большое значение для процессов Репликации итранскрипции.УФ может вызывать появление пиримидовых аддуктов (аддукт – это 2 соединённых пиримидоных основания).
Эта реакцияимеет значение в качестве способа появления мутаций.Все вышеприведённые реакции соответствовали коротковолновому УФ излучению.Теперь рассмотрим реакции, которые вызывает длинноволновое УФ излучение. Данный свет индуцирует в ДНК образованиепиримидиновых димеров и одноцепочечные разрывы. Очевидно, что молекула ДНК не может служить первичнымхромофором придействии УФ излучения (300-320 нм). Следовательно, и димеры, и разрывы должны образовываться не засчёт прямого поглощения квантов молекулой ДНК, а косвенным путём с участием определённых молекул – хромофором,тесно связанных с ДНК. Зависимость от молекулярного кислорода позволяет считать, что образование этих фотопродуктовидёт по фотодинамическому механизму. Такой механизм осуществляется при наличии следующей комбинации факторов:свет+хромофор+О2 .
Как и любая фотохимическая реакция, фотосенсибилизированный процесс имеет начальную «световуюстадию» и последующие «темновые стадии». Наиболее характерные первичные реакции заключаются либо в переносеэлектрона (или атома водорода), либо в переносе энергии (или электрона) на кислород.При фотосенсибилизированном образовании кислородо-зависимых одноцепочечных разрывов в ДНК в качестве эндогенныхсенсибилизаторов выступают НАДН, 4-тиоуридини 2-тиоурацил. Установлено, что фотосенсибилизированная этимисоединениями иницияция разрывов в ДНК осуществляется по фотодинамическому механизму с участием АФК.
При этомпервичной фотогенерируемой формой кислорода является супероксидный анион-радикал. Однако он обладает малойреакционной способностью по сравнению с радикалом ОН*. Соответственно, фотодинамическую реакцию одноцепочечногоразрыва ДНК можно представить как : S à S* à S+ + О’2- à Н2О2 à OH’ à ДНК à одноцепочечный разрывБилет 15.Принцип Франка-Кондона. Люминесценция биологически важных молекул.Фотопроцессы в биологических системах сопровождаются возникновением электронно-возбужденных состояний,характеризующихся определенной энергией, временем жизни, структурными свойствами.Полная энергия состояния молекулы Е складывается из энергии электронного возбуждения Ее, колебательной энергии Еv ивращательной энергии Er.
Таким образом, при поглощении кванта света молекулой полное изменение энергии можнопредставить в следующем виде: ашню = дельта Ее + дельта Еv + дельта Er . Энергия вращательных квантов меньше, чемколебательных, а их энергия, в свою очередь, меньше энергии электронных (Er 10 в10 Гц, Еv 10 в 13 Гц, Ее 10 в 18 Гц).Возможные электронные переходы и энергетические состояния молекулы обычно представляются в виде схемы уровнейэнергии (Яблонского), где каждый электронный уровень расщепляется на ряд колебательных подуровней, а каждыйколебательный — на ряд вращательных подуровней (рис.
1)При поглощении кванта света молекулой осуществляется переход с самого нижнего колебательного подуровня основногосостояния (комнатная температура) на возбужденные уровни S1* и S2*, характеризующиеся колебательными ивращательными подуровнями. В молекулах большинства соединений при возбуждении электронных состояний,расположенных выше S1*, происходит быстрая внутренняя конверсия (с временами порядка 10 в -13 с) за счет перехода снижнего колебательного подуровня верхнего состояния S2* на верхний колебательный подуровень нижнего состояния S1* споследующей релаксацией (порядок 10 в -12) на самый нижний колебательный подуровень возбужденного состояния S1*. Этоозначает, что в какое бы возбужденное состояние ни попала молекула (например, в состояние S2*), в течение 10 в -13 — 10 в 12 с она перейдет на нижний колебательный подуровень первого электронного состояния S1*.
Именно с этого уровня припереходе на любой колебательно-вращательный подуровень основного состояния S0 и происходит излучение —флуоресценция.Отсюда следует, что спектр флуоресценции I=f(лямбда), т.е. зависимость интенсивности флуоресценции от длины волны иквантовый выход флуоресценции фи=число квантов фл/число погл квантов не зависят от длины волны возбуждающего света.Независимость спектра и квантового выхода флуоресценции от энергии поглощенного молекулой кванта называется закономВавилова.Поскольку энергия поглощенного кванта частично растрачивается на тепловые колебания, энергия кванта флуоресценцииоказывается меньшей, т. е.
спектр флуоресценции сдвинут в длинноволновую сторону относительно наиболеедлинноволновой полосы поглощения (закон Стокса ) (т.к. E=hc/лямбда, чем меньше энергия, тем длиннее лямбда). Если чторисуем 2 гладких холма, где правый – спектр флуоресценции, а левый – поглощения. Форма полос флуоресценцииопределяется распределением колебательных подуровней основного состояния, т. е. отражает колебательную структуруосновного состояния S0.Часто распределение колебательных подуровней по энергиям у основного и возбужденного состояний одинаково;следовательно, полосы флуоресценции и поглощения будут зеркально симметричны относительно так называемого (0 — 0)перехода (единственный переход, имеющий одинаковую энергию поглощения и флуоресценции).Принцип Франка – Кондона: электронные переходы в молекулах происходят очень быстро (около 10 в -15 с) по сравнению сдвижением ядер, благодаря чему расстояние между ядрами и их скорости при электронном переходе не успевают измениться.Существует несколько дополнительных формулировок этого принципа: электроны не обмениваются энергией с ядрами;электроны всегда имеют равновесную конфигурацию при любом расположении ядер.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
