PDF (1123296), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Это дало толчок новому направлению в биофизике фотосинтеза - исследованию транспортаэлектронов в биологических мембранах в условиях, исключающих обычную диффузию молекул переносчиков.Окисление цитохромов в фотосинтетических мембранах не требует обычных активационных механизмов, подобныхокислительно- восстановительным реакциям в растворах, а протекает по другим законам.
Основополагающая концепциябазируется на физическом явлении туннельного переноса электрона, который может происходить между молекуламидонора Д и акцептора А в условиях, когда энергия электрона меньше высоты разделяющего их активационного барьера.Основные положения теории туннельного переноса:Согласно квантово-механическим представлениям существует определенная вероятность перекрывания электронныхволновых функций начального и конечного состоянии, зависящая от высоты и ширины барьера.
За время пребыванияэлектрона на молекуле акцептора происходит потеря части электронной энергии и, как следствие, нарушение резонансногосовпадения положения уровней А и Б. В результате этого обратное туннелирование практически невозможно, и переносэлектрона становится необратимым. Диссипация электронной энергии за счет электроколебательных взаимодействийпроисходит за 10-12 -10-13 с с возбуждением колебательных акцептирующих мод в донорно-акцепторном комплексе всостоянии Б А*.Таким образом, условием необратимости в конечном состоянии туннельного переноса является соотношение между временемэлектронного перехода тэл, зависящим от перекрывания волновых функций начального и конечного состояний, и временемколебательной релаксации т рел в конечном состоянии: тэл больше трел (золотое правило Ферми).Типичные двухфазные температурные кривые окисления СL цитохрома, диаграмма потенциальных поверхностей электроннойэнергии Ui и Uf начального i и конечного f состояний донорно-акцепторной пары Д -А и экспериментальные данные овлиянии замещения H2O на D2O:Температурная зависимость скорости окисления цитохрома в фотосинтезирующих бактериях (а); электронно-колебательныевзаимодействия при туннелировании электрона (б); (в) —изотопный эффект замещения Н2О на Д2О; Ео —энергия активации,Еr—энергия реорганизации среды, дельта Е — тепловой эффект реакции переноса электрона, дельта Rо — смещениеположения равновесия ядер при переходе из начального i в конечное состояние f.
Штриховая кривая соответствуетбезактивационному переносу электрона ЕаТуннелирование электрона происходит, когда энергии состояний i и f становятся равными, что имеет место в точке R*ядерной координаты, где кривые Ui(R) и Uf(R) пересекаются: (Д*А)i->(Д*А)fВ состоянии (ДА*)f система оказывается на одном из высших колебательных подуровней, с которого происходит сбросизбытка энергии с переводом на нижние колебательные подуровни и возбуждение акцептирующих мод. Приближение вдольядерной координаты к точке R* происходит при увеличении температуры и заселения высоких колебательных подуровнейисходного состояния.
При этом ширина активационного барьера перехода, как видно из риc б уменьшается, следовательно,скорость туннелирования растет с ростом температуры. При низких температурах в состоянии i заселены только нижниеколебательные подуровни, и точка R* может быть достигнута только за счет туннелирования самих ядер (ядра — достаточнолегкие частицы). Здесь, однако, ширина и высота барьера наибольшие, и поэтому скорость туннелирования минимальная, ноот температуры уже не зависит.
Таким образом, двухфазный характер температурной зависимости окисления цитохромаобъясняется влиянием температуры на процесс перестройки ядерной конфигурации, который характеризуется величинойсмещения дельта R = Rof - Roi исходной равновесной ядерной конфигурации Rof к новому равновесному значению Roi припереносе электрона. Разработанная количественная теория туннельного переноса в белковой среде дает выражения дляконстанты скорости туннелирования в случае сильной и слабой электронно-колебательной связи, которые позволяют найтипараметры процесса переноса электрона.
Эти частоты характеризуются значениями ~ 300 - 400 с-1 . В качествеакцептирующей моды могут выступать колебания молекул воды в гидратных оболочках порфириновых молекул, в другихслучаях - также колебания атомов водорода в химических группах C—H, O—H, N—H.Билет 19Механизмы ферментативного катализа. Электронно-конформационные взаимодействия в фермент-субстратномкомплексе.Механизмы ферментативного катализа.Рассмотрим энергетический профиль обычной реакции, проходящей в растворе помеханизму столкновений А+В=РОбразование продукта Р происходит,если энергия сталкивающихся молекул исходныхвеществ А и В превышает величину энергетического барьера.
Если уменьшить величинуЕакт то реакция пойдет быстрее.Общая схема ферментативной реакции включает образование фермент-субстратногокомплекса, в активном центре которого и происходит разрыв старых и образование новыхсвязей с появлением продукта.Одной из возможных причин ускорения протекания реакций может явится снижениеэнтропии связанных с ферментом молекул реагентов по сравнению с их свободнымсостоянием. Строгая ориентация облегчает взаимодействие реагентов, позволяя реакциипроходить быстрее.Существует релаксационная(равновесная) концепция ферментативного катализа. В ней проявление продукта рассматриваетсякак результат последовательных конформационных изменений в фермент-субстратном комплексе, индуцированныхпервоначальными изменениями электронного состояния в активном центре фермента.
Вначале, в течение короткого времени(10-12 – 10-13с), происходят электронно-колебательные взаимодействия, затрагивающие только выделенные химическиесвязи субстрата и функциональные группы фермента, но не остальную часть белковой глобулы. Вследствие этого создаетсяконформационно-неравновесное состояние, которое релаксирует к новому равновесию с образованием продукта. Процессрелаксации идет медленно, и носит направленный характер, включая стадии отщепления продукта и релаксации свободноймолекулы фермента к исходному равновесному состоянию.Образование многоцентровой активной конфигурации.На первом этапе катализа стохастический характер динамики белковой глобулы фермента и диффузии субстрата к активномуцентру приводят к образованию строго определенной конфигурации, включающей функциональные группы фермента ихимические связи субстрата.
Формально это соответствует соударению нескольких молекул, что в растворе –маловероятно.Вероятность попадания нескольких групп в реакционную область определенного радиуса, где они оказываются сближеннымина короткие расстояния зависит от коэффициента диффузии и числа степеней свободы функциональных групп, ищущих другдруга в ограниченном пространстве. Среднее время образования такой активной конфигурации составляет 10-2 – 10-4 с-1 , чтосовпадает с временами оборота фермента в условиях субстратного насыщения. В растворе для аналогичной реакции это времянамного больше.Причина состоит в том,что, попав в ограниченную область в плотноструктурированной среде, группынаходят друг друга быстрее,чем разбегаются в стороны. Увеличение числа функциональных групп и необходимыходновременных контактов между ними увеличивает время достижения многоцентровой активной конфигурации.
Общаяскорость ферментативного катализа определяется именно временем образования нужной конформации при спонтанномсближении групп в активном центре. Последующие электронные взаимодействия происходят быстро и скорость нелимитирует.Механизмы регуляции процессов фотосинтеза при облучении организма светомразличной интенсивности и спектрального состава.http://www.biophys.msu.ru/general_courses/biophysics/pogosyan/13.pdfБилет 20Принцип работы и применение методов ЭПР и ЯМР в исследованиях динамики макромолекул.Диамагнетики не взаимодействуют с магнитным полем. Парамагнетики — частицы,чей суммарный спин не равен0.например,свободные радикалы.Способы обнаружения:--косвенно химически по цветным реакциям--напрямую по физическим характеристикам с помощью эпр.Создается большое магнитное поле.
От этого парамагнитик имеет 2 состояния спина, а не одно неопределенное. Затемделают переменное поле и ищут яму.дельта Е=g (фактор спектроскопического расщепления)×бета (константа,связывающаямагнитный и механический моменты)×Н (напряженность поля).по графику производной dE/dH от Н можно определить что это и сколько его. Еще на график влияет вязкость среды.+можно делать метки(навешены ковалентно) и зонды (навешены нековалентно). Можно определить перенос электрона поцепи.Электронный парамагнитный резонанс(ЭПР)-резонансное поглощение электромагнитной энергии в сантиметровом илимиллиметровом диапазоне длин волн веществами,содержащими парамагнитные частицы.Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) основан на взаимодействии вещества с магнитным полем.
Какследует из названия метода, он применяется для исследования парамагнитных частиц. Известно, что при помещениипарамагнетиков в магнитное поле, парамагнетик втягивается в это поле. Это связано с наличием у парамагнетиков магнитныхмоментов. Магнитные моменты создаются неспаренными электронами. Примерами парамагнитных частиц, представляющихинтерес для биологов, служат свободные радикалы, являющиеся промежуточными продуктами биохимических реакций, ионыметаллов переменной валентности, таких как железо, медь, марганец и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
