1. Что такое квантовая биофизика? Что такое фотобиологический процесс? Основные стадии фотобиологического процесса.
a. Что такое квантовая биофизика?
b. Что такое фотобиологический процесс?
c. Основные стадии фотобиологического процесса.
1a. Что такое квантовая биофизика?
Квантовая биофизика - раздел общей биофизики, изучающий фотобиологические процессы.
1b. Что такое фотобиологический процесс?
Фотобиологический процесс - процесс, протекающий в биологических системах при поглощении ими квантов света в видимой и ультрафиолетовой областях спектра и представляющий собой сложную цепь фотофизических и фотохимических реакций и заканчивающийся физиологической или патофизиологической реакцией.
Пример: процесс зрения - в ответ на поглощение квантов видимого света фоторецепторами сетчатки глаза формируется зрительный образ. В основе зрения лежит реакция цис-трансфотоизомеризации ретиналя (зрительный пигмент фоторецептора).
Этот фотобиологический процесс является примером физиологического процесса.
Любой фотобиологический процесс начинается с поглощения кванта света. Свет, по современным представлениям, обладает корпускулярно-волновым дуализмом (Бор, Резерфорд, Эйнштейн и др.). С одной стороны свет, являясь электромагнитным излучением, обладает волновыми свойствами (интерференция, дифракция и т.д.) и имеет длину волны L=c/v, где c - скорость света, v - частота колебаний. С другой стороны свет - частица, обладающая массой покоя = 0 и движущаяся со скоростью света (с = 300000000 m/c) и обладающая энергией E=hv, где h - постоянная Планка, v - частота колебаний. Между энергией кванта и длиной волны существует обратная зависимость Ў E=hc/L.
1c. Основные стадии фотобиологического процесса.
Любой фотобиологический процесс включает в себя, как правило, шесть основных последовательных стадий:
1 - стадия поглощения кванта света и возбуждения молекулы,
2 - стадия миграции энергии (необязательная стадия),
3 - стадия первичных фотохимических реакций,
4 - стадия вторичных фотохимических реакций,
5 - стадия биохимических (ферментативных) реакций,
6 - стадия физиологических или патофизиологических реакций.
Пример: канцерогенный фотобиологический процесс - поглощение кванта ультрафиолетовых лучей (УФЛ) молекулами белков Ў образование раковой опухоли (пример патофизиологического процесса).
2. Возбуждение молекулы. Условия поглощения квантов света молекулой. Структура электронных уровней в молекулах. Полная энергия молекулы.
a. Возбуждение молекулы.
b. Условия поглощения квантов света молекулой.
c. Структура электронных уровней в молекулах.
d. Полная энергия молекулы.
2a. Возбуждение молекулы.
Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг ядра. Атом в целом электронейтрален, т.к. суммарный заряд электронов равен заряду протонов ядра. Строение молекул значительно сложнее, т.к. в состав молекулы, как минимум, входят два атома, поэтому и структура электронных орбиталей или уровней в молекулах гораздо сложнее. В квантовой биофизике принято изображать атомы или молекулы в виде электронных энергетических уровней или орбиталей, которые располагаются один над другим. Чем выше расположен уровень, тем больше энергия находящегося там электрона (смотри рисунок 2).
Условные обозначения:
S0 - основной синглетный уровень,
S1*,S2* - возбужденный синглетный уровень,
е - электрон,
hv - поглощаемый квант света.
В невозбужденном атоме или молекуле электроны находятся на самом верхнем невозбужденном синглетном уровне S0. Все синглетные уровни отличаются тем, что электроны, находящиеся там, спарены и спины их антипараллельны, т.е. направлены в противоположные стороны, поэтому спиновый момент = 0.
При поглощении кванта света hv молекулой или атомом происходит переход электрона е на более высокую орбиталь S1* или S2*, а молекула при этом переходит в возбужденное синглетное состояние S1* или S2*.
2b. Условия поглощения квантов света молекулой.
Условные обозначения:
S0 - основной синглетный уровень,
S1*,S2* - возбужденный синглетный уровень,
е - электрон,
hv - поглощаемый квант света.
Для того, чтобы квант был поглощен атомом или молекулой, абсолютно необходимо, чтобы энергия кванта hv была равна энергии электронного перехода. Если hv=E1-E0, то электрон будет переведен на орбиталь S1*, а если hv=E2-E0, - то на орбиталь S2*, в противном случае квант поглощен не будет.
2c. Структура электронных уровней в молекулах.
Молекула, как минимум, состоит из двух атомов (смотри рисунок 4а). Атомы в молекуле колеблются один по отношению к другому с амплитудой dr. Если молекуле сообщить квант энергии hv, то амплитуда колебания атомов в молекуле увеличится, а электрон при этом перейдет (смотри рисунок 4b) в пределах одного синглетного уровня на один из подуровней первого порядка - колебательный подуровень (п1 - на рисунке 4b). Каждый синглетный уровень, таким образом, состоит из большого количества подуровней первого порядка.
Каждый подуровень первого порядка, в свою очередь, состоит из большого количества подуровней второго порядка (п2 - на рисунке 4b). Если электрон при поглощении кванта света попадает на какой-то подуровень второго порядка, то увеличивается частота вращения молекулы, поэтому подуровни второго порядка еще иначе называют вращательными подуровнями.
2d. Полная энергия молекулы.
При поглощении кванта света hv часть его энергии идет на перевод электрона на один из возбужденных синглетных уровней, например, на S2*, при этом молекула перейдет в синглетное возбужденное состояние S2.Та часть энергии кванта, которая идет на возбуждение молекулы, получила название электронной энергии - E эл. Избыток энергии кванта идет на перевод электрона в пределах уровня S2* на один из колебательных подуровней. Эта часть энергии, которая идет на увеличение амплитуды колебания атомов в молекуле, получила название колебательной энергии и обозначается - E кол. Кроме этого часть энергии поглощенного кванта идет на перевод электрона на один из подуровней второго порядка - вращательный подуровень, при этом молекула начинает вращаться с большей частотой. Та часть энергии, которая пошла на увеличение частоты вращения молекулы называется вращательной энергией и обозначается E вращ. Таким образом, полная энергия молекулы при поглощении ею кванта света равна сумме электронной, колебательной и вращательной энергии:
E полн. = E эл. + E кол. + E вращ.