Вопрос 16. Первичные стадии фотобиологических процессов. Излучение м поглощение энергия атомами и молекулами. Пол­ная энергия молекулы. Спектр поглощения.

Фотобиологический процесс - процесс, протекающий в биологи­ческих системах при поглощении ими кванта света в видимой и ульт­рафиолетовой частях спектра, представляющий собой сложную по­следовательность физических, химических и биохимических реак­ций, и заканчивающихся физиологической или патофизиологической реакцией.

Пример: информационно-биологический процесс - зрение. При этом в ответ на поглощение квантов света в видимой области спектра фоторецепторами формируется зрительный образ.

Фотобиологический процесс включает ряд стадий:

1) возбуждение молекулы;

2) внутримолекулярный размен энергии;

3) межмолекулярный размен энергии;

4) стадия первичных фотобиологических процессов (создание нестойких продуктов реакций);

5) стадия вторичных фотобиологических процессов (стабилизация продуктов первичных фотохимических реакций);

6) стадия биохимических или ферментативных реакций;

7) стадия физиологических или патофизиологических реакций.

Пример: канцерогенный фотобиологический процесс. При по­глощении ультрафиолетовых лучей определенной длины волны мо­жет образоваться раковая опухоль. Это патофизиологическая реакция.

Энергия атома квантована. Она может принимать строго опреде­ленные значения. Атомные спектры излучения и поглощения состоят из отдельных линий, соответствующих переходам электронов с одно­го уровня на другой.

Состояние электрона в атоме, когда он занимает положение с ми­нимальной энергией, называется основным уровнем. При этом электроны на внешних уровнях могут быть спаренными и неспаренными. Спаренные электроны находятся на одной электронной орбите и имеют антипараллельные спины. Результирующий спиновый момент при этом равен нулю.

При образовании молекулы химические связи возникают благода­ря взаимодействию неспаренных электронов.

Как известно, в невозбужденном атоме или молекуле, электроны находятся на самой низкой электронной орбите или энергетическом уровне So. Это основной (нулевой) уровень. Если его занимают спаренные электроны, и их суммарный спин равен нулю, т.е. принимает только одно значение, то такой уровень синглетный.

Кроме основного уровня есть более высокие в энергетическом отношении уровни S₁, S₂ , S₃ и, иногда, S₄. На них элек­троны появляются только при возбуждении молекулы.

В некоторых случаях молекула может иметь во внешнем электрон­ном слое два неспаренных электрона. В этом случае суммарный спи­новый момент может принимать одно из трех значений: +1, 0, -1 и та­кое состояние электронной оболочки называется триплетным.

Переход в триплетное состояние связан с переориентацией спина электрона и поэтому этот переход из основного состояния запрещен. Возможен лишь переход в это состояние с возбужденного уровня без излучения энергии.

Дублетное состояние молекулы - состояние электронной оболочки, при котором суммарный спиновый момент может принимать одно из двух значений ± 1/2 (одиночный электрон на орбите).

Переход электрона из основного состояния So на возбужденные синглетные уровни S₁, S₂ , S₃ и т.д. сопровождается поглощением энер­гии. Молекула обладает колебательными (а) и вращательными (в) по­дуровнями, количество переходов очень велико и спектр поглощения молекулы полосатый, однако из-за большого количества возможных переходов для биологических молекул он ближе к непрерывному (сплошному).

Под спектром поглощения понимается график зависимости веро­ятности поглощения (или какой-то другой характеристики поглоще­ния) от длины волны.

Колебательные подуровни энергии (подуровни первого порядка) и вращательные подуровни энергии (подуровни второго порядка) свя­заны с колебательным и вращательным движением атомов в молеку­лах. Амплитуда и частота этих движений определяется температурой. Для изменения этих параметров молекуле необходимо строго опреде­ленные порции энергии - кванты.

Таким образом, полная энергия молекулы, поглотившей квант све­та равна: Е_полн = Е_электр + Е_колеб + Е_вращ

Спектр поглощения атома линейчатый, т.к. в атоме не могут воз­никать колебательных и вращательных подуровней энергии.

Спектр поглощения белка является сплошным. Однако он имеет два ярко выраженных максимума в области 220 и 280 нм. Ответст­венными за максимумы поглощения в этой области являются арома­тические аминокислоты: тирозин, триптофан, фенилаланин.

Литература: Губанов Н.И.,Медбиофизика,-1978, с.67-84. Влади­миров Ю.А.Биофизика,-1983, с. 30-36, 50-52. Лекции.