5.10.6. Экситонный механизм

Экситонный механизм реализуется при сильном взаимодействии молекул с энергиями порядка 10^–2 эВ. Характерной особенностью этого механизма является то, что миграция энергии происходит за время , существенно меньшее времени жизни электрона в возбужденном состоянии S₁ донора. Это означает, что энергия возбужденного состояния распространяется быстрее, чем осуществляется переход возбужденного электрона у донора из состояния S₁ в основное состояние S₀. Возбуждение перемещается по верхним колебательным уровням зоны S₁ взаимодействующих молекул, не успевая локализоваться на одной из них (рис. 5–25).

Рис. 5–25. Экситонный перенос возбуждения (перенос сцепленной пары электрон (темный кружок) – дырка (светлый кружок)) по цепочке молекул: М1 → М2 →…→ Мn (n порядка нескольких сотен)

Это взаимодействие охватывает несколько сот молекул и имеет коллективный (кооперативный) характер. Возбужденная область называется экситоном. Обычно экситонный механизм миграции энергии имеет место в группах однородных молекул (с одинаковыми энергиями уровней возбуждения), расположенных на одном и том же белковом носителе. Дальнейший перенос энергии между различными белковыми группами, расположенными на соседних белковых комплексах, осуществляется по рассмотренному выше индукционно – резонансному механизму.

5.10.7. Некоторые замечания о механизмах переноса энергии фотовозбуждения

При индукционно – резонансном и обменно-резонансном способах передачи возбуждения между двумя одинаковыми изолированными молекулами перенос энергии не имеет направленного характера. Следует учитывать также, что изолированная система из молекул с энергией взаимодействия ~10^–3 эВ (Т~10К) может существовать в конденсированном состоянии только при температурах ниже 10 К. Поэтому рассматривать такую систему при температурах функционирования биологических объектов бессмысленно. В реальных условиях индукционно – резонансный механизм может реализоваться в системе резонирующих молекул, встроенных в матрицу из молекул с существенно отличными резонансными частотами.

В трех- и двумерных системах возбуждение одной молекулы приведет к сложной интерференционной картине возбужденного состояния в области, размеры которой увеличиваются во времени, а средняя энергия возбуждения, приходящаяся на единицу площади (в отсутствие затухания), уменьшается обратно-пропорционально ее размерам. При наличии затухания время существования и размеры возбужденной области связаны с величиной коэффициента затухания.

Ситуация изменяется при рассмотрении одномерной структуры из резонирующих молекул. Примером могут служить несколько молекул, встроенных поперек клеточной мембраны. Тогда энергия возбуждения от молекулы А через характерное время τ* перейдет к молекуле В, а через время 2τ*половина энергии вернется к молекуле А, а половина – перейдет к молекуле С. Если энергия, получаемая молекулой С преобразуется в химическую форму, то по цепочке молекул А–В–С будет осуществляться передача энергии.

Другой механизм передачи энергии может осуществляться в жидких растворах, содержащих взвешенные активные резонирующие молекулы. Эти молекулы, совершая броуновское движение, за время t в среднем проходят расстояние , где коэффициент для взвешенных частиц определяется их подвижностью (коэффициентом пропорциональности постоянной внешней силы и скорости движения частицы):

(соотношение Эйнштейна).

Для шароподобных частиц их подвижность определяется коэффициентом вязкости жидкости и радиусом частиц:

(формула Стокса).

Гидродинамический радиус молекулы характеризует ее движение в окружении сольватной оболочки и обычно превышает средний радиус изолированной молекулы. Полагая Å и для воды при 20°С, находим

.

Так как индукционно – резонансное взаимодействие осуществляется на расстояниях Å, то в области с таким радиусом одна молекула будет находиться около другой в течение . Если это время порядка времени переноса энергии, то невозбужденная молекула, находясь вблизи возбужденной, может возбудиться и выйти из сферы возбуждения, перенося энергию. Так может осуществляться перенос энергии в жидкостях, до тех пор, пока возбужденная молекула не передаст энергию молекуле – акцептору энергии.