Глава 3 квантовая биофизика

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

Для выяснения природы первичных стадий фотобиологических процессов, происходящих в биологических системах при поглощении световой энергии, необходимо иметь некоторое представление о строении атомов и молекул и их энергетических уровнях, основанное на положениях квантовой механики — науки о движении микрочастиц.

Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Заряд ядра определяется количеством протонов, находящихся в нем, а атомный вес ядра равен сумме количеств протонов и нейтронов. Количество электронов, вращающихся вокруг ядра, ра­вно заряду ядра, так что атом в целом электронейтра­лен.

Как было впервые установлено Н. Бором, электро­ны вращаются вокруг ядра только по определенным (дозволенным) орбитам с радиусом, определяемым энергией атома. Термин «электронная орбита», так же как и термины «электронный слой» и «электронная обо­лочка», является условным. Движение электронов в атоме описывается так называемой волновой функцией, которая позволяет только с некоторой степенью веро­ятности определять положение электронов в атоме. В связи с этим термин «орбита» означает наиболее ве­роятную область локализации электронов, а вовсе не то, что электроны движутся по определенным траекто­риям. Вращаясь по любой из дозволенных орбит, элект­рон не излучает энергии, а атом находится в стабиль­ном состоянии. Электроны, находящиеся на более уда­ленных от ядра орбитах, обладают большей энергией, чем электроны, находящиеся на более близких орби­тах. При поглощении атомом энергии электрон перехо­дит на более удаленную орбиту и атом переходит в воз­бужденное состояние. При переходе электрона с более удаленной орбиты на основную выделяется энергия в виде кванта электромагнитного излучения. Если началь­ная энергия атома была Е₁, а конечная — после перехо-

5* 67

да электрона с одной орбиты на другую — Е₂, то энер­гия ΔЕ, выделяемая или поглощаемая при переходе, будет равна:

( 1)

где h = 6,62-10~²⁷ эрг•с; v — частота излучаемого или поглощаемого кванта.

У читывая, что частота излучения связана со скоро­стью света с и длиной волны λ излучения соотношением λ = с/v, можно записать:

(2)

Электронная энергия атома, а также энергия излу­чения и поглощения имеют квантовый характер: они могут принимать не любые значения, а только опреде­ленный ряд дискретных значений, определяемых нали­чием дозволенных орбит электронов.

Э кспериментально

это проявляется в том, что атом-

ные спектры излучения и погло-

щения состоят из отдельных ли-

ний, соответствующих (переходам

электронов с одного дозволенно-

_{го уровня на другой.}

Из всех возможных положений

в атоме электрон занимает

положение с минимальной энер-гией. Такое состояние электрона

в атоме называется основным, а

^{уровень энергии, на котором}

в данном случае находится элект- рон, называется основным уров­- нем энергии.

Химические свойства элемен-

тов определяются строением их в наружном электронном слое,

определяет группу, в которой на- ходится элемент в периодической

системе. Часть электронов, нахо-

дящихся во внешнем электрон- ном слое атомов, являются спа-

68

ренными, а часть — неспаренными (за исключением атомов инертных газов). Спаренные электроны находятся на одной орбите и имеют антипараллельные спины (рис. 8). Неспаренные электроны — это одиночные электроны на орбитах. При образовании молекул химическая связь возникает в основном благодаря взаимодействию неспаренных электронов двух атомов.

В большинстве случаев все электроны в молекуле спарены и их суммарный спиновой момент равен нулю. Такое состояние электронных оболочек называется синглетным. Если молекула или часть молекулы имеет один неспаренный электрон, то такое соединение назы­вается монорадикалом. Примерами монорадикалов могут быть ОН (свободный гидроксил), СН₃ (свободный метил) и др. Точкой обычно обозначают наличие неспаренного электрона. В некоторых случаях соединение мо­жет иметь два неспаренных электрона. Тогда оно на­зывается бирадикалом. В этом случае суммарный спи­новый момент может принимать одно из трех значе­ний: + 1, 0, —1, и такое состояние электронной оболоч­ки называется триплетным. Простейшим веществом, основное состояние которого бирадикально, является, например, кислород; его молекула обладает двумя неспаренными электронами: О—О.

Свободные радикалы могут быть нейтральными и заряженными; в последнем случае они называются ионрадикалами.

Кроме электронной энергии, молекулы обладают колебательной и вращательной энергией, относящейся к тепловой энергии. Колебательная энергия молекул обусловлена колебаниями отдельных атомов или групп ато­мов внутри молекулы. Вращательная энергия молекул обусловлена вращением молекул вокруг каких-либо осей.

Согласно представлениям классической физики, энергия колебательного и вращательного движения молекул может изменяться непрерывно. Однако, как бы­ло установлено впоследствии, колебательная и враща­тельная энергия молекул, так же как и электронная энергия, имеет квантовый характер, т. е. изменяется дискретно. Расстояния между колебательными уровня­ми энергии молекулы гораздо меньше, чем расстояния между электронными уровнями. Поэтому каждый элек-

69

т ронный уровень молекулы распа­дается на ряд колебательных уровней или подуровней (рис. 9). В свою очередь каждому ко­лебательному уровню молекулы соответствует ряд вращательных подуровней, расстояние между которыми еще меньше, чем меж­ду колебательными уровнями.

При поглощении и испуска­нии энергии молекула переходит с одного энергетического уровня на другой. Переход молекул на более высокий вращательный или колебательный уровень воз­можен в результате поглощения молекулой квантов инфракрасно­го излучения, а также при воз­буждении молекул термическим путем. Как и атом, молекула может поглотить фотон только в том случае, если его энергия в точности равна разности между энергетическими уровнями моле­кулы.

Колебательные уровни сложных молекул зависят от их конформации — пространственной структуры. При изменении конформации молекул колебательные уровни изменяют свое положение.

В соответствии с этим изменяется и спектр инфракрасного поглощения. Например, белок в

β-конформации и в α-спиральной конформации имеет разные полосы поглощения, что лежит в основе применения метода ин­фракрасной спектроскопии для определения конформации макромолекул.

Расстояния между электронными энергетическими уровнями значительно больше, чем между колебательными и вращательными уровнями. В соответствии с этим перевести молекулу на более высокий электрон­ный уровень могут лишь фотоны, принадлежащие ви­димой или ультрафиолетовой областям спектра. Чисто электронных переходов не существует. Переходы между электронными уровнями, как правило, сопровождают­ся одновременным изменением колебательного и вра-

70

щательного состояний молекулы. В результате того что электронные уровни молекул распадаются на колеба­тельные и вращательные подуровни, количество воз­можных энергетических переходов молекул значитель­но возрастает по сравнению с атомами. Это приводит к значительному усложнению молекулярных спектров поглощения и излучения, которые в отличие от атом­ных спектров имеют не линейчатый, а сплошной ха­рактер.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. СТАДИИ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Процессы, происходящие в биологических системах при поглощении лучистой энергии, называются фото­биологическими. Все фотобиологические процессы де­лятся на три основные группы. К первой группе отно­сятся процессы фотосинтеза биологически важных со­единений за счет поглощаемой организмом солнечной энергии. Наиболее важное значение имеет фотосинтез углеводов, происходящий у зеленых растений, бактерий и водорослей. Фотосинтез углеводов является единствен­ным биологическим процессом, при котором происходит увеличение свободной энергии всей биологической си­стемы. Все остальные процессы в растительных и жи­вотных организмах протекают за счет потенциальной энергии химических связей, накапливаемой в фотосинтезирующих организмах при поглощении энергии сол­нечного излучения.

Другим примером синтетического процесса может служить синтез основного фотосинтетического пигмен­та — хлорофилла — из его предшественника протохлорофиллидина. Этот процесс протекает почти мгновенно в первые секунды освещения этиолированных пророст­ков растения.

Процессы синтеза могут происходить и при действии излучения на более простые системы, например на смесь воды, углекислого газа, метана и аммиака. При этом могут образовываться жирные кислоты, аминокис­лоты, пуриновые и пиримидиновые основания. В по­следнее время эти реакции привлекают особое внима­ние исследователей, поскольку они могли служить ис­точником возникновения жизни на Земле. Из выше-

71

названных простых соединений под действием энергии солнечных лучей могли синтезироваться полипептиды, нуклеиновые кислоты и другие вещества.

Ко второй группе фотобиологических процессов можно отнести процессы, не связанные с увеличением энергии системы и химическим синтезом. Это такие процессы, как зрение животных, фототаксис, фототро­пизм и фотопериодизм растений. Это сложные и вместе с тем строго закономерные явления: движение частей растения навстречу солнцу, суточный и годовой ритмы и т. д. С помощью этих процессов осуществляется регуля­ция роста и развития растений. Роль названных явле­ний, происходящих с участием электромагнитного излу­чения, заключается в получении информации организ­мом об окружающей среде. Переносчиком информации в данном случае служит свет.

К третьей группе фотобиологических процессов от­носятся такие процессы, результатом которых является поражение живой структуры, деструкция биологически важных соединений. Как следствие деструктивных из­менений происходит подавление жизнедеятельности ор­ганизма. Все эти деструктивные изменения наблюдают­ся главным образом при поглощении фотонов коротко­волнового ультрафиолетового излучения, обладающих большой энергией.

Кроме этих групп фотобиологических процессов, из­вестны и другие, пока еще мало изученные явления, например стимулирующее действие света на развитие животных. Еще известно явление фотореактивации — снятие поражающего действия ультрафиолетового об­лучения при последующем облучении организма види­мым светом. К последним относится также явление сверхслабого свечения тканей, возникающего в ходе биохимических реакций.

Таким образом, даже беглый обзор основных фото­биологических процессов свидетельствует об их чрезвы­чайном многообразии и специфичности. Из этого обзо­ра ясна также важность изучения фотобиологических процессов. Существует ли нечто общее во всех этих яв­лениях, что дало бы общие принципы для их изучения и анализа их механизма? Такая общность существует. Она заключается в глубоком сходстве самых первых этапов всех фотобиологических процессов — их фотофи­зических и фотохимических стадий.

72

В основе всех фотобиологических процессов лежат фотохимические реакции. К основным фотохимическим реакциям относятся следующие.

Фотоионизация — выбивание электрона квантом из­лучения за пределы молекулы. При фотоионизации об­разуются ионы или свободные радикалы.

Фотовосстановление и фотоокисление — перенос эле­ктрона с одной молекулы на другую. Одна молекула при этом окисляется, а другая восстанавливается.

Фотодиссоциация — процесс распада молекулы на ионы под действием кванта излучения.

Фотоизомеризация — изменение пространственной конфигурации молекулы под действием света, измене­ние структуры молекулы.

Фотодимеризация — образование химической связи между мономерами при действии фотонов света.

Таким образом, элементарная фотохимическая реак­ция может быть связана либо с потерей электрона мо­лекулой, либо с его приобретением, либо с деструкци­ей молекулы. Деструкция молекул приводит к измене­нию их химических свойств; например, белок при дест­рукции теряет свои ферментативные своиства.

Любая фотохимическая реакция протекает в две стадии. Первая стадия — световая. Эта стадия пред­ставляет собой чисто физический процесс — поглощение кванта излучения молекулой. Молекула переходит при этом в возбужденное состояние:

где А—молекула вещества, поглощающая свет (часто этой молекулой является молекула пигмента, например молекула родопсина или хлорофилла); А* — та же молекула, но в возбужденном состоянии после поглощения кванта излучения hv.

Процесс возбуждения представляет собой акт запа­сания энергии молекулой. Электроны молекулы, участвующие в поглощении квантов, переходят при этом с основного энергетического уровня на более высокий уровень. Общая энергия молекулы повышается при этом на величину энергии поглощенного кванта. Процесс возбуждения молекулы обратим. Молекула может за очень короткое время (10^-12—10^-8 с) растратить за­пасенную энергию в тепло или высветить квант люминесценции и перейти в исходное невозбужденное состо- _{7 3}

Схема 4. Общая схема стадий фотобиололических процессов.

яние. Возбужденная молекула, обладая избыточным запасом энергии, может вступить в фотохимические ре­акции, которые в темноте термодинамически невозмож­ны. Вступая во взаимодействие с окружающими моле­кулами, воспринимая или отдавая электрон, возбужден­ная молекула превращается в радикал, ион или ион-радикал. Образовавшиеся радикалы и ион-радика­лы называются первичными восстановителями или пер­вичными окислителями. На этом условно световая ста­дия фотохимической реакции заканчивается.

Вторая стадия фотохимической реакции называется темновой. Образовавшиеся первичные восстановители и первичные окислители — радикалы — содержат неспаренные электроны на внешних орбитах и поэтому обла­дают высокой химической активностью. Они способны уже в темноте осуществлять окислительно-восстанови­тельные реакции. Первичные восстановители и первич­ные окислители вступают в сопряжение с биохимиче­скими реакциями и изменяют их. Изменение биохими­ческих реакций приводит к изменению общефизиологи­ческого состояния организма и к совершению какого-либо физиологического акта.

Таким образом, всякий фотобиологический процесс можно представить следующей схемой: поглощение квантов — фотохимические реакции — химические и биохимические реакции — физиологический акт. В ка­честве физиологических актов можно назвать следую­щие: выделение кислорода при фотосинтезе, движение листьев у растений навстречу солнцу, реакция живот-

74

ного на освещение, гибель организма при сильном об­лучении и т. д.

Приведенный путь фотобиологического процесса яв­ляется не единственным. Энергия возбужденной моле­кулы может расходоваться еще по нескольким направ­лениям, кроме основного, рассмотренного выше: 1) вы­свечиваться (люминесценция); 2) переходить в тепло;

3. передаваться другой молекуле (миграция, энергии);

4. молекула может переходить в триплетное состояние (схема 4). После миграции энергии или перехода моле­кулы в триплетное состояние снова могут происходить дальнейшие фотохимические превращения.