Квантовомеханические особенности строения биомолекул

Живые системы на 99 % состоят из атомов . Большую роль биохимических процессов играют атомы Для атомов и характерно наличие не поделенной пары электронов и способность образовывать кратные связи. Состояние электронов в атоме описывается волновыми функциями АО. Эти атомные орбиты (АО) характеризуют движение электронов вокруг ядра. В зависимости от орбитального квантового числа, АО могут быть . АО, которые используются для образования связей, называются валентными орбитами.

Состав электронов в молекуле также может быть описан с помощью волновой функции, которые именуются молекулярными орбитами МО. МО образуются путем перекрытия атомных орбиталей, в зависимости от того, какие атомные орбитали образуют данную МО различают и орбитали. Необходимо отметить, что именно электроны находятся на орбитали обусловливая образование кратных связей. Для атомов характерно наличие не поделенной пары электронов и образование кратных связей.

Все многоатомные молекулы могут быть разделены на две группы:

1) несопряженные системы;

2) сопряженные системы.

Несопряженные системы содержат только одинарные связи или же, в них имеются изолированные кратные связи, отделенные друг от друга или от атомов с неподеленной парой электронов, по крайней мере, одним атомом с насыщенной валентностью. Такие молекулы можно рассматривать, как состоящие из примыкающих друг к другу и почти независимых друг от друга, связей. Каждая связь описывает локализованную двуцентровую МО, аналогично молекулярным орбитам в двухатомной молекуле. Свойства образующих молекулярных связей постоянны и для одной и той же связи, входящей в разные молекулы, свойства меняются незначительно.

Сопряженные системы представляют собой молекулы, содержащие несколько кратных связей, в которых участвуют соседние атомы или же молекулы, в состав которых входят атомы с неподеленными электронными парами, расположенными рядом с кратной связью. Для таких систем характерно нелокализованные многоцентровые молекулярные орбитали, которые относятся к молекуле в целом или к большей ее части.

Если молекула с сопряженными связями, содержит атомы, обладающие неподеленными электронными парами, то электронами этих пар могут включаться в общую систему - электронов. Существование делокализованных -электронов является важнейшим свойством молекул с сопряженными связями. Основные химические, физико-химические и биохимические свойства таких систем определяются - электронами, так как они более подвижны, по сравнению с -электронами и с большей легкостью вступают в химические реакции.

Спектры поглощения сложных молекул

Важным источником информации о структуре сложных молекул являются их спектр и поглощение. Излучение спектров поглощения в УФ и в видимой областях позволяют получать информацию о системе электронных энергетических уровней молекулы и вероятности перехода между этими уровнями. В основном состоянии молекулы все ее электроны расположены по низшим молекулярным орбиталям, выше которых расположен ряд свободных орбиталей с более высокой энергией. Низшее возбужденное состояние соответствует переходу электрона с высшей заполненной на низшую свободную орбиталь.

Система МО сложных органических и биологически важных молекул состоит из локализованных - орбиталей, локализованных и делокализованных - орбиталий, а также, -орбиталей, на которых находятся электроны неподеленных пар. Заполненные орбитали обозначаются символами , , , а свободные орбитали - , .

Порядок возрастания энергии обычно бывает таким:

Среди этих переходов, наибольший интерес представляют , соответствующие этим переходам полосы в спектрах поглощения, обычно имеют довольно большую интенсивность в ближней УФ или видимой области спектра. Полосы, соответствующие , обычно лежат в далекой УФ части спектра. При , или , один из электронов неподеленной пары перемещается соответственно на или орбиталь. Полосы, соответствующие этим переходам, имеют крайне малую интенсивность.

Для характерно то, что при наличии системы сопряженных связей, поглощенная энергия кванта света передается не отдельному электрону, а всей электронной системе, поэтому наличие молекул делокализованных - электронов может быть обнаружено по присутствию в спектрах поглощения характерных полос.