ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ КВАНТОВОЙ БИОФИЗИКИ.
УЧЕБНИКИ
ЛИТЕРАТУРА
ПЛАН
КАРАГАНДИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
КАФЕДРА – медицинской информатики и биофизики
Лекция: Закономерности поглощения света биологическими системами..
ПО ООD 012 МВ 1112 - МЕДИЦИНСКОЙ БИОФИЗИКЕ
ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ: 051301 – «ОБЩАЯ МЕДИЦИНА»
051302 – «СТОМАТОЛОГИЯ
КУРС – 1
Продолжительность 50 минут
Составитель:
доцент, к.б.н.
____________ И.М. Риклефс
Караганда 2007 г.
Утверждена на заседании кафедры
Протокол №_____
от "____"__________200___г
Зав.кафедрой доцент ______________ Б.К. Койчубеков
1. Предмет и задачи квантовой биофизики.
2. Электронные переходы в биологически важных молекулах.
3.Электронные уровни в молекуле.
3.1. Время жизни состояния.
4. Поглощение света биосистемами. Электронные спектры поглощения.
4.1. Закон бугера - ламберта - бэра
5. Энергетические структуры полипептидных цепей.
6. Люминесценция.
6.1. Квантовый выход флуорисценции
6.2.Характеристика триплетного состояния
6.2.1.Триплетнный уровень и фосфоресценция
7. Миграция энергии и ее виды.
Учебная цель лекции: Дать студентам понятия о предмете и задачах квантовой биофизики. Определить основные физические закономерности взаимодействия света и молекулярных систем. Показать возможности расчета конформаций молекул и их изменений с помощью методов спектрометрии поглощения. Определить возможности спектроскопии поглощения в медико-биологических исследования.
1 Владимиров Ю.А. с соавт. Биофизика. М., Медицина, 1983.
2 Костюк П.Г. с соавт. Биофизика. Киев, 1988.
3 Рубин А.Е. Биофизика. 1-2 том. М.,1987.
4 Рубин А.Е. Биофизика: Теоретическая биофизика -1 том. – М. Книжный дом «Университет», 2000
5 Рубин А.Е. Биофизика: Биофизика клеточных процессов -2 том. – М. Книжный дом «Университет», 2000
Дополнительная литература
1. Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика. Воронеж. 1994. 135 с
2. Артюхов В.Г., Путинцева О.В. Оптические методы анализа интктных и модифицированных биологических систем. Воронеж, 1996.
3. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М.Высшая школа.1989.
4. Волькенштейн М.В. Биофизика. М.Наука,1988.
5. Кантор Ч.,Шиммел П. Биофизическая химия в 3 томах. Т. 2.–.М.Мир,1985.
6. Конев С.В., Волотовский И.Д. Фотобиология. Минск. 1979. 383 с.
7. Конев С.В.,Волтовский И.Д.Фотобиология. Минск.БГУ,1974.
8. Мешков В.В., Матвеев А.Б., Основы светотехники, М., Энергоатомиздат, 1989, 431с.
9. Рощупкин Д.И., Артюхов В.Г. Основы фотобиофизики. Воронеж, 1997.
10. Хевиг П. Прикладная квантовая химия.М.Мир,1977.
11. Чепель В.Ф. Основы физики биополимеров. Барнаул, 1996.
Квантовая биофизика изучает электронную структуру биологически важных молекул, электронные переходы в этих молекулах и пути превращения энергии возбужденного состояния молекул в энергию их продуктов.
Квантовая биофизика рассматривает ряд конкретных вопросов.
1. Структуру электронных энергетических уровней молекул.
2. Донорно-акцепторные свойства биомолекул.
3. Электронные переходы при поглощении света веществом.
4. Свойства свободных радикалов и механизмы свободно-радикальных процессов.
5. Химические превращения электронно-возбужденных молекул, природу первичных фотопродуктов и их реакционную способность.
6. Механизмы хемилюминисценции, связанной с превращением энергии, выделяющейся в ходе биохимических реакций в энергию электронно-возбужденных состояний.
Методы квантовой биофизики имеют важное диагностическое и научно-практическое значение в медицине. К ним относятся все методы спектрофотометрии, люминесцентный анализ, фотохимические методы, ЭПР-спектрометрия, хемилюминисценция и др.
2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ В БИОЛОГИЧЕСКИ
ВАЖНЫХ МОЛЕКУЛАХ.
Каждый электрон в молекуле находится на определенной орбитали и обладает определенной энергией (слайд 1). Таким образом, в молекуле существует система электронных энергетических уровней. Для химических и оптических свойств молекулы наиболее важны два уровня это верхняя (по энергии) заполненная молекулярная орбиталь и нижняя свободная молекулярная орбиталь. Значение энергии верхней заполненной орбитали определяет энергию потенциала ионизации молекулы, а следовательно и отдавать электроны (донорные свойства). Потенциалом ионизации называют энергию, которую необходимо затратить, чтобы оторвать электрон от молекулы. Чем выше энергия верхней заполненной молекулярной обитали, тем ниже потенциал ионизации молекулы и тем лучший она донор электронов.
Энергия нижней свободной орбитали определяет акцепторные свойства. Количественно акцепторные свойства характеризуются электронным сродством, которое равно количеству энергии, освобождающейся при переносе свободного электрона из бесконечности на незанятую электронную орбиталь.
На каждом заполненном энергетическом уровне могут находиться только два электрона, имеющие противоположные спины (собственные магнитные моменты).
Таким образом, в молекулярной структуре возможно перемещение электроном по подуровням. Для этого электрон должен получить дополнительную энергию, например в виде кванта света (фотона). Фотон представляет собой частицу масса покоя которой равна 0. Это электромагнитная волна, распространяющая со скоростью 300 000 м/с, характеризующаяся длиной волны или частотой колебания. Энергия такой волны прямо пропорциональна скорости света и обратно пропорциональна длине (слайд 2).
При скорости света, скорости перемещения фотона, имеет место обратная зависимость импульса фотона только от длины волны (слайд 3)
Если молекуле сообщить энергию, например, в виде кванта света, то поглощение его переводит молекулу в возбужденное состояние в результате переброски одного электрона на более высокий энергетический уровень. Обратный переход из возбужденного состояния в основное может сопровождаться испусканием кванта света – люминесценции (слайд 4,слайд 5)
Чаще всего таким фотоэлектроном сложных органических молекул является p-электрон, участвующий в образовании системы делокализованных двойных сопряженных связей молекулы (слайд 5 )
3. ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА БИОСИСТЕМАМИ. ЭЛЕКТРОННЫЕ
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ.
Способность молекул поглощать свет лежит в основе спектрофотометрии, широко используемой в биологии и медицине для качественного и количественного анализа и для выяснения химической структуры вещества.
В конечном счете все оптические и спектрофотометрические свойства молекул, дающие информацию об их строении определяются расстоянием между энергетическими уровнями молекулы и вероятностями перехода между ними. Эти уровни отвечают различным электронным, колебательным и вращательным состояниям молекул.
Электронные переходы полипептидных и полинуклеотидных цепей и, тем самым, белков и нуклеиновых кислот расположены в ультрафиолетовой области спектра (слайд 6.)
Несмотря на большую сложность макромолекул, в них содержатся отдельные составные элементы - хромофоры, обладающие определенными индивидуальными структурными и спектральными характеристиками. Пептидная группа >СО – NH – основной характеристический хромофор полипептидных цепей дает полосу поглощения при 190 нм, обусловленную p—p* переходом (слайд 7). Другой хромофорной группой является карбонильная группа - С = О, существующая у всех аминокислот. Образование такого типа связи представлено на примере формальдегида (слайд 7,8),
В поглощение в ультрафиолетовой области спектра вносят свой вклад не только p—p* переходы, но и так называемые n—p* переходы. Они обусловлены тем, что на р-орбитали (n-уровень) кислорода расположена не поделенная пара электронов, не участвующая в образовании связи с углеродом (слай. Поглощение света в области 225 нм вызывает n—пи* -переходы, в результате которых электрон от не поделенной пары электронов кислорода попадает на разрыхляющую p*-орбиталь. (Слайд 9,10)
Однако основными хромофорами белка являются остатки ароматических аминокислот: триптофан и в меньшей степени тирозин и фенилаланин. Спектр поглощения триптофан, обусловленный его индольным кольцом, с системой сопряженных связей, обладает двумя полосами поглощения при 220 и 280 нм.
В нуклеиновых кислотах основными хромофорами являются пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин и тимин и ДНК, цитозин и урацил из РНК) азотистые основания нуклеотидов. Наряду с пи—пи* переходами (основная полоса при 260 нм) вклад в общее поглощение дают и n - p* переходы («плечи» в области 280-320 нм) с участием не поделенной пары электронов гетероатомов азота и кислорода.