Природа света и его физические характеристики. Понятие кванта. Орбитальная структура атомов и молекул и энергетические уровни.

Классификация и стадии фотобиологических процессов

III. КВАНТОВАЯ БИОФИЗИКА

Квантовая биофизика изучает электронную структуру биомакромолекул (белков и нуклеиновых кислот), электронные переходы в этих молекулах и пути превращения энергии возбужденного состояния молекул и их продуктов.

Относительно изменения уровня свободной энергии (Е₀) системы фотобиологические процессы можно подразделить на:

1. Процесс повышения Е_0, который происходит при фотосинтетических процессах (синтез биологических соединений под влиянием света, фотосинтез).

2. Информационные процессы, которые не связаны со значительным изменением Е₀ (фотопериодизм, фототаксис, зрение животных).

3. Процесс понижения Е₀ может вызывать:

а) повреждающее действие света

· Летальные реакции

· Мутации

· Патофизиологические процессы (временное нарушение процессов жизнедеятельности).

б) физиологический процесс.

Свет имеет двойственную природу: с одной стороны свет – это поток квантов, с другой стороны, свет имеет волновую природу. В связи с этим свет характеризуется частотой (n) и длиной волны (l), а также энергией кванта:

Чем выше частота света (а значит меньше длина волны), тем больше энергия кванта, так как их произведение дает скорость света (с):

.

Каждый электрон занимает в молекуле определенный энергетический уровень, характеризующийся определенной энергией. В невозбужденной молекуле электроны занимают уровни с наименьшей энергией. Это электронные уровни. На каждом заполненном уровне может находиться два электрона с противоположными (антипараллельными) спинами +1/2 и –1/2. Суммарный спиновый момент в этом случае равен 0. Такие уровни называют синглетными. Состояние молекулы, в которой электроны находятся на низших синглетных уровнях в невозбужденном состоянии, называется основным.

Под воздействием света электроны могут переходить с основного синглетного на другой возбужденный синглетный уровень, с более высокой энергией. Такие переходы не сопровождаются изменением спина.

 

Рис.3. Образование возбужденныхэнергетических уровней, характеризующихся определенной энергией. 1- синглетного; 2 – триплетного.

Время жизни электрона в возбужденном синглетном состоянии очень мало и равно 10^{-8 –} 10^-9 с. Следует помнить, что электронный переход осуществляется при поглощении 1 кванта света.

Ряд молекул обладает так называемыми триплетными уровнями, на которых находятся неспаренные электроны, особенностью которых является проявление возможности однонаправленного спинового момента. Суммарный спиновый момент в этом случае может быть равен трем значениям: –1, 0 или +1.

Переход из основного синглетного состояния в триплетное запрещен, т.к. этот переход должен сопровождаться обращением спина электрона, а для этого необходима энергия. На триплетный уровенье электрон попадает из возбужденного синглетного состояния.

Время жизни электрона в триплетном состоянии на много дольше, чем в синглетном, и составляет: 10^{-4 –} 10 сек.

Многоатомные макромолекулы кроме электронных энергетических уровней имеют вращательные и колебательные подуровни. Их существование и энергетические характеристики связаны с внутримолекулярными движениями, например, ядер атомов.

В зависимости от величины энергии состояния они представляют следующую последовательность: электронный > колебательный > вращательный уровни.