Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

ей Mi за счет миграции энергии и тривиальный эффект возбуждения М2 при реабсорбции флуоресценции Мь По существу, для протекания индуктивно-резонансной миграции энергии необходимо только, чтобы Mi и М2 имели одинаковые АЕ между определенными энергетическими уровнями (условие резонанса) и чтобы взаимодействия между ними были достаточно интенсивны (условие индукции). Для соблюдения этих условий необходимо и достаточно выполнение трех правил Ферстера.

1. Доно,р энергии (Mi*) должен обладать способностью к флуоресценции. Другими словами, для установления взаимодействий, приводящих к миграции энергии, необходим промежуток времени, соизмеримый со временем жизни флуоресценции (~ Ю-9 с).

2. Спектр флуоресценции донора (Mi) должен перекрываться со спектром поглощения акцептора (М2). Эффективность миграции прямо пропорциональна интегралу (площади) перекрытия, Следовательно, чем больше одинаковых для переходов Mi*->Mi и Mr-^AV частот, тем больше вероятность резонанса.

3. Донор (Mi) и акцептор (М2) должны быть сближены на определенные расстояния (R), причем эффективность миграции энергии, как уже отмечалось, растет обратно пропорционально R6. Расстояния, при которых происходит миграция энергии между донором и акцептором, принято характеризовать так называемым критическим радиусом R0, при котором донор с одинаковой вероятностью отдает свою энергию на люминесценцию и миграцию энергии. Радиус Ro колеблется для различных

о

4 »

пар молекул от 10 до 100 А и определяется временем жизни возбужденного состояния донора, интегралом перекрытия спектров и величиной мигрирующих порций энергии. Эффективность миграции энергии к связана с этими параметрами уравнением Ферстера:

где R ДА — межмолекулярное расстояние между донором и акцептором; тд —естественное время жизни возбужденного состояния донора; N — число Авогадро; п — показатель преломления растворителя; х2 — ориентационный фактор, равный 2/3; Вфл — квантовый выход флуоресценции; fj{(v) — спектральное распределение квантовой интенсивности флуоресценции донора (нормированной к единице); Ј>a(v)—молярный коэффициент поглощения акцептора как функция v (v — частота).

Индуктивно-резонансная миграция энергии практически не зависит от того, связаны Mj и М2 между собой химическими, ковалентными связями или нет. В первом случае, однако, условно принято говорить о внутримолекулярной, а во втором — о межмолекулярной миграции энергии.

Наиболее распространены следующие экспериментальные методы обнаружения процесса переноса энергии.

1. Спектры действия (возбуждения) или измерения квантовых выходов процесса при различных длинах волн возбуждающего света. Появление в спектре действия М2 полос поглощения Mi говорит о переносе энергии, а сопоставление квантовых выходов процесса при возбуждении в полосах поглощения Mi и М2 используется для оценки эффективности миграции энергии (равенство выходов указывает на 100%-ную эффективность переноса).

2. Поляризационные спектры люминесценции системы М1+М2. Даже однократный перенос энергии от Mi

к М2 для хаотически распределенных молекул сопровождается практически полной деполяризацией флуоресценции М2. Поэтому по эффекту деполяризации флуоресценции М2 в вязких средах, где исключена возможность релаксации молекулы за время жизни возбужденного состояния, можно следить за переносом энергии.

Этот прием пригоден также для обнаружения и оценки

эффективности переноса энергии между однородными

молекулами:

Mj -* М*.

3. Измерения кинетики затухания флуоресценции М2

при возбуждении ее в полосах поглощения М2 и М^ Поскольку перенос энергии Мг -> М2 требует известного времени, процесс hv + М2 М2 -> М2 + hv$n «закончится» несколько раньше, чем процесс hv + М2 Mi -*? М2 -* М2 +

К настоящему времени накоплено достаточно большое количество фактов, указывающих на протекание индуктивно-резонансной миграции энергии в биологических системах. Внутримолекулярная миграция энергии обнаружена, в частности, у белков, пигментов, кофер-ментов, хромопротеидов. Внутримолекулярный перенос энергии зарегистрирован для многих донорно-акцептор-ных пар: ароматические аминокислоты белка—и{шко-билины (фотосинтетические пигменты красных и сине-зеленых водорослей хромопротеидной природы — фико-эритрин и фикоцианин); тирозин—^триптофан, триптофан—^триптофан, триптофан—^ионизированный тирозин (R—О-) в различных белках; ароматические аминокислоты—нкраситель в ковалентных или абсорбционных комплексах белок — краситель; адениновое—ьни-котинамидное кольцо в НАД; адениновое—^изоаллокса-зиновое кольцо в ФАД; тиазоловое—мшримидиновое кольцо в тиамине (витамин Bi) и др. Столь же многочисленны и примеры межмолекулярной миграции энергии: фикоэритрин—и})икоцианин—^-хлорофилл а (водоросли), хлорофилл Ь—^хлорофилл а (высшие растения) и т. д.

Индуктивно-резонансная миграция энергии возможна как между синглетными уровнями донора и акцептора, так и между синглетным уровнем донора и триплетным уровнем акцептора.

Экситонная миграция энергии. Теория экситонной миграции энергии была впервые разработана Я. М. Френкелем в 1936 г. По своей природе этот тип переноса энергии близок к механизмам индуктивного резонанса. Как и при индуктивном резонансе, экситонный перенос возникает вследствие электрических, диполь-дипольных взаимодействий между молекулами или ионами. Однако экситонный перенос предполагает более интенсивные, чем индуктивный резонанс, межмолекулярные взаимодейстТаблица 2, Характеристики различных механизмов миграции энергии

Механизм переноса Время t переноса, с Энергия

взаимодействия

Е, см™-1 Концентрация С, моль Радиус R, А Завися-мость от R

Делохалнаовян-ныя «молаку-ляриыА акснтон»

быстрый <3-10-14 > 1000 >5 <5

промежуточный 3-10-14-*-+3-10-12 10—1000 0,1-5 5-20 #~з

Медленный локализованный «резонансный перенос» 3- 10-12 -i.

+3-10-8 0,1—10 З-Ю-4-j-+ 10-1 20—100

вия. Вследствие этого вероятность обмена энергией между соседними молекулами неизмеримо возрастает: время обмена составляет 10~12—Ю-14 с вместо 10-8—Ю-12 с в случае индуктивного резонанса (табл. 2).

Основным критерием, обусловливающим эффективность миграции экситона, является соотношение силы межмолекулярного электронного взаимодействия между донором и акцептором и силы внутримолекулярной связи в доноре* Если первая величина значительно больше второй, мы имеем дело с так называемым свободным экситоном Френкеля и вероятность переноса будет обратно пропорциональна третьей степени расстояния между молекулами (1AR3). В этих условиях скорость переноса настолько высока (Ю-15с), что она сравнима с временем единичного акта поглощения. Поэтому фотоэлектрон донора может практически сразу попасть не только на свой возбужденный уровень, но и на любой из подуровней сильно взаимодействующих между собой п молекул. Как следствие наблюдается экситонное расщепление уровней энергии (полос в спектре поглощения) — эффект Давыдова. В результате точные координаты локализации возбужденного состояния в многомолекулярной системе делаются неопределенными и энергия как бы «размазывается» по достаточно большому объему. Наиболее благоприятные условия для возникновения экситонных механизмов— это кристаллическая организация вещества, когда за период одного элементарного переноса не успевает осуществиться пространственная релаксация центров кристаллической решетки. Высокая скорость экситон-ного переноса позволяет энергии электронного возбуждения мигрировать и тогда, когда молекулы не обладают способностью к флуоресценции.

Как и при индуктивном резонансе, при экситонной миграции энергии не отмечается эффекта фотопроводимости или уменьшения электрического сопротивления образца при освещении. Иными словами, молекулы обмениваются не электронами, а только электронным возбуждением, т. е. как бы сцепленной парой: возбужденный электрон — его вакансия на более низком энергетическом уровне, Экситонная миграция энергии возможна как между синглетными возбужденными (синглет-синглет-ный перенос), так и между триплетными (триплет-три-плетный перенос) уровнями.

Обменно-резонансная (триплет-триплетная) миграция энергии была впервые обнаружена А. Н. Терениным и В. Л. Ермолаевым в 1952 г. При обменно-резонансной миграции энергия переносится с триплетного уровня донора на триплетный уровень акцептора в соответствии с формулой

не в результате индуктивно-резонансного взаимодействия молекул, а при прямом перекрывании «триплетных» электронных орбит (электронных облаков) за счет электростатических взаимодействий электронов донора и акцептора. Чем больше объем перекрывания, тем вероятнее перенос, при котором партнеры взаимно обмениваются своими электронами: донор получает ^богатый» энергией электрон акцептора, отдавая ему свой «бедный» энергией электрон. Отсюда возник и сам термин «обмен-но-резонансный перенос». Для него необходимо большее

о

сближение молекул (/?о<20 А), чем для индуктивно-резонансного переноса. Вследствие экспоненциального характера убывания плотности «электронного газа» с расстоянием эффективность переноса обратно пропорциональна шестой степени межмолекулярного расстояния IIR6. При максимальном сближении молекул в системах донор — молекулы растворимого вещества, акцептор — молекулы растворителя скорость переноса триплетной энергии делается соизмеримой со скоростью внутренней конверсии (~10-11с).

Вероятность индуктивно-резонансной миграции энергии прямо пропорциональна силе осциллятора синглет-синглетного перехода в акцепторе. В противоположность этому вероятность триплет-триплетного переноса не зависит от силы осциллятора триплет-синглетного перехода в акцепторе. Для обнаружения триплет-триплетной миграции используется явление сенсибилизированной фосфоресценции. Подбирается такая донор-акцепторная пара органических молекул, у которой синглетный уровень донора лежит ниже синглетного уровня акцептора (что исключает синглет-синглетный перенос), а триплетный уровень донора, наоборот, выше триплетного уровня акцептора. Если при этих условиях свет, поглощаемый донором, возбуждает фосфоресценцию акцептора и одновремен

страница 4
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(24.10.2019)