Красноярск 200 9 ФОТОБИОФИЗИКА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮФедеральное государственное образовательное Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего и профессионального учреждение высшего и профессионального образования образования

Сибирский федеральный Сибирский федеральный университетуниверситет

кафедра биофизикикафедра биофизики

Красноярск 200Красноярск 20099

ФОТОБИОФИЗИКА

22

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Сибирский федеральные университетСибирский федеральные университеткафедра биофизикикафедра биофизики

Суковатая И.Е.Суковатая И.Е.

ФОТОБИОФИЗИКАФОТОБИОФИЗИКА

ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОЦЕССЫ

И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКАИ ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

направление - физикаспециальность - биохимическая физика

март 2010март 2010

33

План лекцииПлан лекции Химические свойства электронно-Химические свойства электронно-

возбужденных молекулярных состоянийвозбужденных молекулярных состояний

Квантовый выход и скорость фотохимической Квантовый выход и скорость фотохимической реакцийреакций

Основные типы фотохимических реакцийОсновные типы фотохимических реакций

Основные законы фотохимииОсновные законы фотохимии

ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

44 ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

Общие стадии фотохимических реакций

Общая схема фотобиофизического процесса

Промежуточные шаги

фотобиология

фотохимия

БиомолекулаА*

фотон

Поглощение энергии

фотофизика

БиомолекулаА

Биологический эффект


Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состоянийХимические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний

Примеры образования -связей

Примеры образования σ-связей

Типы гибридизации и пространственные конфигурацииобразовавшихся гибридных орбиталей



l -орбитали в ароматических спиртах l-электроны обозначены

точками

n-орбитали ароматических соединений, n-электроны обозначены точками



Схема образования связывающей и разрыхляющей молекулярных орбиталей



Энергетическая диаграмма молекулярных орбиталейдля гомоядерных молекул (на примере молекулы

водорода)



Энергетическая диаграмма молекулярных орбиталей

для гетероядерной молекулы



квантово-механическое рассмотрение молекул позволяет выделить

5 типов орбиталей - , , n, l, v - и положить их в основу классификации молекул



Уровни энергии

молекулы

(горизонтальные

линии) и электронные

переходы при

поглощении энергии

(вертикальные

стрелки)


Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состоянийсостояний

определяются:- порядковым номером элемента, - главным квантовым числом, - гибридизацией орбиталей.

l -орбитали главным образом принимают участие в формировании основного состояния

( l ) (смешивание - и l -орбиталей), v-орбитали - возбужденного состояния (v*)

(смешивание v и возбужденной *-орбитали)

Уровни энергии орбиталей



Структура триптофана

Спектр поглощения триптофана -

Trp



8 классов: I-, II-v, III-l, IV-lv, V-n, VI-nv, VII-nl, VIII-nlv

Молекулы этих классов имеют спектры, лежащие в видимой и ультрафиолетовой

областях.

Природа электронных состояний молекул определяется двумя основными

характеристика-ми: орбитальной природой и мультиплетностью состояний, между которыми осуществляется переход

классификация Д.Н. Шигорина

по орбитальному признаку



классификация Д.Н. Шигорина по орбитальному признаку

МолекулаПереход Состояние

Класс Орбитали

I *, * S0, S,*, T,*

II v v* S0, S,v*, T,*

III l l* S0, Sl,*, Tl,*

IV lv lv* S0, Sl,v*, Tl,v*

V n n*, *, *n*S0, Sn,*, Tn,*, S,*, T,*, S,*n*,

T,*n*

VI nvnv*, v*,

v*n*S0, Sn,v*, Tn,v*, S,v*, T,v*,

S,v*n*, T,v*n*

VII nln*, l*, l

*n*S0, Sn,*, Tn,*, Sl,*, Tl,*,

Sl,*n*, Tl,*n*

VIII nlvn*, lv*,

lv*n*S0, Sn,v*, Tn,v*, Sl,v*, Tl,v*,

Sl,v*n*, Tl,v*n*

Процессы, следующие за Процессы, следующие за поглощением света:поглощением света:

1)1) возбуждение флуорофоравозбуждение флуорофора, как , как правило, происходит до правило, происходит до некоторого высшего некоторого высшего колебательного уровня состояний колебательного уровня состояний ((SS11 либо либо SS22).).

Термическое заселение Термическое заселение возбужденного возбужденного

состояниясостояния

Из-за большой разности энергий между уровнями Из-за большой разности энергий между уровнями SS00 и и SS11 по существу, ни у каких флуорофоров по существу, ни у каких флуорофоров состояние состояние SS11 не может бытьне может быть заселено заселено термическим путем. термическим путем.

Интересно отметить, что даже Интересно отметить, что даже малое термически малое термически активированное заселениеактивированное заселение первого первого возбужденного колебательного состояния возбужденного колебательного состояния молекул можно зарегистрировать, используя молекул можно зарегистрировать, используя различие спектров поглощения при разных различие спектров поглощения при разных температурах.температурах.



Электронные состояния схематически изображаются уровнями энергии электронных состояний

So S* Sn* Tn* T* So Sn* Tn*

S*

S* S

*

S*

S*

Sn* Sn

*

Sn* Sn

*

T*

T*

T*

T*

T*

Tn*

Tn* Tn

*

Tn*

Tn*

Sn*

SS

S S SI II III

IV V

Относительное положение уровней электронно-возбужденных состояний молекул класса n (V класс):

волнистые стрелки обозначают безызлучательные переходы, прямые стрелки - излучательные переходы



Эволюция n,*-состояний

h

....

H.

O .

O

O

O

O

O

O

OH OH

OH

2222

Квантовый выход образования продукта Квантовый выход образования продукта фотохимической реакциифотохимической реакции

количественная количественная характеристика характеристика эффективности эффективности использования световой использования световой энергии;энергии;

отношение количества отношение количества образовавшегося образовавшегося продукта продукта ΔNΔN к количеству к количеству света, поглощенного света, поглощенного исходным веществом исходным веществом ΔIΔIaa;;

Квантовый выход и скорость фотохимической реакцийКвантовый выход и скорость фотохимической реакций

aI

NQ


2323

дифференциальный квантовый выход дифференциальный квантовый выход продукта фотореакциипродукта фотореакции

WWРР - скорость образования продукта - скорость образования продукта WWaa = I = Iaa - скорость поглощения света - скорость поглощения света

в единицу временив единицу времени


Q = WQ = WРР/W/Waa


2424

Интегральный квантовый Интегральный квантовый выходвыход


t

Фdt

Q

t

r

0


2525

Химический квантовый Химический квантовый выходвыход

отношение количества образовавшегося продукта к количеству прореагировавшего исходного соединения.

химический выход тем выше, чем выше селективность фотохимической реакции (квантовый выход при этом может быть невысоким)



The Fate of Excited States(Primary Photochemical Processes)

AB* A + BDissociation

ABE or AE + BDirect reaction

BAIsomerisation

+E+CD

AB + CD‡

Intermolecular energytransfer

AB†

Intramolecular energy transfer

(radiationless transition)

AB + hLuminescence(fluorescence,

phosphorescence)

ABPhysical quenching

AB+ + e-

Ionisation+M

i)

ii)iii)

iv)

v)

vi)

vii)

viii)

Химическая активность электронно-возбужденного состояния определяется тремя основными параметрами: 1) запасом энергии, 2) временем жизни и 3) наличием реакционно-активных электронов на внешней орбите.

Синглетное (S*) возбужденное состояние обладает большим запасом энергии, чем триплетное(T*), что расширяет пределы его реакционной способности.

С другой стороны, триплетное состояние обладает значительно большим временем жизни и, что особенно важно, имеет на внешней орбите химически реакционно-способные неспаренные электроны.

Фотохимические реакции

В ходе эволюции развития был сделан оптимальный выбор между синглетным и триплетным механизмами

фотобиологической реакции. В конечном счете соотносительная роль синглетных и триплетных электронно-возбужденных

состояний в фотобиологии определяется типом и характером каждой отдельной реакции.

При переходе молекулы в ЭВС происходит При переходе молекулы в ЭВС происходит изменение физических и химическихизменение физических и химических свойств свойств

молекул по сравнению с основным состоянием:молекул по сравнению с основным состоянием:

меняются меняются дипольный момент, дипольный момент, геометрия, геометрия, распределение электронной плотности, распределение электронной плотности, кислотно-основные свойства кислотно-основные свойства энергия связей,энергия связей, сродство к электрону, сродство к электрону, потенциал ионизации,потенциал ионизации, молекулы в возбужденном состоянии молекулы в возбужденном состоянии

обладают иной реакционной способностьюобладают иной реакционной способностью

Меняются геометрия, распределение электронной плотности, характер гибридизации, молекулы в возбужденном состоянии обладают иной реакционной способностью.

Современные времяразрешенные методы, например, ИК-спектроскопия позволяет получать информацию об изменениях, происходящих при переходе молекул в

возбужденное состояние.

h

....

H.

O .

O

O

O

O

O

O

OH OH

OH

При переходе молекулы в ЭВС происходит изменение

физических и химических свойств молекул по сравнению

с основным состоянием:


молекул по сравнению с основным состоянием:молекул по сравнению с основным состоянием: дипольный моментдипольный моментЭлектронные переходы приводят к Электронные переходы приводят к перераспределению электронной перераспределению электронной

плотностиплотности в молекулах и в общем случае сопровождаются в молекулах и в общем случае сопровождаются изменением дипольного момента. изменением дипольного момента.

Величины дипольных моментов возбужденных состояний можно Величины дипольных моментов возбужденных состояний можно получить из получить из анализа изменений спектров поглощенияанализа изменений спектров поглощения и и флуоресценции при изменении природы растворителяфлуоресценции при изменении природы растворителя, хотя чаще , хотя чаще всего для этого используют всего для этого используют измерения поляризации люминесценцииизмерения поляризации люминесценции..

дипольные моменты возбужденных состояний молекул органических дипольные моменты возбужденных состояний молекул органических соединений могут соединений могут как увеличиваться, так и уменьшаться.как увеличиваться, так и уменьшаться.


молекул по сравнению с основным состоянием:молекул по сравнению с основным состоянием:

кислотно-основные свойства кислотно-основные свойства возбужденных состояний возбужденных состояний молекул можно определить из спектральных измерений молекул можно определить из спектральных измерений концентрации протонированных возбужденных молекул концентрации протонированных возбужденных молекул при различных значениях рН.при различных значениях рН.



ФотодиссоциацияФотодиссоциация

с разрывом химических связей происходит расщепление молекулы на радикалы, ионы или нейтральные более простые

молекулы.

Фотодиссоциация

Основные типы фотохимических реакций

Энергия химических связей находится в интервале 150-500 кДж/моль. Энергия фотона при длине волны 250 нм равна 480 кДж/моль

то есть можно было бы ожидать, что при облучении светом 250 нм большинство химических связей будут диссоциировать

Однако этого не происходит по нескольким причинам:- при поглощении света молекулы переходят в другое

электронное состояние с иными энергиями связи. Поэтому для диссоциации связи в электронно-возбужденном состоянии необходима энергия, равная, по меньшей

мере, сумме энергии возбуждения (Е00) и энергии связи в возбужденном состоянии.- для сложных молекул при поглощении света происходит распределение энергии

возбуждения по различным связям.

Potential energy surfaces

•Describe the relationship between internuclear distance and potential energy.

•Products and reactants of efficient chemical reactions are connected by a continuous surface describing the potential energy

of the system. •Products and reactants are then said to correlate with each other

and the reaction proceeds adiabatically.

+

Pote

nti

al en

erg

y (

V)

Internuclear distance (R)

Типы фотодиссоциации связей Типы фотодиссоциации связей

в двухатомных молекулахв двухатомных молекулах

При фотовозбуждении двухатомных молекул наблюдается

три типа диссоциации.

Первый тип наблюдается, если энергия фотона превышает сумму энергий 0-0 перехода и энергии диссоциации связи в

возбужденном состоянии (рис.а). В этом случае двухатомная молекула распадается на два атома и, как правило, один из атомов находится в возбужденном

состоянии. Второй тип фотодиссоциации (рис.б) отличается тем, что терм возбужденного состояния является диссоциативным,

то есть не имеет минимума. Вэтом случае при диссоциации связи продукты образуются в

основном состоянии. Третий тип фотодиссоциации (рис.в) наблюдается, когда в возбужденном состоянии пересекаются два терма, один из которых является диссоциативным. В точке пересечения имеется вероятность перехода из возбужденного состояния

на диссоциативную кривую. Этот тип фотодиссоциации называется предиссоциацией.

3636

А, В связанные, С-отталкивательное электронные состояния; EF и KL- диссоциац. пределы.

Слева показан характер спектра поглощения, наблюдаемый для квантового перехода А :В,

справа - график изменения времени жизни т возбужденной молекулы в зависимости от колебат. квантового числа v.

Схема возникновения электронной предиссоциации двухатомной молекулы.

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1948.html


http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3662.html


Классическим примером Классическим примером фотодиссоциации молекул на радикалы фотодиссоциации молекул на радикалы

является является азометаназометан::

В газовой фазе азометан распадается с квантовым В газовой фазе азометан распадается с квантовым выходом 1. выходом 1.

В растворе эффективность фотораспада снижается В растворе эффективность фотораспада снижается из-за рекомбинации первичных радикалов в клетке.из-за рекомбинации первичных радикалов в клетке.

Классическим примером Классическим примером предиссоциациипредиссоциации

является является диссоциация диссоциация двухатомных молекулдвухатомных молекул на на атомы (Iатомы (I22, S, S22). ).

Явление предиссоциации Явление предиссоциации проявляется в спектрах проявляется в спектрах поглощения и поглощения и испускания. испускания.

В области В области предиссоциации спектры предиссоциации спектры становятся диффузными.становятся диффузными.

По типу образующихся продуктов различают:гомолитическуюгомолитическую фотодиссоциацию, приводящую к образованию радикалов и

атомов, гетеролитическую гетеролитическую фотодиссоциацию, приводящую к образованию ионов.

Примером гомолитической фотодиссоциации является распад кетонов (тип I по Норришу):

Гетеролитическая фотодиссоциация органических соединений может протекать лишь в полярных растворителях, где ионы могут стабилизироваться.

Примером гетеролитической фотодиссоциации является фотораспад лейкоцианида Малахитового Зеленого в этаноле с образованием ионов. Квантовый выход процесса

при этом равен 1.



Фотодиссоциация

Гомолитическая фотодиссоциация – реакция фотодиссоциации, приводящая к образованию радикалов и атомов.

Гетеролитическая фотодиссоциация – реакция фотодиссоциации, приводящая к образованию ионов.

Фотораспад Фотораспад наблюдаетсянаблюдается

например, например, при облучении при облучении большими дозами большими дозами ультрафиолета аминокислотультрафиолета аминокислот, , пептидов и белков (фотолиз пептидов и белков (фотолиз пептидной связи, пептидной связи, дезаминирование, дезаминирование, декарбоксилирование), а также декарбоксилирование), а также нуклеотидов и нуклеиновых нуклеотидов и нуклеиновых кислот.кислот.

4141

4242

ФотоперегруппировкиФотоперегруппировки



Реакции фотоизомеризации и перегруппировки всегда протекают внутримолекулярно

В ходе которых один изомер или таутомер превращается в другой. Если перегруппировываются отдельные атомы или группы в молекуле,

говорят о реакции изомеризации, частный случай которой – фотостериоизомеризация, заключающаяся в изменении пространственного расположения отдельных группировок в молекуле относительно ее хребта

4343




Валентная фотоизомеризация протекает с перераспределением π- и σ-связей. Так при облучении 1,3-бутадиена

происходит образование бицикло(1.1.0)бутана из транс-стильбена и циклобутена из цис-стильбена.

Фотолиз циклических диенов приводит к Фотолиз циклических диенов приводит к бициклическим соединениямбициклическим соединениям

4444




при облучении бензола при облучении бензола наблюдается образование валентных изомеров: фульвен (1), бензвален (2),

бензол Дьюара (3), призман (4).

бензвален и фульвен образуются из 1S состояния при облучении бензола 254 нм, бензол Дьюара образуется из 2S состояния при облучении светом 200 нм, а призман

образуется из бензола Дьюара при длительном облучении бензола светом 200 нм

4545




ФототаутомеризацияФототаутомеризация

внутримолекулярное перемещение протона под действием света наблюдается для многих ароматических соединений

4646




ФототаутомеризацияФототаутомеризация

Фотохимическая реакция цис-транс-изомеризация ретиналя (простетичекой группировки пигмента родопсина) лежит в основе такого общебиологического

информационного процесса, как зрение животных, а также человека.

Фототаутамеры, как правило, легко термически превращаются в таутомер, устойчивый в основном состоянии.

Фотоизомеризация координационных соединений может приводить к образованию стереоизомеров (геометрическая фотоизомеризация), оптических изомеров (фоторацемизация). Реакции фотоизомеризации комплексов переходных металлов индуцируются при облучении в

полосах поля лигандов.

4747




Фотохимическая реакция

цис-трансцис-транс-изомеризация ретиналя -изомеризация ретиналя (простетичекой группировки пигмента родопсина) лежит в

основе такого общебиологического информационного процесса, как

зрение животных, а также человека

4848




ФотозамещениеФотозамещение

ФотозамещениеРеакции фотозамещения в органических соединениях могут протекать как по радикальному,

так и по гетеролитическому механизму. Фотозамещение в алифатических соединениях протекает в основном по радикальному пути.

Для ароматических соединений радикальный механизм замещения наблюдается в том случае, если энергия связи ароматического кольца с заместителем является слабой и рвется при

облучении светом, например, как это происходит для иодпроизводных бензола.

5050




фотогидратация

К реакциям фотозамещения относятся реакции обмена лигандов в комплексных соединениях металлов переменной валентности

при их облучении в d-d полосу.

При использовании воды в качестве растворителя протекает реакция фотогидратации.фотогидратации.

5151




Фотоприсоединение

Фотодимеризация (М+М (М….. М) М2)

Фотооксидирование (М + О2(М …..О2) О М О)

Фотогидратация (М+ НО2 НМОН)

В возбужденном состоянии возрастает способность молекул к комплексообразованию.

5252





Образование циклов при облучении диенов

5353





Эффективность фотоциклизации зависит от стерических факторов. Так транс-пентадиен-1,3 фотоциклизуется с квантовым выходом 0.03, а цис-

пентадиен-1,3 с 0.003.

5454





В качестве разновидности реакций фотоприсоединения можно

рассматривать также образование димеров ((эксимерэксимер) и комплексов

возбужденная молекула-растворитель (эксиплексэксиплекс).

Такие димеры или комплексы неустойчивы и самопроизвольно распадаются с испусканием кванта света:

М+ М (М….. М) М + М +h

М +раств-ль (М….. раств-ль ) М + раств-ль +h

5555





Важнейшие реакции фотоприсоединения в биологии являются:

-реакции фотодимеризации тимина в растворе и ДНК,

- фотогидратации урацила в растворе и РНК.

5656 Другие фотобиологические явления

Фотохимические реакции в белках, липидах и нуклеиновых кислотах.Фотохимические реакции в белках, липидах и нуклеиновых кислотах.

Димеризация тиминаДимеризация тимина Смысл реакции фотодимеризации Смысл реакции фотодимеризации

заключается в разрыве 5,6-двойной связи у заключается в разрыве 5,6-двойной связи у обоих партнеров и образовании обоих партнеров и образовании циклобутанового кольца. Как прямая, так и циклобутанового кольца. Как прямая, так и обратная реакции имеют чисто обратная реакции имеют чисто фотохимическую природу и не требуют фотохимическую природу и не требуют термической активации.термической активации.



Димеризация тимина в Димеризация тимина в обезвоженных пленках и обезвоженных пленках и

спорахспорах При облучении твердых пленок тимидина, а также При облучении твердых пленок тимидина, а также спор бактерий, обладающих повышенной спор бактерий, обладающих повышенной резистентностью, образуется нециклобутановый резистентностью, образуется нециклобутановый димер – 5-тиминил-5,6-дигидротимин. Образованию димер – 5-тиминил-5,6-дигидротимин. Образованию этого продукта в спорах способствует, по видимому, этого продукта в спорах способствует, по видимому, особая конформация ДНК, характерная для спор.особая конформация ДНК, характерная для спор.



Димеризация урацилаДимеризация урацила

Фотодимеры урацила с циклобутановым кольцом Фотодимеры урацила с циклобутановым кольцом выделены и идентифицированы при УФ-облучении урацила выделены и идентифицированы при УФ-облучении урацила или его производных в замороженных и водных растворах или его производных в замороженных и водных растворах урацилсодержащих динуклеотидов, полиуридиновой урацилсодержащих динуклеотидов, полиуридиновой кислоты, РНК вируса табачной мозаики, транспортной и кислоты, РНК вируса табачной мозаики, транспортной и рибосомальной РНК:рибосомальной РНК:



Димеризация цитозинаДимеризация цитозина

Фотодимеризация Фотодимеризация цитозина цитозина обнаружена при УФ-обнаружена при УФ-облучении цитозина, облучении цитозина, цитидил-цитидина, цитидил-цитидина, полиуридилцитидилполиуридилцитидиловой кислоты в ДНК:овой кислоты в ДНК:



Смешанная димеризация Смешанная димеризация основанийоснований

При облучении растворов нуклеотидов и ДНК При облучении растворов нуклеотидов и ДНК образуются смешанные тимин-цитозиновый, тимин-образуются смешанные тимин-цитозиновый, тимин-урациловый и урацил-цитозиновый димеры. урациловый и урацил-цитозиновый димеры. Смешанный тимин цитозиновый димер практически Смешанный тимин цитозиновый димер практически не мономеризуется под действием света и не мономеризуется под действием света и представляет собой транс-изомер. На первый взгляд представляет собой транс-изомер. На первый взгляд кажется странным образование в ДНК тимин-кажется странным образование в ДНК тимин-урацилового димера, поскольку известно, что урацил урацилового димера, поскольку известно, что урацил не входит в состав ДНК. Это противоречие не входит в состав ДНК. Это противоречие объясняется темновым дезаминированием цитозина объясняется темновым дезаминированием цитозина до урацила в составе смешанного димера.до урацила в составе смешанного димера.



Пиримидиновые Пиримидиновые аддуктыаддукты Кроме циклобутановых пиримидиновых димеров при Кроме циклобутановых пиримидиновых димеров при

УФ-облучении нуклеотидов могут образовываться УФ-облучении нуклеотидов могут образовываться различные гомо- и гетеродимеры, получившие различные гомо- и гетеродимеры, получившие название пиримидиновых аддуктов. Например, из название пиримидиновых аддуктов. Например, из двух тиминовых оснований образуется нециклическая двух тиминовых оснований образуется нециклическая димерная структура, характеризующаяся иными, чем димерная структура, характеризующаяся иными, чем у тимина спектральными свойствами: полоса у тимина спектральными свойствами: полоса поглощения сдвинута в длинноволновую область поглощения сдвинута в длинноволновую область примерно на 40 нм.примерно на 40 нм.



Гидратация урацила и Гидратация урацила и цитозинацитозина

Реакция фотогидратации сводится к присоединению Реакция фотогидратации сводится к присоединению воды к пиримидиновому кольцу у 5,6-двойной связи с воды к пиримидиновому кольцу у 5,6-двойной связи с ее последующим разрывом. Пиримидиновые гидраты ее последующим разрывом. Пиримидиновые гидраты эффективно образуются в однонитевой ДНК. Реакция эффективно образуются в однонитевой ДНК. Реакция гидратации фотонеобратима. Гидраты разрушаются в гидратации фотонеобратима. Гидраты разрушаются в темноте при повышенных температурах, при сдвигах темноте при повышенных температурах, при сдвигах pHpH..

Фотоперенос электронов

возбужденная молекула отдает свой электрон второй невозбужденной молекуле

При отщеплении или присоединении электрона к невозбужденным и возбужденным молекулам получаются одни и те же электронные состояния

ион-радикалов, поэтому потенциал ионизации при возбуждении молекул всегда уменьшается на энергию возбуждения:

а сродство к электрону увеличивается на энергию возбуждения:

происходит изменение донорных и акцепторных свойств молекул

6464

Фотоперенос электроновФотоперенос электронов



Перенос электрона при возбуждении молекул

может происходить тремя путями:

1)прямая фотоионизация,

2)при взаимодействии возбужденной молекулы с донором или акцептором электрона,

3)перенос электрона при поглощении света в полосе переноса заряда для комплексов с переносом заряда (КПЗ).

где U - энергия кулоновского взаимодействия компонентов КПЗ,

Eс - энергия сольватации.

Наибольший интерес для фотохимии представляет третий путь переноса электрона, когда возбужденные синглетные или триплетные молекулы взаимодействуют с донорами или акцепторами электрона. В данном случае эффективность процесса переноса электрона

определяется свободной энергией (энергия Гиббса):

где Eox 1/2, Ered1/2 - потенциал окисления донора и потенциал восстановления акцептора,

соответственно, E0,0 -энергия 0-0 перехода возбужденной молекулы, W отражает кулоновское взаимодействие и энергию сольватации ионов в паре.

Перенос электрона, происходящий между возбужденной и невозбужденной молекулами, может быть представлен следующей схемой:

При взаимодействии возбужденной молекулы с тушителем (в данном случае с донором) образуется комплекс столкновения, в котором происходит перенос электрона с образованием ион-радикальной пары, которая в зависимости от сольватного окружения диссоциирует, либо

на свободные ион-радикалы, либо в результате обратного переноса электрона диссоциирует на исходные молекулы.

Константа скорости тушения согласно схемы равна:

Учитывая, что , уравнение можно записать в следующем виде:

Зависимость константы скорости переноса электрона от энергии Гиббса.

6767

ФотоокислениеФотоокисление



А+ВА+ +Х-

Например, ароматические аминокислоты белков тирозин и триптофан под действием ультрафиолетового облучения

отдают электрон молекулам окружающей их воды, который некоторое время может существовать в окружении диполей

молекул H2O:

где AH – молекула аминокислоты в основном состоянии, 1AH – молекула в синглетном возбужденном

состоянии, •AH+–катион-радикал, (e-)s–

сольватированный (захваченный средой) электрон.



ФотовосстановлениеФотовосстановлениеА+СА- +С+

возбужденная молекула получает лишний электрон от невозбужденной молекулы

Важнейшие биологические реакции фотопереноса электронов

•обратимое фотовосстановление хлорофилла при фотосинтезе

•перенос электрона, образующегося при фотоионизации ароматических аминокислотных остатков в белке, к дисульфидным связям с

последующим их восстановлением.

•разновидность фотопереноса электронов – так называемые комплексы с переносом заряда.

6969

Фотоперенос протонаФотоперенос протона



Схема энергетических уровней при фотопереносе протона

Первичной стадией в этом случае является отрыв атома водорода возбужденной молекулой от растворителя или от специально

добавленного соединения.

Отсюда можно рассчитать ∆pK*, предполагая, что энтропия не изменяется.

где K и K* - константы равновесия реакции в основном и возбужденном состояниях; с – скорость света; kB - константа Больцмана.

Фотоперенос протона

присоединении к возбужденной молекуле протона от невозбужденной кислоты

Фотоприсоединение Н+: А+ВНАН+ +В-

в отдаче возбужденной кислотой своего протона основанию:

Фотоотдача Н+: АН+ +ВА- + Н+ВВозбуждение многих органических молекул, сопровождается

изменением их кислотно-основных свойств. Так, например, синглетные электронно-возбужденные состояния ароматических соединений, как

правило, имеют большую основность или кислотность, чем триплетные.

Первичной стадией в этом случае является отрыв атома водорода возбужденной молекулой от растворителя или от специально

добавленного соединения.

Ароматические молекулы и красители при облучении восстанавливаются в присутствии доноров электрона (амины, боргидрид-ион, этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА),

аскорбиновая кислота, неорганические ионы).В частности, в присутствии аминов они при облучении восстанавливаются до

дигидросоединений. Первичной стадией процесса является перенос электрона с амина на возбужденную молекулу ароматического соединения. При этом образуется анион-радикал

ароматического соединения и его реакции с растворителем или реагентом приводят к различным продуктам фотовосстановления.

Красители при фотовосстановлении могут выступать переносчиками электрона. Например, ЭДТА не восстанавливает Fe3+, но в присутствии Метиленового Голубого

(МГ) происходит фотовосстановление Fe3+ по следующей схеме:

Константы кислотности ароматических соединений в основном, синглетно-возбужденном и триплетном состояниях.

Следует отметить, что значения pK ароматических соединений в триплетном состоянии не сильно отличается от pK молекул в основном состоянии в противоположность молекулам,

находящимся в синглетно-возбужденном состоянии.

В жидких растворах в зависимости от степени сольватации и полярности растворителя реакция фотопереноса протона может остановиться на стадии образования комплексов,

ионных пар или полного разделения ионов.

2

1

3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

200 300 400 500 600длина волны, нм

I/Imax, D/Dmax

Спектры поглощения ФМН (1), восстановленного ФМН (2) и спектр флуоресценции ФМН в водном растворе (3).

h FMN FMN*+ Н+ FMNH-

NH

N

NH

HN

CH2

(CHOH)3

CH2

CH3

O

O

CH3

O P

O O-

O-

N

N

NH

N

CH2

(CHOH)3

CH2

CH3

O

O

CH3

O P

O O-

O-

1 23

44a5

10

678

9h

Установлено, что окисление ряда органических соединений протека-ет с участием синглетного кислорода, который обнаружен при фотосенсибилизации, например,

красителями. Основное состояние кислорода является триплетным (3Σg−). Низшее возбужденное состояние является синглетным (1∆g). Синглетный кислород образуется при взаимодействии

триплетного кислорода с триплетной молекулой красителя.

Синглетный кислород легко окисляет непредельные углеводороды.

ФотоокислениеФотоокисление

7575

11. Закон Гротгуса (1817)-Дрепера (1843): . Закон Гротгуса (1817)-Дрепера (1843):

Химические изменения в системе может вызывать только Химические изменения в системе может вызывать только поглощаемый ею свет. Этот закон определяет необходимое, но не поглощаемый ею свет. Этот закон определяет необходимое, но не достаточное для протекания фотохимической реакции условие.достаточное для протекания фотохимической реакции условие.

2. 2. Закон Вант-Гоффа Закон Вант-Гоффа (1904):(1904):

Количество превратившегося в фотохимической реакции вещества Количество превратившегося в фотохимической реакции вещества пропорционально количеству поглощенной энергии света.пропорционально количеству поглощенной энергии света.

3. 3. Закон Штарка-Эйнштейна Закон Штарка-Эйнштейна (закон фотохимической (закон фотохимической эквивалентности) (1912): эквивалентности) (1912):

Каждый поглощенный квант света в первичном акте вызывает Каждый поглощенный квант света в первичном акте вызывает активацию только одной молекулы.активацию только одной молекулы.


Основные законы фотохимии

Кинетика фотохимических реакций

Количественной оценкой эффективности использования световой энергии в фотохимических реакциях является квантовый выход.

Скорость реакции в химии основного состояния определяется величинами элементарных констант скорости и концентрации реагентов. Скорость фотохимического процесса определяется величиной квантового выхода и интенсивностью поглощаемого

системой света.

Кинетику элементарных фотохимических процессов можно наблюдать с помощью импульсных методов исследования (импульсная флуориметрия, импульсный фотолиз),

позволяющих следить за концентрацией возбужденных молекул и короткоживущих промежуточных продуктов.

Исследуя фотохимические реакции при стационарном облучении, определяют квантовый выход реакции, который является вероятностью протекания того или иного процесса. Квантовый выход в свою очередь определяется соотношением элементарных

констант скорости различныхпроцессов гибели возбужденных молекул.

Говоря о кинетике и кинетических закономерностях фотохимических реакций, мы будем понимать под ними связь квантового выхода реакции с константами скорости

элементарных процессов.

Связь кинетических параметров системы с квантовым Связь кинетических параметров системы с квантовым выходом.выходом.

продукт фотохимической реакции образуется из продукт фотохимической реакции образуется из синглетного возбужденного состояниясинглетного возбужденного состояния.

где kR и kd – константы скорости фотохимической реакции и дезактивациивозбужденной молекулы.

Такая упрощенная схема может быть справедлива, в частности, для реакций фотоизомеризации и фотодиссоциации.

В условиях стационарности

Отсюда получаем выражение для квантового выхода образования продукта В:

где τ – время жизни возбужденных молекул А

В общем случае для реакций, протекающих из синглетного возбужденного состояния, квантовый выход образования продукта

реакции есть отношение константы скорости его образования из возбужденной молекулы исходного соединения к сумме всех

констант скорости процессов превращения синглетных возбужденных молекул:

продукт фотохимической реакции образуется из продукт фотохимической реакции образуется из триплетного возбужденного состояниятриплетного возбужденного состояния

где kisc и kd – константы скорости интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние и дезактивации синглетно-возбужденных молекул; kR

T и kdT – константы скорости фотохимической

реакции образования продукта из триплетного состояния исходного вещества и дезактивации триплетных молекул.

В этом случае квантовый выход реакции равен:

где ϕT – квантовый выход образования триплетных молекул.

8080

Ссылки на использованные источникиСсылки на использованные источники Слайды 4-12 – Коренев Ю.М., ОвчаренкоВ.П., Общая и неорганическая химия,

Часть I, Основные понятия, строение атома, химическая связь. – М.: Издательство Московского университета, 2000. – 60 с.

Слайд 13 – 16 - Шигорин, Д.Н. Электронно-возбужденные состояния многоатомны молекул / Д.Н. Шигорин, Г.А. Валькова, Е.А. Гастилович и др. / М.: Наука, 1993.- 495-с.

Кудряшева, Н.С., Физико-химические основы биолюминесцентного анализа: Учеб.пособие / Н.С. Кудряшова, В.А. Кратасюк, Е.Н. Есимбекова. – Красноярск: Краснояр. гос.ун-т., 2002. - 154 с.

Слайды 17-35 - Экспериментальные методы химической кинетики. Фотохимия. : учеб. пособие / М.Я. Мельников, В.Л. Иванов. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2004. – 125 с.

Лакович, Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии / Дж. Лакович. - М.: Мир, 1986.

Lakowicz, Jr. Principles of fluorescence spectroscopy / Jr. Lakowicz. - Kluwer Academic Plenum Publishers: N.Y., 1999. - 495 p.

Конев, С.В., Фотобиология / С.В. Конев, И.Д. Волотовский. – Минск: Изд-во БГУ, 1974.


Documents

Красноярск 200 9 ФОТОБИОФИЗИКА