Биофизическая химия. Том 2 - Кантон Ч.
Скачать (прямая ссылка):
таковым для беспорядочного клубка. Заметим, что ни для беспорядочного
клубка, ни для /3-слоя никаких признаков расщепления не наблюдается.
Электростатическое взаимодействие рассматриваемого типа может иметь место
не только между идентичными хромофорами. Качественно те же эффекты
наблюдаются и в том случае, когда в непосредственной близости друг от
друга оказываются разные хромофоры, обладающие достаточно близкими
энергиями переходов. При этом, однако усложняется математический анализ
(Tinoco, 1972). В нуклеиновых кислотах экситонно-оптические эффекты очень
сложны. Приходится учитывать множество взаимодействий между соседними
основаниями, принадлежащими как одной, так и разным цепям двойной
спирали. Из-за сильного усреднения пблосы поглощения ДНК в ближней УФ-
области не обнаруживают ни сколько-нибудь заметного сдвига, ни
расщепления. Однако, как мы увидим позже, при измерениях оптической
активности экситонные эффекты становятся гораздо заметнее.
ГИПОХРОМИЗМ АГРЕГАТОВ ХРОМОФОРОВ
Характерной чертой экситонных эффектов является неизменность полной
интегральной интенсивности спектра. Однако если внимательно изучить
спектры поли-Б-лизина в различных конформациях (рис. 7.9), то нетрудно
заметить, что суммарная интенсиность поглощения а-спирали меньше, чем
клубка. Это есть проявление другого оптического эффекта - гипохромизма
(что в переводе означает "меньше цвета"). Этот эффект отчетливо
проявляется в случае ДНК (рис. 7.14), которая, находясь в форме двойной
спирали, поглощает примерно на 30% меньше, чем смесь составляющих ее
мономеров. Можно было бы предположить, что экситонное расщепление здесь
очень велико и одна из полос не регистрируется. Однако по оценкам в ДНК
экситонное расщепление должно быть очень небольшим. Для спектров ДНК
фактически не наблюдается ни спектрального смещения, ни уширения полос по
сравнению со спектрами мономеров. Экситонные эффекты хотя и имеют место,
но не вызывают значительных изменений в спектре поглощения.
Еще легче отвергнуть другое простое объяснение. Речь идет об "эффекте
экранирования". Рассмотрим полимер, содержащий столь сильно поглощающие
хромофоры, что весь падающий свет поглощается на поверхности молекулы.
Оптическая плотность раствора такого полимера будет меньше, чем
рассчитанная исходя из суммарной концентрации хромофоров, поскольку
хромофоры, находящиеся внутри молекулы, не могут принять участия в
поглощении. Однако, применяя закон Бэра и используя типичную величину
экстинкции хромофора 104, легко показать, что большинство макромолекул
слишком мало, чтобы имело место заметное экранирование.
Удовлетворительное объяснение гипохромизма, являющееся в настоящее время
общепризнанным, было дано в конце 50-х го-
СПЕКТРОСКОПИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ
55
дов в работах И. Тиноко и У. Роудса (I. Tinoco, W. Rhodes) и оказалось
далеко не простым.
Рассматривая экситонные эффекты в предыдущем разделе, мы учитывали только
низшие по энергии возбужденные состояния каждого из хромофоров. Пока
хромофоры достаточно удалены друг от друга, интенсивность их поглощения
одинакова. Однако в упорядоченной структуре хромофоры взаимодействуют
друг с другом, и, хотя число полос в точности равно числу хромофоров, их
интенсивности уже могут различаться. В этом случае говорят, что одни
полосы заимствуют интенсивность у других. Кроме того, взаимодействие
между хромофорами приводит к изменению энергии возбужденных состояний.
Гипохромизм обладает определенным сходством с экситонным эффектом, однако
между ними имеются и существенные различия. Гипохромизм обусловлен
взаимодействием между определенным электронным переходом данного
хромофора и отличными от него электронными переходами соседних
хромофоров. Для простоты будем считать, что данный хромофор переходит в
первое возбужденное электронное состояние, а соседние - в более высокие.
Пусть система освещается светом частоты р0о, которая отвечает переходу
хромофора в первое возбужденное состояние. В этом хромофоре под действием
света индуцируется дипольный момент ц0а, величина которого определяет
интенсивность поглощения.
Какого рода воздействие испытывает данный хромофор со стороны своих
соседей, или, говоря на языке квантовой механики, как изменяется при
наличии такого взаимодействия волновая функция? Чтобы ответить на этот
вопрос, поступим точно так же, как мы это делали для экситонных эффектов:
рассмотрим взаимодействие между моментами переходов хромофора и его
соседей. В случае одинаковых переходов (0 - а) для двух или более
хромофоров мы получаем экситонный эффект, который не сопровождается
изменением суммарной интенсивности в окрестности частоты v0a. Однако при
наличии взаимодействия между переходом 0 - а одного хромофора со всеми
более высокоэнергетическими переходами (0 - Ь, 0 - с и т.д.) его соседей
суммарная интенсивность в окрестности перехода 0 - а может измениться.
Точные квантовомеханические выражения для этого случая весьма сложны, и
