Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
функции внутренней мембраны митохондрий. Эти нарушения в большинстве
случаев так или иначе связаны с изменениями состава и свойств липидов в
мембранах. Известно четыре основных механизма модификации липидов,
нарушающих сопрягающие функции мембраны: перекисное окисление
ненасыщенных жирных кислот, расщепление фосфолипидов митохондриальной
фэсфолипазой, механическое растяжение мембраны (например, за счет
избыточного осмотического давления внутри органелл или клеток) и
изменение взаимодействий липидов и белков (например, адсорбция чужеродных
белков, изменение конформации белков и т. д.).
Глава 2
КВАНТОВАЯ БИОФИЗИКА
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 следующие конкретные вопросы:
1) структуру электронных энергетических уровней молекул;
2) донорно-акцепторные свойства биомолекул;
3) электронные переходы при поглощении света веществом и люминесценции;
4) свойства свободных радикалов и механизм свободнорадикальных процессов;
5) химические превращения электронно-возбужденных молекул, природу
первичных фотопродуктов и их реакционную способность;
6) механизм хемилюминесценции, связанной с превращением энергии,
выделяющейся в ходе биохимических реакций, в энергию электронно-
возбужденных состояний.
Решение этих вопросов представляет интерес для медицины, так как знание
первичных стадий действия ультрафиолетовой и видимой радиации на живые
объекты - теоретическая и практическая основа фото- и фотохемотерапии, а
также использования света для регуляции нормальной жизнедеятельности
организмов. Умение регули-
30
ровать свободнорадикальные реакции важно при терапии многих
патологических процессов. С другой стороны, методы квантовой биофизики
широко внедряются в медицину для диагностики и в исследовательской
работе. К таким методам относятся спектрофотометрия, люминесцентный
анализ, фотохимические методы, ЭПР-спектрометрия, хе-м и люминесценция и
др.
2.1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ В БИОЛОГИЧЕСКИ
ВАЖНЫХ МОЛЕКУЛАХ
Каждый электрон в молекуле находится на определенной орбитали и обладает
определенной энергией. Таким образом, в молекуле существует система
электронных энергетических уровней (рис. 5). Для химических и оптических
свойств молекулы наиболее важны два уровня: это верхняя (по энергии)
заполненная молекулярная орбиталь (ВЗМО) и нижняя свободная молекулярная
орбиталь (НСМО). Значение энергии ВЗМО определяет потенциал ионизации
молекулы, а следовательно, способность отдавать электрон (донорные
свойства). Потенциалом ионизации называют энергию, которую необходимо
затратить, чтобы оторвать электрон от молекулы. Чем выше энергия
I
немо
ВЗМО
Перенос элентрона'
-и-
г
Донор
НСМО
¦м-
ВЗМО
-и-
-н-
Анцептор
Рис. 5. Схема электронных молекулярных ких уровней и переноса электрона
между личными молекулами.
Стрелками обозначены спины электронов.
энергетичес-двумя раз-
ВЗМО, тем ниже потенциал ионизации молекулы и тем лучший она донор
электронов. Например, высоким значением энергии ВЗМО обладает витамин Е,
который поэтому легко отдает электрон в реакциях со свободными
радикалами, что и обусловливает его антиоксидантные свойства (см. с. 44 и
59).
Энергия НСМО определяет акцепторные свойства молекулы: чем ниже НСМО, тем
охотнее данная молекула присоединяет электрон. Количественно акцепторные
свойства характеризуются электронным сродством, которое равно количеству
энергии, освобождающейся при перенесении свободного электрона из
бесконечности на незанятую электронную орбиталь.
Окислительно-восстановительная реакция между донором и акцептором будет
происходить, если энергия ВЗМО донора выше энергии НСМО акцептора (см.
рис. 5). Следует, однако, помнить, что перенос одного, а тем более двух
электронов сопровождается перестройкой в молекуле (изменением энергии
уровней, включая ВЗМО и НСМО). Поэтому редокс-потенциал не вполне точно
коррелирует с донорно-акцепторными свойствами молекул.
На каждом заполненном энергетическом уровне могут находиться только два
электрона, имеющие противоположные собственные магнитные моменты (спины).
Если молекуле сообщить энергию, например, в форме кванта света, то
произойдет переход одного электрона с заполненного уровня (обозначаемого
в спектроскопии S0, рис. 6) на один из незаполненных уровней. Молекула
при этом оказывается в электронно-возбужденном состоянии.. Уровни
S0, Si .... S, называются синглетными, при переходах
между ними спин электрона не меняется. Время жизни молекул в состоянии S,
составляет 10~8-10-9с. Именно на уровне S, решается дальнейшая судьба
всех возбужденных молекул. С определенной вероятностью могут
реализоваться следующие пути превращения энергии состояния S,: 1) в
тепло: Sl-w^>S0; 2) испускание кванта флюоресценции: Sj -> S0 + Нуфл\ 3)
фотохимическая реакция: S, -"• продукт; 4) передача энергии возбуждения
