Фотобиология - Конев С.В.
Скачать (прямая ссылка):
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
сопо-
22
Глава I. Взаимодействие света с веществом
ставление 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 М3. Поскольку перенос энергии Mt -* М2 требует
известного времени, процесс ftv + М2 -> М2 -* М2 + hv$n "закончится"
несколько раньше, чем процесс ftv + М2 -*¦ Mi -*• М2 -* М2 + + Ьфл.
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->-фико-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-исраситель в ковалентных или
абсорбционных комплексах белок - краситель; адениновое-нш-котинамидное
кольцо в НАД; адениновое-нюоаллокса-зиновое кольцо в ФАД; тиазоловое-
^пиримидиновое кольцо в тиамине (витамин Bi) и др. Столь же многочис-
6. Миграция энергии
23
ленны и примеры межмолекулярной миграции энергии: фикоэритрин->-
фикоцианин->-хлорофилл а (водоросли), хлорофилл Ъ->-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 взаимодейст-
Таблица 2. Характеристики различных механизмов миграции энергии
Механизм переноса Время t переноса, с Энергия взаимодействия Е, см
* Концентрация С, моль Радиус О R, А я . О А Я НС* рэ О а о и СО
S о
Делохалиаовак-ный "молекулярный вкси- тон" быстрый <3-10-14 >1000 >5
<5 я->
промежу- точный 3-10-14-"- +3-10-12 10-1000 0,1-5 5-20 Д-з
Медленный локализованный "резонансный перенос" 3-10-12 + +3-10-8
0,1-10 3-10-4 + + 10-1 20-100 д-"
вия. Вследствие этого вероятность обмена энергией между соседними
молекулами неизмеримо возрастает: время обмена составляет 10-12-10-14 с
вместо 10~8-10-12 с в случае индуктивного резонанса (табл. 2).
Основным критерием, обусловливающим эффектив-
24
Глава I. Взаимодействие света с веществом
ность 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 (1/i?3). В этих условиях скорость
переноса настолько высока (10_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
