Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
Метастабильный уровень Т был постулирован Яблонским для объяснения экспериментальных фактов. Физическая природа этого уровня была выяснена Терениным [108] в 1943 г. Годом позже к его мнению присоединились Льюис и Каша [109].
Квантовомеханический расчет электронного строения ароматических молекул показывает, что они должны обладать двумя системами возбужденных уровней: синглетной и триплетной. Различие между ними заключается в следующем. Из принципа Паули следует, что на каждом возможном электронном уровне молекулы может находиться не более двух электронов. При этом спины двух электронов, находящихся на одном уровне, должны быть противоположными. Когда один из электронов переходит на более высокий уровень, то возможны два случая: либо спины двух разделившихся электронов остаются противоположно направленными, либо они оказываются параллельными. Та система уровней, которая соответствует первому случаю, называется синглетной, а система, соответствующая второму случаю,— трч-плётной. Таким образом, полная система уровней интересующих
нас молекул имеет вид, схематически изображенный на рис. 47, дополняющем ранее данную неполную схему (рис. 23).
Согласно спектроскопическим «правилам отбора», радиационные (сопровождающиеся излучением) переходы возможны с большой вероятностью только между различными уровнями одной и той же системы. Переходы между уровнями различных систем, например переход T^So, запрещены. В реальных усло-
Рис. 47. Схема синглетных и триллетных энергетических уровней ароматических молекул
виях в силу возмущающего влияния среды этот запрет не является абсолютным, но вероятность триплет-синглетных переходов, в частности перехода Ti~*S, на много порядков меньше, чем вероятности переходов между уровнями одной и той же системы, например перехода Si^S.
Предложенная Терениным интерпретация явлений длительного послесвечения заключается в том, что гипотетический мета-стабильный уровень Яблонского Т он трактует как реальный низший уровень триплетной системы ТЭта интерпретация полностью подтверждена не только теоретическими расчетами системы уровней для бензола и ряда других ароматических соединений, но и прямыми экспериментами. Освещая образец, дающий послесвечение, сильной импульсной вспышкой, можно создать довольно высокую населенность триплетного уровня. После этого в
течение короткого времени, пока эта высокая населенность сохраняется, можно обнаружить в спектре поглощения ряд новых полос, соответствующих переходам между различными уровнями триплетной системы {ТХ—*Т2, 7i—>73... и т. д.). С другой стороны, при освещении такого образца он должен приобрести магнитный момент, так как спины находящихся на триплетном уровне электронов уже не компенсируют друг друга, а складываются. Существование такого фотоиндуцированного магнитного момента обнаружили в 1945 г. Льюис и Калвин [110]. Модифицируя эти опыты, Ивенс [111] показал, что по мере затухания длительного послесвечения окрашенного флуоресцеином сахарного леденца, т. е. по мере убывания количества молекул красителя на уровне Ти магнитный момент убывает. Затухание свечения и убывание магнитного момента идут параллельно и по одному и тому же закону.
Подробнее эти чрезвычайно важные и интересные явления описаны в обзорных статьях Тёренина и других авторов [112—114].
Возможная роль триплетных состояний в биологических процессах. Из общих соображений можно было бы ожидать, что переход молекул в триплетное состояние играет важную роль в различных фотохимических, фото-биологических и даже темновых биологических процессах. Эта возможная роль триплетных состояний обусловлена двумя факторами. Во-первых, большая длительность пребывания молекул на триплетном уровне благоприятствует возможности использования запаса энергии молекулы для осуществления той или иной химической реакции или биологического процесса. Во-вторых, молекула, имеющая два электрона с параллельными спинами, с химической точки зрения представляет собой бирадикал и должна обладать повышенной реакционной способностью. Наконец, если предположить, что и в темновых биологических процессах возможно образование возбужденных состояний участвующих в них молекул за счет энергии экзоэргических, например окислительных реакций, то вероятен переход этих молекул на первый триплетный уровень, лежащий ниже соответствующего возбужденного синглетного уровня.
Участие триплетных состояний во многих фотохимических -реакциях in vitro доказано (см. например, [115]). Однако участие их в биологических процессах, даже в процессах, связанных с действием света, все еще остается гипотезой.
Особенно убежденным сторонником представлений о важной роли триплетных состояний в различных биологических процессах был Сент-Дьердьи, посвятивший этому вопросу, свою известную книжку «Биоэнергетика» [116]. Он опирался на экспериментально установленный факт, что при замораживании водных растворов очень многих флуоресцирующих соединений свечение исчезает, а при более глубоком охлаждении этих растворов вновь
разгорается, причем полоса низкотемпературного свечения смещена в длинноволновую сторону. Эту «красную» полосу Сент-Дьердьи считал полосой, соответствующей переходу с триплетно-го уровня. Он обратил внимание на ряд действительно очень интересных корреляций между биологической активностью различных веществ и их влиянием на указанные люминесцентные явления, а также пытался интерпретировать важные биологические процессы с точки зрения гипотезы об участии в них триплет-ных состояний молекул.
