Электронные переходы в биологических молекулах

В молекуле существует система электронных энергетических уровней. Для химических и оптических свойств молекулы наиболее важны два уровня.

1. ВЗМО –верхняя (по энергии), заполненная молекулярная орбиталь.

2. НСМО – нижняя свободная молекулярная орбиталь.

Значение энергии ВЗМО определяет потенциал ионизации молекулы, а следовательно, способность отдавать электроны – донорные свойства. Потенциалом ионизации называется энергия, которую необходимо затратить, чтобы оторвать электрон от молекулы. Чем выше энергия ВЗМО, тем ниже потенциал ионизации и тем лучший она донор электронов. Например, высоким значением ВЗМО обладает витамин Е, который поэтому легко отдает электрон в реакциях со свободными радикалами, что и обуславливает его антиоксидантные свойства.

Энергия НСМО определяет акцепторные свойства молекулы. Чем ниже энергия НСМО, тем охотнее данная молекула присоединяет электрон.

 

Схема электронных молекулярных уровней и

Переноса электрона между двумя различными молекулами

На каждом заполненном энергетическом уровне может находиться по два электрона с противоположными спинами. Окислительно-восстановительная реакция между донором и акцептором будет происходить, если энергия ВЗМО донора выше энергии НСМО акцептора.

Схема электронных переходов в биомолекулах

Если молекуле сообщить энергию (например, в виде кванта света), то произойдет переход одного электрона с заполненного уровня на один из незаполненных уровней, и молекула оказывается в электронно-возбужденном состоянии  эти уровни называются синглетными, при переходе между ними спин электрона не меняется. Время жизни молекулы в синглетном состоянии 10^-8 – 10^-9 секунд. С определенной вероятностью могут реализоваться следующие пути превращения энергии:

1. В тепло

2. Испускание кванта флуоресценции

3. Фотохимическая реакция 

4. Передача энергии возбуждения другой молекуле

5. Обращение спина электрона и переход молекулы в триплетное возбужденное состояние:

В этом состоянии молекула может находиться 10^-4-10 секунд.

Существует несколько путей растраты энергии из триплетного состояния молекулы:

1. Безизлучательный переход в  с обращением спина:

2. Испускание кванта фосфоресценции:

3. Фотохимическая реакция

4. Передача энергии возбуждения другой молекуле.

 

Люминесценция биосистем

Люминесценцией называются все виды излучения света, кроме излучения света нагретыми телами. По длительности послесвечения (10^-8 сек до суток) люминесценцию подразделяют на флуоресценцию (прекращается одновременно с прекращением возбуждения) и фосфоресценцию (имеет длительное послесвечение). По способу возбуждения люминесценцию подразделяют на следующие виды.

· Катодолюминесценция – это свечение тел, вызванное бомбардировкой вещества электронами или другими заряженными частицами.

· Электролюминесценция – вызывается пропусканием через вещество электрического тока или действием электрического поля. Например, свечение газового разряда в трубках для рекламных надписей.

· Хемилюменисценция – свечение, вызываемое химическими реакциями.

· Фотохемилюминесценция – свечение тел под действием облучения их видимым, ультрафиолетовым светом, рентгеновским или -излучением.

Вещества, дающие сильную люминесценцию, называются люминофорами.

Регистрация люминесценции используется для изучения структуры и функций биосистем различной сложности: от мембран до целых органов и организмов.