Красноярск 200 9 ФОТОБИОФИЗИКА

1. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮФедеральное государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования Сибирский федеральный университеткафедра биофизики Красноярск 2009 ФОТОБИОФИЗИКА

2. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮСибирский федеральные университеткафедра биофизики Суковатая И.Е. ФОТОБИОФИЗИКА ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА направление - физика специальность - биохимическая физика март 2010

3. План лекции • Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний • Квантовый выход и скорость фотохимической реакций • Основные типы фотохимических реакций • Основные законы фотохимии ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

4. Поглощение энергии Биомолекула А* Биомолекула А фотофизика фотохимия фотон Промежуточные шаги фотобиология Биологический эффект Общие стадии фотохимических реакций Общая схема фотобиофизического процесса ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

5. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний Примеры образования σ-связей Примеры образования -связей Типы гибридизации и пространственные конфигурацииобразовавшихся гибридных орбиталей ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

6. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний l -орбитали в ароматических спиртах l-электроны обозначены точками n-орбитали ароматических соединений, n-электроны обозначены точками ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

7. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний Схема образования связывающей и разрыхляющей молекулярных орбиталей ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

8. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний Энергетическая диаграмма молекулярных орбиталей для гомоядерных молекул (на примере молекулы водорода) ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

9. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний Энергетическая диаграмма молекулярных орбиталей для гетероядерной молекулы ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

10. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний квантово-механическое рассмотрение молекул позволяет выделить 5 типов орбиталей - , , n, l, v - и положить их в основу классификации молекул ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

11. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний Уровни энергии молекулы (горизонтальные линии) и электронные переходы при поглощении энергии (вертикальные стрелки) ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

12. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний Уровни энергии орбиталей определяются: - порядковым номером элемента, - главным квантовым числом, - гибридизацией орбиталей. l -орбитали главным образом принимают участие в формировании основного состояния ( l) (смешивание - и l -орбиталей), v-орбитали - возбужденного состояния (v*) (смешивание v и возбужденной *-орбитали) ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

13. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний Структура триптофана Спектр поглощения триптофана - Trp ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

14. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний классификация Д.Н. Шигорина по орбитальному признаку 8 классов: I-, II-v, III-l, IV-lv, V-n, VI-nv, VII-nl, VIII-nlv Молекулы этих классов имеют спектры, лежащие в видимой и ультрафиолетовой областях. Природа электронных состояний молекул определяется двумя основными характеристика-ми: орбитальной природой и мультиплетностью состояний, между которыми осуществляется переход ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

15. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний классификация Д.Н. Шигорина по орбитальному признаку ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

16. Процессы, следующие за поглощением света: 1)возбуждение флуорофора, как правило, происходит до некоторого высшего колебательного уровня состояний (S1 либо S2).

19. Термическое заселение возбужденного состояния • Из-за большой разности энергий между уровнями S0 и S1 по существу, ни у каких флуорофоров состояние S1не может быть заселено термическим путем. • Интересно отметить, что даже малое термически активированное заселение первого возбужденного колебательного состояния молекул можно зарегистрировать, используя различие спектров поглощения при разных температурах.

20. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний Электронные состояния схематически изображаются уровнями энергии электронных состояний Относительное положение уровней электронно-возбужденных состояний молекул класса n (V класс): волнистые стрелки обозначают безызлучательные переходы, прямые стрелки - излучательные переходы ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

21. Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний Эволюция n,*-состояний ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

22. Квантовый выход и скорость фотохимической реакций Квантовый выход образования продукта фотохимической реакции • количественная характеристика эффективности использования световой энергии; • отношение количества образовавшегося продукта ΔN к количеству света, поглощенного исходным веществом ΔIa; ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

23. Квантовый выход и скорость фотохимической реакций дифференциальный квантовый выход продукта фотореакции • WР - скорость образования продукта • Wa = Ia - скорость поглощения света в единицу времени Q = WР/Wa ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

24. Квантовый выход и скорость фотохимической реакций Интегральный квантовый выход ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

25. Квантовый выход и скорость фотохимической реакций Химический квантовый выход • отношение количества образовавшегося продукта к количеству прореагировавшего исходного соединения. • химический выход тем выше, чем выше селективность фотохимической реакции (квантовый выход при этом может быть невысоким) ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

26. The Fate of Excited States (Primary Photochemical Processes) AB Physical quenching AB + h Luminescence (fluorescence, phosphorescence) AB+ + e- Ionisation +M vii) viii) vi) AB† Intramolecular energy transfer (radiationless transition) A + B Dissociation AB* v) i) +E +CD iv) ii) iii) ABE or AE + B Direct reaction AB + CD‡ Intermolecular energy transfer BA Isomerisation

27. Фотохимические реакции Химическая активность электронно-возбужденного состояния определяется тремя основными параметрами: 1) запасом энергии, 2) временем жизни и 3) наличием реакционно-активных электронов на внешней орбите. Синглетное (S*) возбужденное состояние обладает большим запасом энергии, чем триплетное(T*), что расширяет пределы его реакционной способности. С другой стороны, триплетное состояние обладает значительно большим временем жизни и, что особенно важно, имеет на внешней орбите химически реакционно-способные неспаренные электроны. В ходе эволюции развития был сделан оптимальный выбор между синглетным и триплетным механизмами фотобиологической реакции. В конечном счете соотносительная роль синглетных и триплетных электронно-возбужденных состояний в фотобиологии определяется типом и характером каждой отдельной реакции.

28. При переходе молекулы в ЭВС происходит изменение физических и химическихсвойств молекул по сравнению с основным состоянием: меняются • дипольный момент, • геометрия, • распределение электронной плотности, • кислотно-основные свойства • энергия связей, • сродство к электрону, • потенциал ионизации, • молекулы в возбужденном состоянии обладают иной реакционной способностью

29. Меняются геометрия, распределение электронной плотности, характер гибридизации, молекулы в возбужденном состоянии обладают иной реакционной способностью. Современные времяразрешенные методы, например, ИК-спектроскопия позволяет получать информацию об изменениях, происходящих при переходе молекул в возбужденное состояние. При переходе молекулы в ЭВС происходит изменение физических и химическихсвойств молекул по сравнению с основным состоянием:

30. При переходе молекулы в ЭВС происходит изменение физических и химическихсвойств молекул по сравнению с основным состоянием: • дипольный момент Электронные переходы приводят к перераспределению электронной плотности в молекулах и в общем случае сопровождаются изменением дипольного момента. Величины дипольных моментов возбужденных состояний можно получить из анализа изменений спектров поглощения и флуоресценции при изменении природы растворителя, хотя чаще всего для этого используют измерения поляризации люминесценции. • дипольные моменты возбужденных состояний молекул органических соединений могут как увеличиваться, так и уменьшаться.

31. При переходе молекулы в ЭВС происходит изменение физических и химическихсвойств молекул по сравнению с основным состоянием: • кислотно-основные свойства возбужденных состояний молекул можно определить из спектральных измерений концентрации протонированных возбужденных молекул при различных значениях рН.

32. Основные типы фотохимических реакций Фотодиссоциация ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

33. Основные типы фотохимических реакций Фотодиссоциация с разрывом химических связей происходит расщепление молекулы на радикалы, ионы или нейтральные более простые молекулы. Энергия химических связей находится в интервале 150-500 кДж/моль. Энергия фотона при длине волны 250 нм равна 480 кДж/моль то есть можно было бы ожидать, что при облучении светом 250 нм большинство химических связей будут диссоциировать Однако этого не происходит по нескольким причинам: - при поглощении света молекулы переходят в другое электронное состояние с иными энергиями связи. Поэтому для диссоциации связи в электронно-возбужденном состоянии необходима энергия, равная, по меньшей мере, сумме энергии возбуждения (Е00) и энергии связи в возбужденном состоянии. - для сложных молекул при поглощении света происходит распределение энергии возбуждения по различным связям.

34. + Potential energy (V) Internuclear distance (R) • Potential energy surfaces • Describe the relationship between internuclear distance and potential energy. • Products and reactants of efficient chemical reactions are connected by a continuous surface describing the potential energy of the system. • Products and reactants are then said to correlate with each other and the reaction proceeds adiabatically.

35. Типы фотодиссоциации связей в двухатомных молекулах При фотовозбуждении двухатомных молекул наблюдается три типа диссоциации. Первый типнаблюдается, если энергия фотона превышает сумму энергий 0-0 перехода и энергии диссоциации связи в возбужденном состоянии (рис.а). В этом случае двухатомная молекула распадается на два атома и, как правило, один из атомов находится в возбужденном состоянии. Второй типфотодиссоциации (рис.б) отличается тем, что терм возбужденного состояния является диссоциативным, то есть не имеет минимума. В этом случае при диссоциации связи продукты образуются в основном состоянии. Третий типфотодиссоциации (рис.в) наблюдается, когда в возбужденном состоянии пересекаются два терма, один из которых является диссоциативным. В точке пересечения имеется вероятность перехода из возбужденного состояния на диссоциативную кривую. Этот тип фотодиссоциации называется предиссоциацией.

36. Схема возникновения электронной предиссоциации двухатомной молекулы. А, В связанные, С-отталкивательное электронные состояния; EF и KL- диссоциац. пределы. Слева показан характер спектра поглощения, наблюдаемый для квантового перехода А :В, справа - график изменения времени жизни т возбужденной молекулы в зависимости от колебат. квантового числа v.

37. Классическим примером фотодиссоциации молекул на радикалы является азометан: • В газовой фазе азометан распадается с квантовым выходом 1. • В растворе эффективность фотораспада снижается из-за рекомбинации первичных радикалов в клетке.

38. Классическим примером предиссоциации • является диссоциация двухатомных молекул на атомы (I2, S2). • Явление предиссоциации проявляется в спектрах поглощения и испускания. • В области предиссоциации спектры становятся диффузными.

39. По типу образующихся продуктов различают: гомолитическуюфотодиссоциацию, приводящую к образованию радикалов и атомов, гетеролитическуюфотодиссоциацию, приводящую к образованию ионов. Примером гомолитическойфотодиссоциации является распад кетонов (тип I по Норришу): Гетеролитическаяфотодиссоциация органических соединений может протекать лишь в полярных растворителях, где ионы могут стабилизироваться. Примером гетеролитическойфотодиссоциации является фотораспадлейкоцианида Малахитового Зеленого в этаноле с образованием ионов. Квантовый выход процесса при этом равен 1.

40. Основные типы фотохимических реакций Фотодиссоциация Гомолитическая фотодиссоциация – реакция фотодиссоциации, приводящая к образованию радикалов и атомов. Гетеролитическаяфотодиссоциация – реакция фотодиссоциации, приводящая к образованию ионов. ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

41. Фотораспад наблюдается например, при облучении большими дозами ультрафиолета аминокислот, пептидов и белков (фотолиз пептидной связи, дезаминирование, декарбоксилирование), а также нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

42. Основные типы фотохимических реакций Фотоперегруппировки Реакции фотоизомеризации и перегруппировки всегда протекают внутримолекулярно В ходе которых один изомер или таутомер превращается в другой. Если перегруппировываются отдельные атомы или группы в молекуле, говорят о реакции изомеризации, частный случай которой – фотостериоизомеризация, заключающаяся в изменении пространственного расположения отдельных группировок в молекуле относительно ее хребта ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

43. Основные типы фотохимических реакций Валентная фотоизомеризация протекает с перераспределением π- и σ-связей. Так при облучении 1,3-бутадиена происходит образование бицикло(1.1.0)бутана из транс-стильбена и циклобутена из цис-стильбена. Фотоперегруппировки Фотолиз циклических диенов приводит к бициклическим соединениям ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

44. Основные типы фотохимических реакций при облучении бензола наблюдается образование валентных изомеров: фульвен (1), бензвален (2), бензол Дьюара (3), призман (4). Фотоперегруппировки бензвален и фульвен образуются из 1S состояния при облучении бензола 254 нм, бензол Дьюара образуется из 2S состояния при облучении светом 200 нм, а призман образуется из бензола Дьюара при длительном облучении бензола светом 200 нм ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

45. Основные типы фотохимических реакций Фототаутомеризация Фотоперегруппировки внутримолекулярное перемещение протона под действием света наблюдается для многих ароматических соединений ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

46. Основные типы фотохимических реакций Фототаутомеризация Фотоперегруппировки Фототаутамеры, как правило, легко термически превращаются в таутомер, устойчивый в основном состоянии. Фотоизомеризация координационных соединений может приводить к образованию стереоизомеров (геометрическая фотоизомеризация), оптических изомеров (фоторацемизация). Реакции фотоизомеризации комплексов переходных металлов индуцируются при облучении в полосах поля лигандов. Фотохимическая реакция цис-транс-изомеризацияретиналя (простетичекой группировки пигмента родопсина) лежит в основе такого общебиологического информационного процесса, как зрение животных, а также человека. ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

47. Основные типы фотохимических реакций Фотоперегруппировки Фотохимическая реакция цис-транс-изомеризацияретиналя(простетичекой группировки пигмента родопсина) лежит в основе такого общебиологического информационного процесса, как зрение животных, а также человека ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

48. Основные типы фотохимических реакций Фотозамещение Фотоперегруппировки ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

49. Фотозамещение Реакции фотозамещения в органических соединениях могут протекать как по радикальному, так и по гетеролитическому механизму. Фотозамещение в алифатических соединениях протекает в основном по радикальному пути. Для ароматических соединений радикальный механизм замещения наблюдается в том случае, если энергия связи ароматического кольца с заместителем является слабой и рвется при облучении светом, например, как это происходит для иодпроизводных бензола.

50. Основные типы фотохимических реакций фотогидратация Фотоперегруппировки К реакциям фотозамещения относятся реакции обмена лигандов в комплексных соединениях металлов переменной валентности при их облучении в d-d полосу. При использовании воды в качестве растворителя протекает реакция фотогидратации. ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА