ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования Сибирский федеральный университет кафедра биофизики Красноярск 2009 ФОТОБИОФИЗИКА

2 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Сибирский федеральные университет кафедра 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 Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний Квантовый выход и скорость фотохимической реакций Квантовый выход и скорость фотохимической реакций Основные типы фотохимических реакций Основные типы фотохимических реакций Основные законы фотохимии Основные законы фотохимии ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

4 Общие стадии фотохимических реакций Общая схема фотобиофизического процесса Промежуточные шаги фотобиология фотохимия Биомолекула А* фотон Поглощение энергии фотофизика Биомолекула А Биологический эффект

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

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

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

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

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

10 ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА 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

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

12 ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний 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) Уровни энергии орбиталей

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

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

15 ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Химические свойства электронно-возбужденных молекулярных состояний классификация Д.Н. Шигорина по орбитальному признаку Молекула Переход Состояние Класс Орбитали I *, * S 0, S, *, T, * II v v * S 0, S,v *, T, * III l l * S 0, S l, *, T l, * IV lv l v * S 0, S l,v *, T l,v * V n n *, *, * n * S 0, S n, *, T n, *, S, *, T, *, S, * n *, T, * n * VI nv n v *, v *, v * n * S 0, S n,v *, T n,v *, S,v *, T,v *, S,v * n *, T,v * n * VII nl n *, l *, l * n * S 0, S n, *, T n, *, S l, *, T l, *, S l, * n *, T l, * n * VIII nlv n *, l v *, l v * n * S 0, S n,v *, T n,v *, S l,v *, T l,v *, S l,v * n *, T l,v * n *

Процессы, следующие за поглощением света: 1) возбуждение флуорофора, как правило, происходит до некоторого высшего колебательного уровня состояний (S 1 либо S 2 ). 1) возбуждение флуорофора, как правило, происходит до некоторого высшего колебательного уровня состояний (S 1 либо S 2 ).

Термическое заселение возбужденного состояния Из-за большой разности энергий между уровнями S 0 и S 1 по существу, ни у каких флуорофоров состояние S 1 не может быть заселено термическим путем. Из-за большой разности энергий между уровнями S 0 и S 1 по существу, ни у каких флуорофоров состояние S 1 не 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. Интересно отметить, что даже малое термически активированное заселение первого возбужденного колебательного состояния молекул можно зарегистрировать, используя различие спектров поглощения при разных температурах.

20 ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА 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

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

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

23 дифференциальный квантовый выход продукта фотореакции дифференциальный квантовый выход продукта фотореакции W Р - скорость образования продукта W Р - скорость образования продукта W a = I a - скорость поглощения света в единицу времени W a = I a - скорость поглощения света в единицу времени Квантовый выход и скорость фотохимической реакций Q = W Р /W a ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

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

25 Химический квантовый выход 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 Квантовый выход и скорость фотохимической реакций

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

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. Фотохимические реакции 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.

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

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 химических свойств молекул по сравнению с основным состоянием:

При переходе молекулы в ЭВС происходит изменение физических и химических свойств молекул по сравнению с основным состоянием: дипольный момент 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. дипольные моменты возбужденных состояний молекул органических соединений могут как увеличиваться, так и уменьшаться.

При переходе молекулы в ЭВС происходит изменение физических и химических свойств 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. кислотно-основные свойства возбужденных состояний молекул можно определить из спектральных измерений концентрации протонированных возбужденных молекул при различных значениях рН.

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

с разрывом химических связей происходит расщепление молекулы на радикалы, ионы или нейтральные более простые молекулы. Фотодиссоциация Основные типы фотохимических реакций Энергия химических связей находится в интервале к Дж/моль. Энергия фотона при длине волны 250 нм равна 480 к Дж/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 (Е 00 ) и энергии связи в возбужденном состоянии. - для сложных молекул при поглощении света происходит распределение энергии возбуждения по различным связям.

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. + Potential energy (V) Internuclear distance (R)

Типы фотодиссоциации связей в двухатомных молекулах При фотовозбуждении двухатомных молекул наблюдается три типа диссоциации. Первый тип наблюдается, 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 тип фотодиссоциации (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 тип фотодиссоциации (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 А, В связанные, С-отталкивательное электронные состояния; EF и KL- диссоциац. пределы. Слева показан характер спектра поглощения, наблюдаемый для квантового перехода А :В,квантового перехода справа - график изменения времени жизни т возбужденной молекулы в зависимости от колебат. квантового числа v.молекулы Схема возникновения электронной предиссоциации двухатомной молекулы.предиссоциациимолекулы

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

Классическим примером предиссоциации является диссоциация двухатомных молекул на атомы (I 2, S 2 ). является диссоциация двухатомных молекул на атомы (I 2, S 2 ). Явление предиссоциации проявляется в спектрах поглощения и испускания. Явление предиссоциации проявляется в спектрах поглощения и испускания. В области предиссоциации спектры становятся диффузными. В области предиссоциации спектры становятся диффузными.

По типу образующихся продуктов различают: гомолитическую гомолитическую фотодиссоциацию, приводящую к образованию радикалов и атомов, гетеролитическую гетеролитическую фотодиссоциацию, приводящую к образованию ионов. Примером гомолитической фотодиссоциации является распад кетонов (тип I по Норришу): Гетеролитическая фотодиссоциация органических соединений может протекать лишь в полярных растворителях, где ионы могут стабилизироваться. Примером гетеролитической фотодиссоциации является фотораспад лейкоцианида Малахитового Зеленого в этаноле с образованием ионов. Квантовый выход процесса при этом равен 1.

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

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

42 Фотоперегруппировки ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные типы фотохимических реакций 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

43 Фотоперегруппировки ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА 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. Фотолиз циклических диенов приводит к бициклическим соединениям

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

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

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

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

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

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

51 Фотоперегруппировки ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные типы фотохимических реакций Фотоприсоединение Фотодимеризация (М +М (М ….. М) М 2 ) Фотооксидирование (М + О 2 (М …..О 2 ) О М О) Фотогидратация (М + НО 2 НМОН) В возбужденном состоянии возрастает способность молекул к комплексообразованию.

52 Фотоперегруппировки ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные типы фотохимических реакций Фотоприсоединение Образование циклов при облучении диенов

53 Фотоперегруппировки ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные типы фотохимических реакций Фотоприсоединение Эффективность фотоциклизации зависит от стерических факторов. Так транс-пентадиен-1,3 фотоциклизуется с квантовым выходом 0.03, а цис- пентадиен-1,3 с

54 Фотоперегруппировки ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные типы фотохимических реакций Фотоприсоединение ( эксимер эксиплекс В качестве разновидности реакций фотоприсоединения можно рассматривать также образование димеров ( эксимер ) и комплексов возбужденная молекула-растворитель ( эксиплекс ). Такие димеры или комплексы неустойчивы и самопроизвольно распадаются с испусканием кванта света: М + М (М ….. М) М + М +h М +раств-ль (М ….. раств-ль ) М + раств-ль +h

55 Фотоперегруппировки ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные типы фотохимических реакций Фотоприсоединение Важнейшие реакции фотоприсоединения в биологии являются: -реакции фотодимеризации тимина в растворе и ДНК, - фотогидратации урацила в растворе и РНК.

56 Другие фотобиологические явления Фотохимические реакции в белках, липидах и нуклеиновых кислотах. Димеризация тимина Смысл реакции фотодимеризации заключается в разрыве 5,6-двойной связи у обоих партнеров и образовании циклобутанового кольца. Как прямая, так и обратная реакции имеют чисто фотохимическую природу и не требуют термической активации. Смысл реакции фотодимеризации заключается в разрыве 5,6-двойной связи у обоих партнеров и образовании циклобутанового кольца. Как прямая, так и обратная реакции имеют чисто фотохимическую природу и не требуют термической активации.

57 Другие фотобиологические явления Фотохимические реакции в белках, липидах и нуклеиновых кислотах. Димеризация тимина в обезвоженных пленках и спорах При облучении твердых пленок тимидина, а также спор бактерий, обладающих повышенной резистентностью, образуется нециклобутановый димер – 5-тиминил-5,6- дигидротимин. Образованию этого продукта в спорах способствует, по видимому, особая конформация ДНК, характерная для спор. При облучении твердых пленок тимидина, а также спор бактерий, обладающих повышенной резистентностью, образуется нециклобутановый димер – 5-тиминил-5,6- дигидротимин. Образованию этого продукта в спорах способствует, по видимому, особая конформация ДНК, характерная для спор.

58 Другие фотобиологические явления Фотохимические реакции в белках, липидах и нуклеиновых кислотах. Димеризация урацила Фотодимеры урацила с циклобутановым кольцом выделены и идентифицированы при УФ-облучении урацила или его производных в замороженных и водных растворах урацилсодержащих динуклеотидов, полиуридиновой кислоты, РНК вируса табачной мозаики, транспортной и рибосомальной РНК: Фотодимеры урацила с циклобутановым кольцом выделены и идентифицированы при УФ-облучении урацила или его производных в замороженных и водных растворах урацилсодержащих динуклеотидов, полиуридиновой кислоты, РНК вируса табачной мозаики, транспортной и рибосомальной РНК:

59 Другие фотобиологические явления Фотохимические реакции в белках, липидах и нуклеиновых кислотах. Димеризация цитозина Фотодимеризация цитозина обнаружена при УФ-облучении цитозина, цитидил- цитидина, полиуридилцитидилово й кислоты в ДНК: Фотодимеризация цитозина обнаружена при УФ-облучении цитозина, цитидил- цитидина, полиуридилцитидилово й кислоты в ДНК:

60 Другие фотобиологические явления Фотохимические реакции в белках, липидах и нуклеиновых кислотах. Смешанная димеризация оснований При облучении растворов нуклеотидов и ДНК образуются смешанные тимин-цитозиновый, тимин-урациловый и урацил- цитозиновый димеры. Смешанный тимин цитозиновый димер практически не мономеризуется под действием света и представляет собой транс-изомер. На первый взгляд кажется странным образование в ДНК тимин-урацилового димера, поскольку известно, что урацил не входит в состав ДНК. Это противоречие объясняется темновым дезаминированием цитозина до урацила в составе смешанного димера. При облучении растворов нуклеотидов и ДНК образуются смешанные тимин-цитозиновый, тимин-урациловый и урацил- цитозиновый димеры. Смешанный тимин цитозиновый димер практически не мономеризуется под действием света и представляет собой транс-изомер. На первый взгляд кажется странным образование в ДНК тимин-урацилового димера, поскольку известно, что урацил не входит в состав ДНК. Это противоречие объясняется темновым дезаминированием цитозина до урацила в составе смешанного димера.

61 Другие фотобиологические явления Фотохимические реакции в белках, липидах и нуклеиновых кислотах. Пиримидиновые аддукты Кроме циклобутановых пиримидиновых димеров при УФ- облучении нуклеотидов могут образовываться различные гомо- и гетеродимеры, получившие название пиримидиновых аддуктов. Например, из двух тиминовых оснований образуется нециклическая димерная структура, характеризующаяся иными, чем у тимина спектральными свойствами: полоса поглощения сдвинута в длинноволновую область примерно на 40 нм. Кроме циклобутановых пиримидиновых димеров при УФ- облучении нуклеотидов могут образовываться различные гомо- и гетеродимеры, получившие название пиримидиновых аддуктов. Например, из двух тиминовых оснований образуется нециклическая димерная структура, характеризующаяся иными, чем у тимина спектральными свойствами: полоса поглощения сдвинута в длинноволновую область примерно на 40 нм.

62 Другие фотобиологические явления Фотохимические реакции в белках, липидах и нуклеиновых кислотах. Гидратация урацила и цитозина Реакция фотогидратации сводится к присоединению воды к пиримидиновому кольцу у 5,6-двойной связи с ее последующим разрывом. Пиримидиновые гидраты эффективно образуются в однонитевой ДНК. Реакция гидратации фотонеобратима. Гидраты разрушаются в темноте при повышенных температурах, при сдвигах pH. Реакция фотогидратации сводится к присоединению воды к пиримидиновому кольцу у 5,6-двойной связи с ее последующим разрывом. Пиримидиновые гидраты эффективно образуются в однонитевой ДНК. Реакция гидратации фотонеобратима. Гидраты разрушаются в темноте при повышенных температурах, при сдвигах pH.

Фотоперенос электронов возбужденная молекула отдает свой электрон второй невозбужденной молекуле При отщеплении или присоединении электрона к невозбужденным и возбужденным молекулам получаются одни и те же электронные состояния ион-радикалов, поэтому потенциал ионизации при возбуждении молекул всегда уменьшается на энергию возбуждения: а сродство к электрону увеличивается на энергию возбуждения: происходит изменение донорных и акцепторных свойств молекул

64 Фотоперенос электронов ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные типы фотохимических реакций Перенос электрона при возбуждении молекул может происходить тремя путями: 1)прямая фотоионизация, 2)при взаимодействии возбужденной молекулы с донором или акцептором электрона, 3)перенос электрона при поглощении света в полосе переноса заряда для комплексов с переносом заряда (КПЗ). где U - энергия кулоновского взаимодействия компонентов КПЗ, Eс - энергия сольватации.

Наибольший интерес для фотохимии представляет третий путь переноса электрона, когда возбужденные синглетные или триплетные молекулы взаимодействуют с донорами или акцепторами электрона. В данном случае эффективность процесса переноса электрона определяется свободной энергией (энергия Гиббса): где E ox 1/2, E red 1/2 - потенциал окисления донора и потенциал восстановления акцептора, соответственно, E 0,0 -энергия 0-0 перехода возбужденной молекулы, W отражает кулоновское взаимодействие и энергию сольватации ионов в паре. Перенос электрона, происходящий между возбужденной и невозбужденной молекулами, может быть представлен следующей схемой: При взаимодействии возбужденной молекулы с тушителем (в данном случае с донором) образуется комплекс столкновения, в котором происходит перенос электрона с образованием ион-радикальной пары, которая в зависимости от сольватного окружения диссоциирует, либо на свободные ион-радикалы, либо в результате обратного переноса электрона диссоциирует на исходные молекулы.

Константа скорости тушения согласно схемы равна: Учитывая, что, уравнение можно записать в следующем виде: Зависимость константы скорости переноса электрона от энергии Гиббса.

67 Фотоокисление ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные типы фотохимических реакций А +В А + +Х - Например, ароматические аминокислоты белков тирозин и триптофан под действием ультрафиолетового облучения отдают электрон молекулам окружающей их воды, который некоторое время может существовать в окружении диполей молекул H 2 O: где AH – молекула аминокислоты в основном состоянии, 1 AH – молекула в синглетном возбужденном состоянии, AH + –катион-радикал, (e - ) s – сольватированный (захваченный средой) электрон.

68 ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные типы фотохимических реакций Фотовосстановление А +С А - +С + возбужденная молекула получает лишний электрон от невозбужденной молекулы Важнейшие биологические реакции фотопереноса электронов обратимое фотовосстановление хлорофилла при фотосинтезе перенос электрона, образующегося при фотоионизации ароматических аминокислотных остатков в белке, к дисульфидным связям с последующим их восстановлением. разновидность фотопереноса электронов – так называемые комплексы с переносом заряда.

69 Фотоперенос протона ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные типы фотохимических реакций Схема энергетических уровней при фотопереносе протона Первичной стадией в этом случае является отрыв атома водорода возбужденной молекулой от растворителя или от специально добавленного соединения. Отсюда можно рассчитать pK*, предполагая, что энтропия не изменяется. где K и K* - константы равновесия реакции в основном и возбужденном состояниях; с – скорость света; k B - константа Больцмана.

Фотоперенос протона присоединении к возбужденной молекуле протона от невозбужденной кислоты Фотоприсоединение Н + : А +ВН АН + +В - в отдаче возбужденной кислотой своего протона основанию: Фотоотдача Н + : АН + +В А - + Н + В Возбуждение многих органических молекул, сопровождается изменением их кислотно-основных свойств. Так, например, синглетные электронно-возбужденные состояния ароматических соединений, как правило, имеют большую основность или кислотность, чем триплетные. Первичной стадией в этом случае является отрыв атома водорода возбужденной молекулой от растворителя или от специально добавленного соединения.

Ароматические молекулы и красители при облучении восстанавливаются в присутствии доноров электрона (амины, боргидрид-ион, этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), аскорбиновая кислота, неорганические ионы). В частности, в присутствии аминов они при облучении восстанавливаются до дигидросоединений. Первичной стадией процесса является перенос электрона с амина на возбужденную молекулу ароматического соединения. При этом образуется анион-радикал ароматического соединения и его реакции с растворителем или реагентом приводят к различным продуктам фотовосстановления. Красители при фотовосстановлении могут выступать переносчиками электрона. Например, ЭДТА не восстанавливает Fe 3+, но в присутствии Метиленового Голубого (МГ) происходит фотовосстановление Fe 3+ по следующей схеме:

Константы кислотности ароматических соединений в основном, синглетно-возбужденном и триплетном состояниях. Следует отметить, что значения pK ароматических соединений в триплетном состоянии не сильно отличается от pK молекул в основном состоянии в противоположность молекулам, находящимся в синглетно-возбужденном состоянии. В жидких растворах в зависимости от степени сольватации и полярности растворителя реакция фотопереноса протона может остановиться на стадии образования комплексов, ионных пар или полного разделения ионов.

Спектры поглощения ФМН (1), восстановленного ФМН (2) и спектр флуоресценции ФМН в водном растворе (3). h FMN FMN*+ Н + FMNH - h

Установлено, что окисление ряда органических соединений протека- ет с участием синглетного кислорода, который обнаружен при фотосенсибилизации, например, красителями. Основное состояние кислорода является триплетным (3Σg). Низшее возбужденное состояние является синглетным (1g). Синглетный кислород образуется при взаимодействии триплетного кислорода с триплетной молекулой красителя. Синглетный кислород легко окисляет непредельные углеводороды. Фотоокисление

75 1. Закон Гротгуса (1817)-Дрепера (1843): 1. Закон Гротгуса (1817)-Дрепера (1843): Химические изменения в системе может вызывать только поглощаемый ею свет. Этот закон определяет необходимое, но не достаточное для протекания фотохимической реакции условие. Химические изменения в системе может вызывать только поглощаемый ею свет. Этот закон определяет необходимое, но не достаточное для протекания фотохимической реакции условие. 2. Закон Вант-Гоффа (1904): 2. Закон Вант-Гоффа (1904): Количество превратившегося в фотохимической реакции вещества пропорционально количеству поглощенной энергии света. Количество превратившегося в фотохимической реакции вещества пропорционально количеству поглощенной энергии света. 3. Закон Штарка-Эйнштейна (закон фотохимической эквивалентности) (1912): 3. Закон Штарка-Эйнштейна (закон фотохимической эквивалентности) (1912): Каждый поглощенный квант света в первичном акте вызывает активацию только одной молекулы. Каждый поглощенный квант света в первичном акте вызывает активацию только одной молекулы. ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА Основные законы фотохимии

Кинетика фотохимических реакций Количественной оценкой эффективности использования световой энергии в фотохимических реакциях является квантовый выход. Скорость реакции в химии основного состояния определяется величинами элементарных констант скорости и концентрации реагентов. Скорость фотохимического процесса определяется величиной квантового выхода и интенсивностью поглощаемого системой света. Кинетику элементарных фотохимических процессов можно наблюдать с помощью импульсных методов исследования (импульсная флуориметрия, импульсный фотолиз), позволяющих следить за концентрацией возбужденных молекул и короткоживущих промежуточных продуктов. Исследуя фотохимические реакции при стационарном облучении, определяют квантовый выход реакции, который является вероятностью протекания того или иного процесса. Квантовый выход в свою очередь определяется соотношением элементарных констант скорости различных процессов гибели возбужденных молекул. Говоря о кинетике и кинетических закономерностях фотохимических реакций, мы будем понимать под ними связь квантового выхода реакции с константами скорости элементарных процессов.

Связь кинетических параметров системы с квантовым выходом. продукт фотохимической реакции образуется из синглетного возбужденного состояния продукт фотохимической реакции образуется из синглетного возбужденного состояния. где k R и k d – константы скорости фотохимической реакции и дезактивации возбужденной молекулы. Такая упрощенная схема может быть справедлива, в частности, для реакций фотоизомеризации и фотодиссоциации. В условиях стационарности Отсюда получаем выражение для квантового выхода образования продукта В: где τ – время жизни возбужденных молекул А

В общем случае для реакций, протекающих из синглетного возбужденного состояния, квантовый выход образования продукта реакции есть отношение константы скорости его образования из возбужденной молекулы исходного соединения к сумме всех констант скорости процессов превращения синглетных возбужденных молекул:

продукт фотохимической реакции образуется из триплетного возбужденного состояния где k isc и k d – константы скорости интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние и дезактивации синглетно-возбужденных молекул; k R T и k d T – константы скорости фотохимической реакции образования продукта из триплетного состояния исходного вещества и дезактивации триплетных молекул. В этом случае квантовый выход реакции равен: где ϕ T – квантовый выход образования триплетных молекул.

80 Ссылки на использованные источники Слайды 4-12 – Коренев Ю.М., ОвчаренкоВ.П., Общая и неорганическая химия, Часть I, Основные понятия, строение атома, химическая связь. – М.: Издательство Московского университета, – 60 с. Слайд 13 – 16 - Шигорин, Д.Н. Электронно-возбужденные состояния многоатомны молекул / Д.Н. Шигорин, Г.А. Валькова, Е.А. Гастилович и др. / М.: Наука, с. Кудряшева, Н.С., Физико-химические основы биолюминесцентного анализа: Учеб.пособие / Н.С. Кудряшова, В.А. Кратасюк, Е.Н. Есимбекова. – Красноярск: Краснояр. гос.ун-т., с. Слайды Экспериментальные методы химической кинетики. Фотохимия. : учеб. пособие / М.Я. Мельников, В.Л. Иванов. – М.: Изд-во Моск. ун-та, – 125 с. Лакович, Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии / Дж. Лакович. - М.: Мир, Lakowicz, Jr. Principles of fluorescence spectroscopy / Jr. Lakowicz. - Kluwer Academic Plenum Publishers: N.Y., p. Конев, С.В., Фотобиология / С.В. Конев, И.Д. Волотовский. – Минск: Изд-во БГУ, ФОТОБИОХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОБИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА