Введение в квантовую биофизику. Фотобиологические процессы

Тема 12

Теоретические вопросы:

1. Квантовая биофизика (определение, предмет изучения). Фотобиологический процесс, его стадии (определение, примеры).

2. Механизм поглощения света биомакромолекулой: структура энергетических уровней (энергетическая диаграмма, понятие о синглетных, триплетных уровнях), полная энергия молекулы.

3. Спектр поглощения атомов и молекул (определение, особенности, происхождение, графическая интерпретация вероятности процесса поглощения). Спектр поглощения биологически важных молекул (рисунок, пояснения).

4. Пути растраты молекулой энергии поглощённого кванта света (энергетическая диаграмма: указать структуру энергетических уровней, время нахождения электрона на каждом уровне, возможные варианты перехода электрона).

5. Люминесценция (определение): флюоресценция, фосфоресценция (энергетическая диаграмма, происхождение спектров).

6. Классификация люминесценции по способу возбуждения атомов и молекул (виды, определения, применение).

7. Классификация люминесценции по длительности люминесценции после прекращения воздействия (виды, определения, происхождение, роль примеси, применение).

8. Классификация люминесценции по внутриатомным процессам (виды, определения, фрагменты энергетических переходов).

9. Люминесцентный анализ (определение, параметр количественного анализа). Квантовый выход люминесценции (определение, формула).

10. Хемилюминесценция (определение, виды, применение в медицине, микробиологии, фармации).

11. Возможность и условия люминесцентного анализа (закон Вавилова, правило Каши).

12. Флуоресцентная спектрофотометрия (сущность метода, устройство и принцип действия спектрофотометра, применение в фармации).

13. Закон Стокса (определение, рисунок, энергетическая диаграмма и её анализ). Тушение люминесценции (определение).

14. Основные законы фотохимии (определение, физическая сущность).

15. Механизм миграции энергии (определение, сущность процесса, условия, последствия).

16. Первичные фотохимические реакции (определение, условия протекания). Типы первичных фотохимических реакций (модели реакций, примеры).

17. Вторичные фотохимические реакции (определение, условия протекания).

18. Классификация фотобиологических процессов (виды, примеры).

19. Спектр фотобиологического действия (определение, график, информационность, анализ). Пример: спектр антирахитного действия УФЛ (спектр поглощения провитамина D).

20. Бактерицидное и бактериостатическое действие УФЛ (спектр фотобиологического действия). Спектр поглощения молекулы, ответственной за поглощение УФЛ клеткой (механизм действия УФЛ на данную молекулу). Применение в медицине, фармации.

21. Механизм канцерогенного действия УФЛ (спектр фотобиологического действия). Спектр поглощения молекулы, ответственной за поглощение УФЛ клеткой (схема процесса, механизм и последствия поглощения).

22. Механизм инактивации ферментов (схема процесса).

23. Особенности действия УФ излучения на белки в работах Ю.А. Владимирова (стадии процесса).

24. Использование фотоэлектрокалориметрии (устройство и принцип действия аппарата) в фармации.

25. Закон поглощения света веществом (закон Бугера-Ламберта-Бера), понятие оптической плотности, молярного коэффициента поглощения вещества.

26. Концентрационная колориметрия (цель, сущность метода, описание установки).

27. Использование спектрофотометрии (устройство, виды и принцип действия аппарата) в фармации.

28. Определение концентрации вещества по флуоресценции (цель, сущность метода, описание установки). Применение в биологии, фармации, медицине.

29. Количественный спектрофотометрический анализ (цель, сущность метода, описание установки). Применение в биологии, фармации, медицине.

30. Преимущества использования микроспектрофотометрии (цель, сущность метода, описание установки) в медицине, биологии, фармации.

31. Использование люминесцентной микроскопии (цель, сущность метода, описание установки) в фармации.

32. Люминесцентные зонды и метки (цель, сущность метода). Применение в биологии, фармации, медицине.

1. Квантовая биофизика изучает вопросы взаимодействия света и биологических структур (молекул, биологических мембран, клеток, тканей), а также электронную структуру биологически важных соединений и ее связь с их химическими свойствами и биологической активностью. При этом используются теоретические расчеты молекулярных орбиталей, спектральный и люминесцентный анализ, методы, основанные на электронном парамагнитном резонансе в сочетании с техникой импульсного и непрерывного облучения биологических объектов различными источниками света, включая лазеры, при обычных температурах и в условиях глубокого охлаждения объектов жидким азотом или гелием.

Фотобиологический процесс –это процесс, который начинается с поглощения квантов света молекулами и заканчивается физиологической реакцией организма

Стадии фотобиологических процессов:

1. Поглощение фотона света(hn)молекулой-акцептором

2. Внутримолекулярный перенос энергии

3. Меж-молекулярныйперенос энергии

4. Первичный фотохимический акт(образование нестабильных фотопродуктов из возбужденных состояний S1илиT1)

5. Темновыереакции, приводящие к образованию стабильных фотопродуктов

6. Биохимические реакции с участием стабильных фотопродуктов

7. Физиологический ответ организма на действие света

Вопрос №5. Люминесценция (определение): флюоресценция, фосфоресценция (энергетическая диаграмма, происхождение спектров).

2. Электрон, кроме того, что он находится на определенной орбитали и вращается вокруг ядра, обладает еще спином (вектором магнитного момента) — характеристикой, которую можно трактовать как направление вращения электрона вокруг своей оси. Спин электрона может принимать два значения. Спины двух электронов, находящихся на одной орбитали, противоположны. Когда в молекуле все электроны расположены попарно, их суммарный спин равен нулю. Это основное синглетное состояние (S₀). В основном энергетическом состоянии S₀ молекула находится в тепловом равновесии со средой, все электроны попарно занимают орбитали с наименьшей энергией. При поглощении света электроны переходят на следующие орбитали с более высоким энергетическим уровнем. При этом имеются две возможности: если электрон не меняет спина, то это приводит к возникновению первого и второго синглетного состояния. Если же один из электронов меняет спин, то такое состояние называют триплетным. Наиболее высокий энергетический уровень — это второй синглетный уровень. Электрон переходит на него под влиянием сине-фиолетовых лучей, кванты которых содержат больше энергии. В первое возбужденное состояние электроны могут переходить, поглощая более мелкие кванты красного света.

5. Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения.

Флуоресце́нция — физический процесс, разновидность люминесценции. Флуоресценцией обычно называют излучательный переход возбужденного состояния с самого нижнего синглетного колебательного уровня S₁ в основное состояние S₀. В общем случае флуоресценцией называют разрешенный по спину излучательный переход между двумя состояниями одинаковой мультиплетности: между синглетными уровнями или триплетными . Типичное время жизни такого возбужденного состояния составляет 10⁻¹¹−10⁻⁶ с.

Флуоресценцию следует отличать отфосфоресценции — запрещенного по спину излучательного перехода между двумя состояниями разной мультиплетности. Например, излучательный переход возбужденного триплетного состояния T₁ в основное состояние S₀. Синглет-триплетные переходы имеют квантово-механический запрет, поэтому время жизни возбужденного состояния при фосфоресценции составляет порядка 10⁻³−10⁻² с.

Схематически процессы поглощения света и флуоресценции показывают на диаграмме Яблонского.

При нормальных условиях большинство молекул находятся в основном электронном состоянии . При поглощении света молекула переходит в возбужденное состояние . При возбуждении на высшие электронные и колебательные уровни избыток энергии быстро расходуется, переводя флуорофор на самый нижний колебательный подуровень состояния . Однако, существуют и исключения: например, флуоресценция азулена может происходить как из , так и из состояния.