Элементы квантовой биофизики

 

В основе обменных процессов лежат химические реакции, которые осуществляются за счет перегруппировки атомов. Первый этап носит чисто физический характер, связан с перераспределением электронов в атомах, которые занимают новые положения не только в ходе химических реакций, но и в биологических системах при поглощении света. Поэтому важным является представление о структуре атомов.

Любой атом состоит из ядра и расположенных вокруг него электронов. В ядре находятся протоны, имеющие положительный заряд, число протонов в ядре определяет атомный номер. Содержатся в ядре и нейтроны - нейтральные частицы, имеющие такую же массу, как и протоны. Сумма протонов и нейтронов составляют массовое число. Частицы, содержащиеся в ядре, - нуклоны. Имеются атомы, которые содержат одинаковые число протонов, но могут отличаться по содержанию нейтронов, такие атомы называются изотопами. Часть изотопов являются нестабильными и подвергаются распаду, представляют собой радионуклиды. Для атома водорода существует 3 изотопа: протий, дейтерий, тритий.

В атоме число электронов соответствует числу протонов, поэтому в целом атом электронейтрален. Электроны располагаются вокруг ядра, занимая определенное пространство,- атомная орбиталь. Протоны примерно в 2000 раз тяжелее электронов, но абсолютная величина электрического заряда одинакова. Из этого различия следует, что вся основная масса атома сосредоточена в ядре, так для водорода в ядре сосредоточено 99,95%, хотя по объему ядро занимает очень малую величину. Диаметр атома водорода 10^-8 см, а диаметр ядра 10^-13 см.

Электроны располагаются в атоме таким образом, что они стремятся занять положение с минимальным уровнем энергии. Электроны на орбиталях ближе к ядру испытывают энергетическое притяжение со стороны протонов.

Атомные орбитали могут иметь различную форму: ближайшая к ядру S орбиталь имеет шарообразную форму, P –гантелеобразную, а D и F орбитали имеют более сложные формы.

На каждой орбитали могут располагаться два электрона с противоположными спинами. Графически орбитали обозначаются клеточками, в которых стрелочками указываются электроны. Для орбитали обозначают номер и наименование значком этой орбитали.

Число электронов, которое может располагаться на орбитали – 2*n², где n - номер орбитали. В атомах электроны последовательно заполняют атомные орбитали, ведут себя так, как пассажиры заходят в автобус, занимая места у окошек, а затем занимаются следующие свободные места.

Энергия орбиталей не является постоянной и изменяется при переходе от более легких к более тяжелым атомам. Данные процессы обусловлены наличием двух сил взаимодействия: сила притяжения между электронами и протонами, а на более удаленных орбиталях действуют силы взаимного отталкивания, поэтому в атоме происходит соревнование взаимодействия этих сил.

В результате поглощения энергии атомом электроны переходят на более высокие орбитали, в ходе запасается энергия, атом переходит в возбужденное состояние. Обратный переход электронов сопровождается излучением кванта:

∆E = E₁- E₂ = hv, где h = 6,62*10^-34 Дж * где с - постоянная Планка,

v -частота изучаемого или поглощенного кванта.

λ = C / v, где С –скорость света, λ – длина волны.

∆E= hС / λ. где λ = h/mV, где m – масса, V – скорость.

Положение электронов, при котором они имеют самый низкий энергетический потенциал, соответствует основному уровню атома. Химические свойства атомов определяются строением наружной орбитали. Число электронов на наружной орбитали определяют группу в ПС. Часть электронов может находиться в спаренном, а часть в не спаренном состоянии. Спаренные электроны имеют противоположные спины, не спаренные являются одиночными, за счет них происходит взаимодействие атомов друг с другом и образование молекул. Образуются при этом ковалентные связи, которые являются прочными. Внутри молекул могут действовать разнообразные связи: ковалентные, дипольные и ионные, которые по энергетическому потенциалу меньше ковалентных.

В молекулах электроны на орбиталях находятся в спаренном состоянии и спиновый момент = 0 – синглетное состояние, когда все электроны спарены. Если молекулы имеют не спаренные электроны, то образуются монорадикалы - свободный гидроксил, метил, имеющие по одному не спаренному электрону, если два не спаренных электрона, то образуется бирадикал, например, молекула кислорода. При наличии двух не спаренных электронов состояние электронной оболочки обозначается как триплетное, при этом спиновый момент может принимать значения +1, 0, -1.

Для молекул кроме электронных уровней характерно наличие колебательных подуровней, которые обусловлены колебаниями отельных атомов или групп молекул. Расстояние между колебательными уровнями будет меньше, чем между электронами, в результате происходит распад электронного уровня на несколько колебательных K₁, K₂ и так далее. Кроме колебательной энергии молекулы обладают вращательной энергией за счет вращения атомов и части молекул по отношению к различным осям. Расстояние между вращательными подуровнями меньше колебательных. Таким образом, молекулы отличаются от атомов тем, что их электронные оболочки разделяются на большее число подуровней. Наличие большего числа подуровней определяет и более сложные электронные переходы. В атомах электроны переходят лишь с одного электронного уровня на другой, занимают энергетическое положение соответствующее данному уровню, спектры поглощения и испускания в атомах носят строго линейчатый характер. Наличие в молекулах большего числа подуровней расширяет возможности переходов электронов, что усложняет спектры поглощения и испускания, которые имеют сплошной характер.

 

Фотобиологические процессы

 

При поглощении лучистой энергии биологическими объектами происходят фотобиологические процессы, которые делятся на:

1. процессы фотосинтеза – синтез биологических важных соединений за счет поглощения солнечной энергии (синтез углеводов в зеленых растениях, некоторых простейших и водорослях, образуется хлорофилл). Процессы фотосинтеза удалось наблюдать в водных растворах смесей, которые содержали метан, аммиак, углекислый газ, при облучении смеси удавалось получать жирные кислоты, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые азотистые основания. Эксперименты легли в основу возникновения жизни внутри клеток;

2. зрение животных, фототаксис, фототропизм и фотопериодизм растений. В ходе явлений организм получает информацию об изменениях в окружающей среде, которые возникают при действии света;

3. деструктивные процессы в биологических структурах, которые возникают при действии коротковолнового УФ излучения.

 

Свет может оказывать стимулирующее действие на развитие животных. При действии видимого света наблюдается реакция фотореактивации – снятие поражающего действия УФ излучения при последующем действии видимого света. Сверхслабое свечение возникает при биохимических реакциях.

В основе всех фотобиологических процессов лежат фотохим реакции:

1. фотоионизация – под действием света происходит выбивание электронов за пределы молекулы, образуются ионы или свободные радикалы;

2. фотовосстановление или фотоокисление - перенос электронов с одной молекулы на другую при действии света;

3. фотодиссоциация – процесс распада молекул при действии света;

4. фотоизомеризация – изменение пространственной структуры, конфигурации молекулы;

5. фотодимеризация – образование химических связей между мономерами, образование полимеров.

 

Во всех реакциях молекулы теряют или приобретают электроны, подвергаются деструкции.

Процессы протекают в две стадии:

1. световая – чисто физический процесс поглощение молекулой кванта лучистой энергии, молекула при этом переходит в возбужденное состояние. Электроны, которые участвуют в поглощении квантов, переходят с основного на более высокий энергетический уровне. Величина энергии возрастает на величину поглощенного кванта. Состояние длится до 10^-12-10^-8. Энергия, полученная молекулой, может перейти в тепло или выделиться в форме кванта люминесценции. Возбужденные молекулы могут вступать в фотохимические реакции с другими молекулы с образованием радикалов, ионов или ион-радикалов – первичные окислители и первичные восстановители;

2. темновая – образовавшиеся первичные окислители и восстановители вступают в сопряжение с биохимическими реакциями в организме и изменяются, что приводит к совершению физиологических процессов (выделение кислорода при фотосинтезе, движение листьев растений на солнце, реакции животных на освещение, гибель животных при сильном облучении).

 

В ходе фотохимических реакций возможны следующие превращения энергии:

1. может высвечиваться в форме люминесценции;

2. может передаваться в тепло;

3. может передаваться другой молекуле (миграция энергии);

4. молекула может переходить в триплетное состояние.

 

Поглощательная способность биологических систем определяется общим количеством поглощенной энергии или числом квантов, поглощаемых системой в единицу времени. Показатель определяется на основе оптической плотности объекта. Второй фактор – величина поглощенного кванта, который определяет энергетику самой фотохимической реакции.

При пропускании световых квантов через систему, которая содержит какие-то вещества, происходит ослабление светового потока, что связано с тем, что часть квантов захватывается и поглощается молекулами вещества. Изменение интенсивности светового потока подчиняется закону Ламберта-Бера: «Интенсивность светового потока, проходящего через вещество, экспоненциально уменьшается в зависимости от длины оптического пути и концентрации вещества».

–dl=k*I*C*dl, I=I₀*e^-kcl, lg I₀/I=D – оптическая плотность, I₀-интенсивность падающего света, I-интенсивность выходящего света.

 

Вещество неодинаково поглощает свет различной длины волны. Кривая зависимости оптической плотности вещества от длины волны поглощаемого света будет представлять собой спектр поглощаемого света. Построение таких кривых при спектральном анализе позволяет выявить максимум поглощения определенных длин волн, которые характерны для определенных веществ. Спектры поглощения белка имеют максимум поглощения в области длины волны 280 нм, нуклеиновые кислоты 260 нм, родопсин 500 нм, хлорофилл 430 и 680 нм – два максимума поглощения. Изучение спектров поглощения позволяет определить вещество, которое ответственно за поглощение света, определить длину волны света, которая преимущественно поглощается, и рассчитать энергию поглощаемых квантов, определить положение электронных и колебательных энергетических уровней, время перехода из одного состояния в другое. Спектральный анализ позволяет определить концентрацию вещества в исследуемом объекте.

Спектры поглощения могут быть получены при адсорбционной спектрофотометрии. Спектрофотометр имеет источник света, монохроматор, который позволяет выделить лучи разной длины волны из общего светового потока, кювету, куда помещается исследуемое вещество. Луч света, проходящий через вещество, попадает на фотоэлектронный умножитель, затем на регистрирующее устройство, которое прокалибровано в единицах оптической плотности. Таким образом, направляя разные длины волн на вещество, получим кривые спектрального анализа с определенными максимумами поглощения.

При невозбужденном состоянии электроны в молекулах находятся на нижнем основном энергетическом уровне, электронные оболочки находятся в синглетном состоянии, при котором спиновый момент равен 0. При поглощении кванта лучистой энергии происходят переходы электронов в молекулах на более высокие удаленные возбужденные уровни. Первый переход происходит при поглощении кванта 5,7 мВ, осуществляется переход на второй уровень, молекула переходит в возбужденное состояние, но способна воспринимать очередной квант, в зависимости от которого электроны будут уходить либо на более высокий, либо на более низкий уровень. Таким образом, молекулы находятся в состоянии возбуждения, электронные переходы в молекулах затрагивают вращательные, колебательные и электронные уровни. При таких переходах в молекулах может наблюдаться процесс свечения.

 

Процессы свечения молекул

 

Люминесценция – процесс свечения молекул, сопровождающий переход электронов с возбужденных уровней на основной:

1. флюоресценция – свечение молекулы в момент облучения;

2. фосфоресценция – свечение после прекращения облучения.

 

При переходе электронов с возбужденных уровней на основной происходит испускание кванта люминесценции.

Закон Стокса устанавливает, что «Длина волны света испускаемого при люминесценции всегда больше длины волны света, который ее вызвал».

Это связано с тем, что электроны с возбужденных уровней не сразу попадают на основной.

Изначально электроны переходят с более высоких уровней на менее, но которые являются также возбужденными. Переходы сопровождаются потерей части энергии, которая переходит в тепло. Электроны должны перейти на самый низкий возбужденный уровень (S₀^*-уровень), с которого могут возвращаться на основной (S₀-уровень). Квант люминесценции выделяется при этом переходе, при этом часть энергии растрачена, поэтому длина волны кванта люминесценции будет больше.

Возбуждение молекулы, которое происходит при флюоресценции, длится 10^-9-10^-8 c, поэтому ее можем наблюдать в момент освещения, ибо период возбуждения имеет короток.

Процесс фосфоресценции связан с переходом электронов с триплетного уровня (Т-уровень) на основной (S₀-уровень), что длится от 10^-3 с до нескольких секунд. Триплетный уровень располагается ниже минимального возбужденного S₀^*. Электроны при поглощении энергии не попадают на триплетный уровень, а могут попадать на него при переходе с нижнего возбужденного. При этом электрон меняет свой спин на противоположный. На уровне появляются не спаренные электроны, переход с триплетного уровня на основной сопровождается высвечиванием кванта, при этом квант будет иметь еще большую длину волну, чем при флюоресценции.

Процессы люминесценции оцениваются квантовым выходом - отношение количества квантов люминесценции к числу поглощенных квантов, φ = n / N.

Закон Вавилова устанавливает: «Квантовый выход люминесценции не зависит от длины волны света, вызвавшего люминесценцию».

Изучение спектров люминесценции позволяет судить о величине квантов энергии, запасаемых в молекуле, рассчитать положение энергетических уровней, определить время возбужденного состояния по скорости появления и ухода люминесценции, исследовать состояние вещества.

При химических реакциях может высвобождаться энергия, достаточная для высвечивания кванта люминесценции – хемилюминесценция – свечение молекул, сопряженное с химическими реакциями:

1. биохемилюминесценция;

2. фотохемилюминесценция - наблюдается при обратных фотохимических реакциях.

 

Светлячки, грибы, морские организмы обладают биохемилюминесценцией, которая связана с ферментативными процессами.

Связано свечение с веществами люцеферинами, которые приобретают свойство свечения при действии фермента люциферазы. Свечение происходит, когда энергия АТФ в присутствии кислорода и ионов магния переходит с люциферазы на люциферин.

При исследовании процессов в биологических объектах было обнаружено слабое свечение. Гурвич 1924 год обнаружил свечение в корешках лука, что усиливало процессы митоза в других клетках (митогенетические лучи). Тарусов выявил процессы свечения при неферментативном окислении липидов. Обнаружено свечение митохондрий при нарушении их нормальной функции. Изучение биолюминесценции позволяет исследовать состояние молекул на молекулярном и субмолекулярном уровне.

 

Миграция энергии

 

Миграция энергии – безизлучательная передача энергии от молекулы к молекуле на расстояние, значительно превышающее межатомные, происходящее без растраты в тепло и без кинетических соударений донора и акцептора.

Рассматривают в миграции три теории:

1. электронная теория (экситонная) - наблюдается в кристаллических структурах. В составе кристаллических решеток обнаружены электроны, которые не принадлежат определенным атомам кристалла, являются общим компонентом кристаллов, образуют энергетические уровни проводимости. При поглощение кванта электроны могут переходить на другой уровень, при этом освобождается место, образуется пара «электрон – дырка», что получило название экситон. При действии фотона электрон перемещается по более высокому энергетическому уровню в кристалле до атома, которому передает энергию, а затем возвращается к своему положению.

Миграция была обнаружена в кристаллах сернистого цинка с примесью атомов меди, при этом энергию поглощают сера и цинк, а свечение осуществляется за счет меди, свечение происходит на расстояние 50 ангстрем.

Белки имеют упорядоченную структуру, по мостикам могут передаваться энергия. Блюменфельд и Кальмансон обнаружили в аминокислотах и белках свободные электроны. Бюхер и Касперсон объясняют миграцию электронов в осуществлении дыхательной функции при участии цитохромов, в которых изменяется валентность атомов железа. Миграция происходит по протеиновым мостикам, энергия передается за счет электронов;

 

2. резонансная теория была предложена Вавиловым и Перреном. Считали, что не требуется кристаллической структуры для миграции энергии, но необходимо, чтобы донатор энергии обладал способностью к люминесценции. Спектр поглощения донатора должен перекрываться спектром поглощения акцептора, но при этом максимум поглощение должен у донатора находиться в более коротковолновой части, то есть более донатор должен иметь более высокий энергетический уровень. Расстояние не должно превышать 10 нм между донатором и акцептором. Молекулы вступают в резонансные отношения друг с другом и осуществляется передача энергии:

A + hv = A^*, A^* + B = A + B^*;

3. протонная теория была предложена Теренином и Красновским, которые пологали, что миграция энергии происходит вибрационным путем по цепочкам молекул. Энергия распространяется по белковой цепочке до протонов, которые образуют мостики водородной связи, при этом квант энергии расходуется на образование аксония. Протон взаимодействует с молекулой воды в сольватной оболочке, образуется Н₃О (аксоний), который нестабилен и распадается на воду и протон, который несет энергию далее. Так происходит передача энергии.

 

Мембраны

Морфологическими и физиологическими исследованиями было показано, что большую роль в функционировании клетки играет клеточная мембраны.

 

Мембранные структуры: ядро, комплекс Гольджи, ЭПС и т.д.

 

Мембрана - это тонкая структура толщиной 7 нм. По своему химическому составу мембрана содержит 25% белков, 25% фосфолипидов, 13% холестерин, 4% липиды, 3% углеводы.

В структурном отношении основу мембраны составляет двойной слой фосфолипидов. Особенностью молекул фосфолипидов является то, что в своем составе они имеют гидрофильную и гидрофобную части. Гидрофильные части содержат полярные группы (фосфатные группы в фосфолипидах и гидроксидные в холестеринах). Гидрофильные части направлены к поверхности. А гидрофобные (жирные хвосты) направлены к центру мембраны.

Молекула имеет два жирных хвоста, и эти углеводородные цепи могут находится в двух конфигурациях. Вытянутые - транс-конфигурация (цилиндр 0.48 нм). Второй вид - гош-транс-гош конфигурация. В этом случае два жирных хвоста расходятся и площадь увеличивается до 0.58 нм.

Молекулы липидов в нормальных условиях имеют жидкокристаллическую форму. И в этом состоянии они обладают подвижностью. Причем они могут, как передвигаться внутри своего слоя, так и переворачиваться. При понижении температуры происходит переход из жидкого состояния мембраны в желеобразное, и это уменьшает подвижность молекулы.

При движении молекулы липидов образуются микрополоски, которые называются кингами, в которые могут захватываться вещества. Липидный слой в мембране является барьером для водорастворимых веществ, но зато пропускает жирорастворимые вещества.

В составе мембраны кроме липидов имеются еще белковые молекулы. В основном это гликопротеины.

Интегральные белки проходят через оба слоя. Другие белки частично погружены либо в наружный, либо во внутренний слой. Они носят название периферических белков.

 

Данная модель мембраны называется жидко-кристалической моделью. Функционально белковые молекулы выполняют структурную, транспортную, ферментативную функции. Кроме того, они образуют ионные каналы с диаметром от 0.35 до 0.8 нм в диаметре, через которые могут проходить ионы. Каналы имеют свою специализацию. Интегральные белки участвуют в активном транспорте и в облегченной диффузии.

Периферическим белкам на внутренней стороне мембраны характерна ферментативная функция. На внутренней стороне - антигенная (антитела) и рецепторная функции.

 

Углеродные цепи могут присоединятся к белковым молекулам, и тогда образуются гликопротеинами. Или к липидам, тогда они называются гликолипидами.

 

Основными функции клеточных мембран будут являться:

1. Барьерная функция

2. Пассивный и активный перенос веществ.

3. Метаболическая функция (благодаря наличию в них ферментных систем)

4. Мембраны участвуют в создании электрических потенциалов в состоянии покоя, а при возбуждении - токов действия.

5. Рецепторная функция.

6. Иммунологическая (связана с наличием антигенов и выработкой антител).

7. Обеспечивают межклеточное взаимодействие и контактное торможение.

При контакте однородных клеток возникает торможение деления клеток. Эта функция утрачивается у раковых клеток. Кроме того, раковые клетки вступают в контакт не только со своими, но и с другими клетками, заражая их.