Квантовая биофизика

Квантовая биофизика

Квантовая биофизика

Роль и место проблематики  биофизики воды как науки

Современные биологические и медицинские науки охватывают широкий спектр дисциплин, направленных на решение проблем сохранения устойчивости биосферы и поддержания здоровья человека в условиях роста антропогенной нагрузки.

Среди них выделяется относительно новая дисциплина как биофизика, имеющая такие направления как  биофизика сложных систем, молекулярная биофизика, биофизика клетки и мембранных процессов, биофизика фотобиологических процессов, радиационная биофизика и другие.

Обобщенно можно сказать, что биофизика:

  • это раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом;
  • это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации, и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов.

Подобные определения науки биофизики отражают постулат о белке как первооснове жизни, в построении которого принимают участие  аминокислоты, соединённые в цепь амидными  связями.

В данном определении, также как и в сложившихся представлениях о биофизике как науке, не упоминается вода и создается обманчивое впечатление,  что белок может существовать сам по себе, то есть без воды.

В то же время обезвоженные пептиды представляют собой бесструктурную массу черного цвета и только вода придает пептидам признаки живой материи и свойства структурной упорядоченности.

Таким образом, современная биофизика занята изучением «мертвой» материи, хотя оперирует таким базовым понятиям как протоплазма, не мыслимая без воды. Однако  формальное признание важности воды для биологической жизни не означает понимания ее роли в ее возникновении и поддержании.

В этом отношении показательны экспериментальные работы по действию сверхмалых доз вещества, переносу биологически-активной фармакологической информации, включая  генетическую. Многочисленными экспериментами установлены факты влияния зарядового состояния воды на активизацию метаболических процессов, индукцию колебательных состояний ферментов и клеточных органелл.

Так, ион-кристаллические ассоциаты пероксид анион-радикала осуществляют управление клеточным циклом.    Каковы же механизмы регуляторного действия пероксид анион-радикалов?

В настоящее время в качестве регулятора метаболической активности рассматривается молекулярная перекись водорода.

Ее регуляторная роль опосредуется через электрон – донорную активность NADPH – оксидазы и вовлекает также процессы фосфорилирования, действие протеин – киназ, транскрипцию регуляторных белков, осуществляемую ДНК.

Транскрипционные факторы активируются плазматической перекисью водорода через активацию ядерного фактора NF-kB, протекающую в условиях глутатион — регулируемого редокс – статуса.

Регуляторные митоген — активированные протеин – киназы (МАР – киназы) также активируются Н2О2 и приводят к модуляции генной экспрессии. Активация факторов транскрипции JAK/STAT (Janus kinase/signal transducers and activators of transcription) происходит под действием Н2О2, которая оказывает влияние на ядро клетки.

Однако регуляторная роль перекиси водорода не может быть сведена исключительно к биохимическим реакциям индукции вторичных регуляторных посредников, либо поддержанию редокс – статуса клеток.

Установленный факт запаздывания генной экспрессии в генетических процессах (Bratsun D.

) не может быть объяснен с классических биохимических позиций, что требует применения в анализе регуляторных функций перекиси водорода представлений о кооперативном макроскопическом квантовом поведении фазы ассоциированной воды, в которой перекись водорода находится в анион-радикальной форме в виде ассоциатов.

В последние годы авторами проведены исследования влияния перекиси водорода на состояние воды и клеточную активность.

Было показано, что в диапазоне физиологических концентраций перекись водорода сильно изменяет состояние среды: уменьшаются значения водородного показателя, редокс-потенциал увеличивается на 60мВ.

При этом уменьшается электропроводимость раствора и увеличивается доля фазы ассоциированной воды, что обусловлено ростом размеров ассоциатов.

Методом люминол – геминовой хемилюминесценции в растворах перекиси водорода установлена особая концентрационная точка при концентрации 45мкг/л – точка фазового перехода, ниже которой (по концентрации) перекись водорода существует исключительно в анион-радикальной форме (рисунок 1).

Рисунок 1 — Зависимость параметров люминол–геминовой хемилюминесценции (светосумма за 100 сек экспозиции –верх, время достижения максимальной интенсивности хемилюминесценции — низ) в растворах перекиси водорода

В этой точке ассоциаты способны к фазовой неустойчивости – распаду фазы, сопровождающемуся переходом фазы ассоциированной воды в свободную воду с генерацией свободных радикалов и переконденсацией электронов на другие центры захвата.

Фазовая неустойчивость – распад фазы, сопровождающийся переходом фазы ассоциированной воды в свободную с генерацией свободных радикалов и переконденсацией электронов на другие центры захвата

          Σ [НО2-(*)…ОН-(*)(Н2О)тp]q → qНО2*+ qОН*+ p·q(Н2О) +Σ2е—

Репликативная активность клеток лимфоцитов крови человека (IR) в окрестности фазового перехода испытывает сильные изменения. При этом индекс репликации клеток находится в высокой корреляционной связи (коэффициент корреляции равен 0,86) с долей фазы ассоциированной воды, представленной пероксидными ассоциатами (рисунок 2).

Рисунок 2 — Репликативная активность клеток лимфоцитов крови человека в растворах перекиси водорода (коэффициент корреляции IR и доли фазы ассоциированной воды qср (уровень Dq = 0,4…0,6% ) К корр. = 0,86)

В биологических средах в присутствии катализаторов фазовый переход четко проявляется во временной динамике процессов наработки пероксид анион-радикалов. Так, в представленной на графике кривой времени максимума люминол-геминовой хемилюминесценции выделяется пик, соответствующий достижению ассоциатами максимальных размеров.

Рисунок 3 — Динамика времени максимальной интенсивности (I макс) люминол – геминовой хемилюминесценции в присутствии в воде витамина В12

Аналогичные процессы протекают в клетках с участием комплексов цитохрома С с ассоциированной водой.

Прежде, чем перейти к рассмотрению клеточной регуляторной роли пероксидных ассоциатов необходимо кратко остановиться на некоторых моментах коллективного квантового состояния зарядов, находящихся в когерентном состоянии.

В квантовом представлении коллективное состояние электронов (макроскопический волновой пакет) может быть перенесено на иные центры зацепления электронов в виде последовательности дробных возрождений.

Дробные возрождения – это часть волнового пакета, несущая полный набор состояний исходного (материнского) волнового пакета.

Через формирование дробных возрождений заряды могут переноситься в пространстве и времени.

где:

 – делокализованное состояние в области W (область локализации  макроскопического  волнового пакета из n электронов);

 — дробные возрождения макроскопического волнового пакета на центрах пиннинга (зацепления).

Волновой пакет является единым целым, рассредоточенным (делокализованном) состоянием по всей пространственно – временной области коллективного движения электронов.

Универсальное свойство дробных возрождений — функция выживания квантового макроскопического состояния электронов. Она показывает, какая часть волнового пакета вернулась в исходное положение (при распаде квантового состояния).

В результате переноса электронов (квантовой конденсации) электронов на воду или ее растворы система становится электрически неравновесной и переходит в осцилляционный режим, протекающий с периодическими изменениями своего равновесного редокс-состояния.

Рассмотренные квантовые процессы позволяют с новых позиций подойти к рассмотрению движущих сил работы митохондрий, активность которых в клеточных метаболических процессах оказывается определяющей.

Согласно квантовым представлениям движущей силой работы протонного насоса и системы окислительного фосфорилирования митохондрий являются процессы гидратации и дегидратации коферментов и железопротеинов в процессе управляемой электронами (делокализованным состоянием) кето-энольной таутомерии и квантовой конденсации электронов на парамагнитном кислороде.

Источник: http://bioactivwater.com/ru/kvantovaya-biofizika/

Предмет и задачи квантовой биофизики

Квантовая биофизика

Квантовая биофизика изучает электронную структуру биологически важных молекул, электронные переходы в этих молекулах и пути превращения энергии возбужденного состояния молекул в энергию их продуктов.

Квантовая биофизика рассматривает ряд конкретных вопросов.

1. Структуру электронных энергетических уровней молекул.

2. Донорно-акцепторные свойства биомолекул.

3. Электронные переходы при поглощении света веществом.

4. Свойства свободных радикалов и механизмы свободно-радикальных процессов.

5. Химические превращения электронно-возбужденных молекул, природу первичных фотопродуктов и их реакционную способность.

6. Механизмы хемилюминисценции, связанной с превращением энергии, выделяющейся в ходе биохимических реакций в энергию электронно-возбужденных состояний.

Методы кван­товой биофизики имеют важное диагностическое и науч­но-практическое значение в медицине. К ним относятся все методы спектрофотометрии, люминесцентный анализ, фотохимические методы, ЭПР-спектрометрия, хемилюминисценция и др.

2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ В БИОЛОГИЧЕСКИ
ВАЖНЫХ МОЛЕКУЛАХ.

Каждый электрон в молекуле находится на определенной орбитали и обладает определенной энергией (слайд 1). Таким образом, в молекуле существует система электронных энергетических уровней. Для химических и оптических свойств молекулы наиболее важны два уровня это верхняя (по энергии) заполненная молекулярная орбиталь и нижняя свободная молекулярная орбиталь.

Значение энергии верхней заполненной орбитали определяет энергию потенциала ионизации молекулы, а следовательно и отдавать электроны (донорные свойства). Потенциалом ионизации называют энергию, которую необходимо затратить, чтобы оторвать электрон от моле­кулы.

Чем выше энергия верхней заполненной молекулярной обитали, тем ниже потенциал ионизации молекулы и тем лучший она донор электронов.

Энергия нижней свободной орбитали определяет акцепторные свойства. Количественно акцепторные свойства характеризуются электронным сродством, которое равно количеству энергии, освобождающейся при переносе свободного электрона из бесконечности на незанятую электронную орбиталь.

На каждом заполненном энергетическом уровне могут находиться только два электрона, имеющие противоположные спины (собственные магнитные моменты).

Таким образом, в молекулярной структуре возможно перемещение электроном по подуровням. Для этого электрон должен получить дополнительную энергию, например в виде кванта света (фотона).

Фотон представляет собой частицу масса покоя которой равна 0. Это электромагнитная волна, распространяющая со скоростью 300 000 м/с, характеризующаяся длиной волны или частотой колебания.

Энергия такой волны прямо пропорциональна скорости света и обратно пропорциональна длине (слайд 2).

При скорости света, скорости перемещения фотона, имеет место обратная зависимость импульса фотона только от длины волны (слайд 3)

Если молекуле сообщить энергию, например, в виде кванта света, то поглощение его переводит молекулу в возбужденное состояние в результате переброски одного электрона на более высокий энергетический уровень. Обратный переход из возбужденного состояния в основное может сопровождаться испусканием кванта света – люминесценции (слайд 4,слайд 5)

Чаще всего таким фотоэлектроном сложных органических молекул является p-электрон, участвующий в образовании системы делокализованных двойных сопряженных связей молекулы (слайд 5 )

3. ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА БИОСИСТЕМАМИ. ЭЛЕКТРОННЫЕ
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ.

Способность молекул поглощать свет лежит в основе спектрофотометрии, широко используемой в биологии и медицине для качественного и количественного анализа и для выяснения химической структуры вещества.

В конечном счете все оптические и спектрофотометрические свойства молекул, дающие информацию об их строении определяются расстоянием между энергетическими уровнями молекулы и вероятностями перехода между ними. Эти уровни отвечают различным электронным, колебательным и вращательным состояниям молекул.

Электронные переходы полипептидных и полинуклеотидных цепей и, тем самым, белков и нуклеиновых кислот расположены в ультрафиолетовой области спектра (слайд 6.)

Несмотря на большую сложность макромолекул, в них содер­жатся отдельные составные элементы — хромофоры, обладающие определенными индивидуальными структурными и спектральными ха­рактеристиками.

Пептидная группа >СО – NH – основной характеристический хромофор полипептидных цепей дает полосу поглоще­ния при 190 нм, обусловленную p—p* переходом (слайд 7). Другой хромофорной группой является карбонильная группа — С = О, сущест­вующая у всех аминокислот.

Образование такого типа связи представлено на примере формальдегида (слайд 7,8),

В поглощение в ультрафиолетовой об­ласти спектра вносят свой вклад не только p—p* переходы, но и так называемые n—p* переходы.

Они обусловлены тем, что на р-орбитали (n-уровень) кислорода расположена не поделенная пара электронов, не участвующая в образовании связи с уг­леродом (слай.

Поглощение света в области 225 нм вызывает n—пи* -переходы, в результате которых электрон от не поделенной пары электронов кислорода попадает на разрыхляющую p*-орбиталь. (Слайд 9,10)

Однако основными хромофорами белка являются остатки аро­матических аминокислот: триптофан и в меньшей степени тирозин и фенилаланин. Спектр поглощения триптофан, обусловленный его индольным кольцом, с системой сопряженных связей, обладает двумя полосами поглощения при 220 и 280 нм.

В нуклеиновых кислотах основными хромофорами являются пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин и тимин и ДНК, цитозин и урацил из РНК) азотистые основания нуклеотидов. Наряду с пи—пи* переходами (основная полоса при 260 нм) вклад в общее поглощение дают и n — p* переходы («плечи» в области 280-320 нм) с участием не поделенной пары электронов гетероатомов азота и кислорода.

Дата добавления: 2015-08-14; просмотров: 699; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/4-84032.html

ISSN 1996-3955 ИФ РИНЦ = 0,570

Квантовая биофизика
1 Гавриленкова И.В. 1 1 Московский педагогический государственный университет 1. Биофизика: Учеб. для. студ. высш. учеб. заведений. – М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 1999. – 288 с. ISBN 5-691-00338-0
2. Владимиров Ю.А. Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Деев А.И. Биофизика: Учебник. – М.: Медицина, 1983. – 272 с.
3. Волькенштейн М. В.Биофизика: учебное руководство. – 2-е изд., перераб. и доп.

– М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.,1988 г.
4. Волькенштейн М.В. Общая биофизика: монография. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1978 г.
5. Журавлев А.И. Квантовая биофизика животных и человека: учебное пособие / А.И. Журавлев. – 4-е изд. , перераб. и доп. – М.: БИНОИ. Лаборатория знаний, 2011. – 398 с. ISBN 978-5-9963-0448-6
6. Рубин А.Б. Биофизика: В 2 т. Т.2.

: Биофизика клеточных процессов: Учебник для вузов. – 2-е изд. испр. и доп. – М.: Книжный дом «Университет», 2000. – 468 с.: ил. ISBN 5-8013-0047-3.

Для реализации новых образовательных стандартов разработан профессионально-ориентированного курс «Квантовая биофизика для врача», разработанный на основе продуктивно-деятельностного подхода к обучению в системе непрерывного естественнонаучного образования. Приведем пример.

«Квантовая биофизика является одним из основных направлений развития современной биофизики, которая осуществляет комплексную интеграцию естественных наук – физики, химии и биологии.

Существуют разные определения биофизики.

Так, например, по мнению А.И. Журавлева, квантовой «биофизикой (квантовой биологией) является раздел биологии, изучающий участие в метаболизме эндогенных электронных возбужденных состояний (ЭВС) и излучаемых ими квантов света» [5, с.3].

Согласно определения авторов Ю.А. Владимирова, Д.И. Рощупкина, А.Я. Потапенко и А.И. Деева, «биофизика – одна из фундаментальных биологических дисциплин» [2, с. 3]

Биофизику трактуют и как физику «явлений жизни, изучаемых на всех уровнях, начиная с молекул и клеток и кончая биосферой в целом», «сложных макроскопических молекулярных систем – клеток и организмов» [3, с. 9].

Более широкое определение дается в учебнике «Биофизика» – «наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических явлений» [1, с. 5].

И можно встретить даже такое ироничное определение, как «Биофизика – это работа врача с прибором, устройство которого слишком сложно для его понимания [4, с. 9].

Предметом изучения в квантовой биофизике служат, прежде всего, такие физические процессы, как:

  • электронная структура биологически важных молекул;
  • электронные переходы в биологически важных молекулах;
  • пути превращения энергии возбужденного состояния молекул в энергию их продуктов» [2, с. 30].

Как известно, любое биофизическое исследование требует выделения физических явлений и процессов в биологических объектах.

Так, например, Ю.А. Владимиров, Д.И. Рощупкин, А.Я. Потапенко и А.И. Деев считают, что квантовая биофизика должна исследовать:

  • структуры электронных энергетических уровней молекул;
  • донорно-акцепторные свойства биомолекул;
  • электронные переходы при поглощении света веществом и люминесценции;
  • свойства свободных радикалов и механизм свободнорадикальных процессов;
  • химические превращения электронно-возбужденных молекул, природу первичных фотопродуктов и их реакционную способность;
  • механизм хемилюминесценции, связанной с превращением энергии, выделяющейся в ходе биохимических реакций, в энергию электронно-возбужденных состояний [2, с. 30].

В нашем профессионально-ориентированном курсе биофизику мы будем рассматривать как науку, изучающую физические свойства и физические процессы, лежащие в основе функционирования живых организмов.

Однако живые организмы являются достаточно сложными и неоднозначными. Поэтому мы будем использовать обобщенную модель реальных живых организмов с постоянными макроскопическими параметрами (давление, объем, температура), которую назовем биологический объект (БО).

Мы будем описывать физические закономерности, исходя из построенной модели.

Известно, что «модель – это условный образ реального объекта, конструируемый исследователем так, чтобы отобразить характеристика объекта (свойства, взаимосвязи, структурные и функциональные параметры и т.л.), существенные для целей исследования». Выбор модели определяется целями исследования [2, с. 30].

В настоящее время медицине и биологии используют следующие типы моделей: биологические, физические, математические и компьютерные [2, с. 88-89]:

Известно, что биофизика включает в себя молекулярную и квантовую биофизику, биофизику клетки и биофизику органов и сложных систем, патологических состояний.

Таким образом, введем следующее определение: квантовая биофизика – это раздел биофизики, изучающей физические явления и процессы, возникающие при взаимодействии микрообъектов с биологическими объектами.

Как видно из определения, основу квантовой биофизики составляют понятия о микрообъектах и о биологических объектах.

Определим термин «микрообъект».

Микрообъектами назовем тела, размеры которых находятся в пределах 10-15 – 10-10 м.

Выделим физические тела, размеры которых соответствуют данному определению, и составим следующий перечень микрообъектов: атомы, молекулы, кристаллы, фотон, атомные ядра и элементарные частицы.

Введем понятие биологического объекта, опираясь на следующие определения биофизики, данных М.В. Волькенштейном в разные годы:

«биофизика – это физика явлений жизни, изучаемых на всех уровнях, начиная с молекул и клеток и кончая биосферой в целом» (1981 г.): [4, с. 9].

«биофизика есть физика сложных макроскопических молекулярных систем – клеток и организмов» [3, с. 9].

Как видно из определения, основными биологическими объектами в биофизике выступают молекулы, клетки и сложные системы (биосфера), к которым относится и живой организм.

С точки зрения физики живой организм является открытой термодинамической системой с непрерывным обменом веществом и энергией с окружающей средой.

Из курса физики известно, что термодинамическая система характеризуется следующими макроскопическими параметрами: объем (V), давление (p) и температура (Т).

Итак, дадим следующее определение: «Биологический объект (БО) – обобщенная модель реальных биологических объектов, характеризующаяся постоянными макроскопическими параметрами: давлением, объемом и температурой выше абсолютного нуля».

Согласно волновой теории, свет – это электромагнитная волна.

Электромагнитные волны, расположенные в ряд, составляют «шкалу электромагнитных волн». По данной шкале к электромагнитным волнам оптического диапазона относятся:

• инфракрасные лучи, с длиной волны от 3·105 нм до 780·нм;

• видимый свет, в интервале длин волн 780 нм· – 400·нм;

• ультрафиолетовые лучи от 400 нм– 10 нм;

Причем, свойства этих волн зависят от их длины.

Согласно квантовой теории, свет – это поток квантов (фотонов).

Энергия кванта (фотона) определяется по следующей формуле и зависит от длины волны:

, (1)

где Дж×с– постоянная Планка; λ0 – длина волны в вакууме.

Формула импульса фотона имеет вид:

; (2)

где m – масса частицы; v – скорость частицы.

Как видно из формул (1) и (2) энергия и импульс кванта (фотона) выражены через волновые характеристики (длина или частота волны в вакууме).

Двойственность природы света (корпускулярно-волновой дуализм) состоит в том, что свет является и потоком фотонов, обладающими волновыми свойствами, и электромагнитной волной, в которой, согласно де Бройля, фотон является элементарной частицей света.

Тогда свет – это поток элементарных частиц света – фотонов (квантов), размер которых соответствуют нашему определению микрообъектов квантовой биофизики.

Поэтому свет можно отнести к микрообъектам квантовой биофизики. Причем, корпускулярные характеристики микрообъекта связаны (энергия, импульс) с волновыми (длина или частота волны):

.

Итак, свет – это поток фотонов (квантов).

Библиографическая ссылка

Гавриленкова И.В. ВВЕДЕНИЕ В КВАНТОВУЮ БИОФИЗИКУ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8-4. – С. 114-115;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5708 (дата обращения: 05.03.2020).

Источник: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5708

Введение в квантовую биофизику. Фотобиологические процессы

Квантовая биофизика

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.

Источник: https://megaobuchalka.ru/1/2168.html

Предмет квантовой биофизики

Предметом квантовой биофизики можно назвать:

  • электронную структуру биологически важных молекул;
  • электронные переходы в этих молекулах;
  • пути трансформации энергии возбужденного состояния молекул в энергию их продуктов.

Исследование в квантовой биофизике, как и следовало полагать, начинается с обозначения физических процессов и объектах биологии.

Вопросы, относящиеся к сфере компетенции квантовой биофизики:

  1. Исследование структур электронных энергетических уровней молекул.
  2. Рассмотрение донорно – акцепторных свойств биологических молекул.
  3. Электронные переходы, возникающие при поглощении веществом света и люминесценции.
  4. Какими свойствами наделены свободные радикалы? Каков механизм свободно радикальных процессов?
  5. Как происходят химические превращения молекул, находящихся в электронном возбуждении? Какова природа первичных фотопродуктов и их реакционная способность?
  6. В чем состоит механизм хемилюминесценции, которая связана с преобразованиями экзотермической энергии, при протекании реакций в биохимии?

Значение квантовой биофизики

Решение вопросов, относящихся к компетенции квантовой биофизики, имеет существенное значение для развития медицины, поскольку знание механизмов воздействия ультрафиолета и радиации на живые организмы – это теоретический и практический базис для фото- и фотохемотерапии. Кроме того, использование света очень важно для регуляции процессов нормальной жизнедеятельности организмов.

Некоторые паталогические процессы можно лечить, применяя регулируемые реакции свободных радикалов.

Квантовая биофизика разрабатывает многочисленные методы, которые используются в медицине для диагностики заболеваний и проведения исследовательских работ. Примерами данных методов могут служить:

  • спектрометрия – качественный и количественный метод анализа и выяснения химической структуры вещества на основе способности молекулы поглощать свет;
  • люминесцентный анализ, применяемый для качественного и количественного анализа и исследования структуры и функций биосистем разного уровня сложности;
  • методы фотохимии;
  • хемилюминесценция и др.

Строение молекул с точки зрения квантовой механики

Процессы, происходящие внутри молекулы, сопровождаются электронными переходами, логично предположить, что для их описания можно использовать аппарат квантовой механики.

Суммарную энергию молекулы $(E)$ можно представить как сумму:

$E=E_{el}l+E_{kol}+E_{vr }(1)$, где:

  • $E_{el}$ – электронная составляющая энергии;
  • $ E_{kol}$ – энергия колебаний;
  • $ E_{vr} $ – энергия вращения.

Чаще всего $E_{el}\gg{E_{kol}}\gg{E_{vr}}$.

Если систему рассматривают в условиях термодинамического равновесия, то вероятность $ (p) $ заселения $ i $– го энергоуровня можно определить, используя распределение Больцмана для дискретной энергии:

$p=\frac{1}{Z}g_ie{-\left(\frac{E_i}{k_bT}\right)}\left(2\right)$, где:

$g_i $ – статистический вес (кратность вырождения $i$ – го энергоуровня или количество разных состояний молекулы, имеющих энергию равную $E_i$),

$Z=\sum_ig_ie{-\left(\frac{E_i}{k_bT}\right)} $ – статистическая сумма.

Поскольку $ E_{kol}≥k_bT$, возбужденные колебательные уровни заселены при высоких температурах. Энергия, которая необходима для изменения электронного уровня молекулы: $E_{el}≫k_b T,$

Следовательно, при комнатной температуре все молекулы локализованы на нижнем энергоуровне. Спектральные свойства молекулы определены переходами между энергоуровнями, в первую очередь – электронными.

Положение электрона в пространстве определяет волновая функция $ Ѱ(x,y,z)$, где $x, y, z$ – координаты в пространстве. $ |Ѱ(x,y,z)|2$ – вероятность пребывания электрона в объеме $dxdydz$:

$p_i=|Ѱ(x,y,z)|2 dxdydz(3)$

Для того чтобы определять энергии стационарных состояний системы используют уравнения Э. Шредингера, которое связывает энергию электронной системы с волновой функцией. Для одного электрона в стационарном состоянии уравнение Шредингера имеет вид:

$\frac{{\hslash{}}2}{2m}\left(\frac{{\partial{}}2Ѱ}{\partial{}x2}+\frac{{\partial{}}2Ѱ}{\partial{}y2}+\frac{{\partial{}}2Ѱ}{\partial{}z2}\right)$ $+U (x,y,z)Ѱ=EѰ(4)$, где:

  • $ U (x,y,z) $– потенциальная энергия электрона;
  • $E $– полная энергия системы.

Решение уравнения Шредингера дает возможность вычислить электронные волновые функции (электронные орбитали) и соответствующие им величины энергий.

Изучение уравнения (4) показало, что для некоторого числа моделей, оно решается только при определенных дискретных величинах энергии $ E_1, E_2,…E_n.$ Такие значения энергии называют собственными значениями, соответствующие им волновые функции именуют собственными функциями.

Собственные $Ѱ$ функции уравнения (4) предназначены для описания стационарных состояний, относящихся к собственным квантовым значениям энергии.

Если рассматриваются нестационарные задачи, то волновая функция приобретает зависимость от времени: $Ѱ=Ѱ(x,y,z,t)$.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/biofizika/kvantovaya_biofizika/

Booksm
Добавить комментарий