Предмет и задачи квантовой биофизики.

Ф КГМУ 4/3-04/04

ИП №6 от 14 июня 2007 г.

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра медицинской биофизики и информатики

Лекция

Тема: Закономерности поглощения света биологическими системами

Спектрофотометрические методы исследования

Взаимодействие электромагнитных волн с веществом

Дисциплина ООD 012 МВ 1112 «Медицинская биофизика»

Специальность 130100 «Общая медицина»

Курс – 1

Время (продолжительность) 1ч.

Караганда 20015 г.

 

Обсуждена и утверждена на заседании кафедры

"____"__________200___г. Протокол №_____

Заведующий кафедрой проф. ______________ Б.К. Койчубеков

Тема: Закономерности поглощения света биологическими системами

Спектрофотометрические методы исследования

Взаимодействие электромагнитных волн с веществом

Подтема: Закономерности поглощения света биологическими системами

Цель: Дать студентам понятия о предмете и задачах квантовой биофизики. Определить основные физические закономерности взаимодействия света и молекулярных систем. Показать возможности расчета конформаций молекул и их изменений с помощью методов спектрометрии поглощения. Определить возможности спектроскопии поглощения в медико-биологических исследования.

ПЛАН лекции

1. Предмет и задачи квантовой биофизики.

2. Электронные переходы в биологически важных молекулах.

3.Электронные уровни в молекуле.

3.1. Время жизни состояния.

4. Поглощение света биосистемами. Электронные спектры поглощения.

4.1. Закон бугера - ламберта - бэра

5. Энергетические структуры полипептидных цепей.

6. Люминесценция.

6.1. Квантовый выход флуорисценции

6.2.Характеристика триплетного состояния

6.2.1.Триплетнный уровень и фосфоресценция

7. Миграция энергии и ее виды.

Тезисы лекции:

КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Биомолекул

 

Качественный спектрофотометрический анализ.

Качественный анализ вещества предполагает, во-первых, молекулярный анализ – обнаружение в веществе определённых молекул, во-вторых, структурный анализ – обнаружение отдельных структурных фрагментов и определение их взаимного расположения.

Качественный спектрофотометрический анализ основан на том, что каждое соединение имеет характерный для него спектр поглощения. Положение и интенсивность полос поглощения вещества определяется содержащимися в нём хромофорными группами.

Для отождествления измеренного спектра поглощения со спектром какого-либо вещества определяют следующие параметры (слайд 6):

1) количество максимумов в спектре поглощения;

2) спектральное положение максимумов (l_max) полос поглощения;

3) полуширину полос поглощения (Dl_1/2) - разность между двумя длинами волн, при которых оптическая плотность составляет половину от максимальной;

4) амплитуду максимумов (e ^max);

5) отношение амплитуд максимумов (e₁^max / e₂^max).

При этом необходимо помнить, что экспериментальные условия, при которых проводятся абсорбционные измерения, существенным образом влияют на форму спектра поглощения. Так, в частности, все перечисленные выше параметры могут изменяться в зависимости от рН среды, ее температуры, полярности растворителя, концентрации исследуемого вещества и т.д.

Далее спектр исследуемого соединения сравнивают с полученным при таких же экспериментальных условиях спектром данного соединения, приведённым в литературе или с полученным ранее с использованием заведомо известного образца. Наличие в исследуемом спектре всей совокупности полос с совпадающими с точностью до 1 нм положениями максимумов и до 10% значениями максимальных коэффициентов экстинкции свидетельствует о тождественности исследуемого и сравниваемого соединений. Появление лишних полос или увеличение интенсивности отдельных максимумов может быть вызвано присутствием примесей в исследуемом растворе.

Спектральные характеристики отдельных хромофорных групп сильно отличаются по величине. Поэтому для обнаружения определённых функциональных групп следует записывать спектры таких растворов, концентрация которых даёт возможность получить искомую полосу с оптимальной оптической плотностью в пределах 0,2 – 0,8. При использовании стандартных сантиметровых кювет концентрации (С) можно подбирать из соотношения С» 0.43 / e ^max.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физика и биофизика: руководство к практ. занятиям: учеб. пособие / В. Ф. Антонов [и др.]. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 336 с.

2. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. СПб.: СпецЛит, 2004. –496 с.

3. Рубин А.Е. Биофизика. Т1, Т2 М.: Университет «Книжный дом», 2004.

4. Физика и биофизика: Учебник / В. Ф. Антонов, Е. К. Козлова, А. М. Черныш. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 472 с.: ил.

5. Физика и биофизика. Краткий курс: Учебное пособие для вузов / В. Ф. Антонов, А. В. Коржуев. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. - 256 с.: ил.

6. Физика и биофизика: Курс лекций для медвузов / Антонов, Валерий Федорович, Коржуев А.В. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. - 236 с.

7. Медицинская и биологическая физика: Учеб.для вузов / Ремизов, А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. - 7-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2007. - 558 с.: ил. - (Высшее образование).

8. Медицинская и биологическая физика: учеб. для вузов / А. Н. Ремизов, А. Г. Максина, А. Я. Потапенко. - 10-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2011. - 558 с.: ил.

9. Учебник по медицинской и биологической физике / Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. - Изд.5-е, стереотип.6-е изд., стер. - М.: Дрофа, 2004, 2005. - 560 с.: ил.

10. Медицинская и биологическая физика: Курс лекций с задачами: Учеб. пособие / В. Н. Федоров, Е. В. Фаустов. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010, 2008. - 592 с.

11. Физика и биофизика: учебник для вузов / В.Ф Антонов [и др.]. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 480 с.: ил.

 

Контрольные вопросы (обратная связь):

1. Каковы предмет и задачи квантовой биофизики.

2. Охарактеризуйте электронные переходы в биологически важных молекулах.

3. Электронные уровни в молекуле. Время жизни состояния.

4. Поглощение света биосистемами. Электронные спектры поглощения.

5. Охарактеризуйте Закон Бугера - Ламберта - Бэра и его практическое значение.

6. Каково практическое значение Триплетного уровня

 

Ф КГМУ 4/3-04/04

ИП №6 от 14 июня 2007 г.

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра медицинской биофизики и информатики

Лекция

Тема: Закономерности поглощения света биологическими системами

Спектрофотометрические методы исследования

Взаимодействие электромагнитных волн с веществом

Дисциплина ООD 012 МВ 1112 «Медицинская биофизика»

Специальность 130100 «Общая медицина»

Курс – 1

Время (продолжительность) 1ч.

Караганда 20015 г.

 

Обсуждена и утверждена на заседании кафедры

"____"__________200___г. Протокол №_____

Заведующий кафедрой проф. ______________ Б.К. Койчубеков

Тема: Закономерности поглощения света биологическими системами

Спектрофотометрические методы исследования

Взаимодействие электромагнитных волн с веществом

Подтема: Закономерности поглощения света биологическими системами

Цель: Дать студентам понятия о предмете и задачах квантовой биофизики. Определить основные физические закономерности взаимодействия света и молекулярных систем. Показать возможности расчета конформаций молекул и их изменений с помощью методов спектрометрии поглощения. Определить возможности спектроскопии поглощения в медико-биологических исследования.

ПЛАН лекции

1. Предмет и задачи квантовой биофизики.

2. Электронные переходы в биологически важных молекулах.

3.Электронные уровни в молекуле.

3.1. Время жизни состояния.

4. Поглощение света биосистемами. Электронные спектры поглощения.

4.1. Закон бугера - ламберта - бэра

5. Энергетические структуры полипептидных цепей.

6. Люминесценция.

6.1. Квантовый выход флуорисценции

6.2.Характеристика триплетного состояния

6.2.1.Триплетнный уровень и фосфоресценция

7. Миграция энергии и ее виды.

Тезисы лекции:

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ КВАНТОВОЙ БИОФИЗИКИ.

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.