Взаимодействие квантов света с биологически важными соединениями

Законы фотохимии

1. Фотохимические изменения происходят только под действием света, поглощаемого системой

2. Каждый поглощенный фотон в первичном акте способен активировать только одну молекулу.

Следующие два закона относятся в основном к фотохимии органических соединений:

1. При поглощении каждого фотона молекулой электрон вероятнее всего перейдёт либо на самое нижнее синглетное состояние, либо самое нижнее триплетное состояние.

2. В большинстве органических фотохимических процессов, протекающих в растворах, участвует либо первое возбужденное синглетное, либо первое возбужденное триплетное состояния.

 

Для того чтобы раствор или вещество поглощали энергию падающего пучка света, необходимо выполнение ряда условий.

1. Молекула поглощает энергию фотона только целиком, а не по частям. Соблюдение энергетических условий. Поэтому частота поглощаемого излучения (υ) должна быть такой, при которой вся энергия кванта света пошла бы на перевод молекулы в возбуждённое состояние, иначе свет не поглощается.

2. Для поглощения молекулой пигмента света он должен попадать под определённым углом к светопоглошающей группировке молекулы.

3. Наиболее вероятны (интенсивны) только синглет-синглетные или триплет-триплетные переходы. Поглощение атомами энергии фотона характеризуется отдельными линиями в спектре, отражаю­щими электронные переходы. Каждый электрон в молекуле находится на определенной орбитали и обладает определенной энергией, поэтому в молекуле существует система электронных энергетических уровней.

При поглощении кванта света молекулой электрон переходит с нижнего основного уровня на возбужденный уровень. Так как при возбужде­нии (светопоглощении) электрон переходит с нулевого колебатель­ного подуровня основного состояния на различные колебательные подуровни возбужденного состояния, то спектр поглощения молекулы описы­вается не линией, как в атомах, а полосой (слепком колебательных подуровней возбужденного состояния).

Поглощение света внешне проявляется в ослаблении светового потока после прохождения через исследуе­мый объект. С помощью приемника излучения (фотоумножитель, фотоэлемент) можно определить, во сколько раз интенсивность све­та перед образцом (например, кюветой с раствором белка, нуклеиновой кислоты и т.д.) окажется больше интенсивности света, про­шедшего через раствор.

Измеренная спектрофотометром величина светопропускания не зависит от интенсивности света, но зависит от длины вол­ны и может служить характеристикой данного образца. Однако величина светопоглощения не пропорциональна концентрации раствора, а связаны с концентрацией и толщиной кюветы более сложной (экспоненциальной) зависимостью. Поэ­тому для характеристики поглощения вещества и определения его концентрации используют другую величину - оптическую плот­ность образца (D).

Для расчёта оптической плотности используют уравнение Бугера-Ламберта-Бера:

I₀ - интенсивность све­та перед образцом;

I - интенсивности света, про­шедшего через раствор;

С - концентрация образца;

l - толщина кюветы;

ε- молярный коэффициент экстинкции (поглощения) л/моль∙см.

Раствор с концентрацией 1 моль/л в кювете толщиной 1 см имеет оптическую плотность D, равную ε.

Молярный коэффициент поглощения не зависит от условий из­мерения и характеризует способность молекул данного вещества поглощать свет той или иной длины волны. Измерив оптическую плотность раствора в кювете толщиной 1 см, по значению молярного коэффициента экстинкции можно оп­ределить концентрацию раствора (моль/л): С = D/ε

Величины ε и D зависят от длины вол­ны измеряемого света. Кривую зависимости величин оптической плотности раствора (образца) от длины волны измерения (λ) назы­вают спектром поглощения, а кривую зависимости светопропуска­ния (Т) от длины волны измерения - спектром пропускания.

Спектр поглощения является индивидуальной характеристикой вещества, поэтому структурные особенности его находят отражение на спектрах поглощения. На основании изучения и интерпретации спектров поглощения можно проводить качественный и количест­венный анализ веществ.

 

Фотосинтез начинается с поглощения кванта света специализи­рованными пигментами: хлорофиллами и каротиноидами. Наиболь­шее значение в фотосинтезе имеют хлорофиллы, и в первую оче­редь хлорофилл а. Все хлорофиллы (а, b, с, d, бактериохлорофилл и др.) интенсивно поглощают видимый свет. В спектрах поглощения хлорофиллов обнаружива­ются четыре полосы: три в красно-желтой и одна в синей области. Положения максимумов в спектрах поглощения хлоро­филлов в клетке и органических растворителях не совпадают. Так, например, для хлорофилла а в органических растворителях харак­терны наиболее интенсивные полосы поглощения при 430 и 660 нм, а в клетке зеленых растений - полосы поглощения при 435 и 661-710 нм (несколько форм пигмента). Тот факт, что спектры поглощения фотосинтети­ческих пигментов в клетках зеленых растений сдвинуты в длинноволновую область по сравнению с таковыми для растворов в органи­ческих растворителях, указывает на интенсивный характер взаимо­действия пигмент-микроокружение. Особо важную роль при этом играют пигмент-белковые, пигмент-липидные и пигмент-пигментные слабые физико-химические взаимодействия.