Кванттык биофизика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тақырыбы:

 

                      «Кванттық биофизика».

 

 

 

 

Орындаған:                                          Әби Н.Б.

 

 

Тексерген:                                           Кусаинов С.З.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                              Жоспары:

            1.  Кванттық биофизика. Міндеттері

                 2. Биологиялық маңызды молекулалардағы электрондық көшулер

                 3. Биожүйелермен жарықты жұту

 

 КВАНТТЫҚ БИОФИЗИКА  ПӘНІ ЖӘНЕ ОНЫҢ МІҢДЕТТЕРІ.

Кванттық биофизика  биологиялық маңызды молекулалардың электрондық құрылымын, молекулалардағы электрондық көшулерді және молекулалардың қозған қалыптағы энергиясының олардың өңімдерінің энергиясына көшу жолдарын зерттейді.

Кванттық биофизика  келесі нақты мәселелерді  қарастырады:

2. Молекулалардың электрондық энергиялық деңгейлердің құрылымы.
3. Биомолекулалардың донорлық және акцепторлық қасиеттері.
4. Заттың жарықты жұтқан кездегі электрондық көшулері.
5. Бос радикалдардың қасиеттері мен бос-радикалдық процесстердің механизмдері.
6. Электрондық-қозған молекулаларрдың химиялық өзгерістерін, алғашқы фотоөнімдердің табиғатын және олардың реакциялық қабілеттігі.
7. Хемилюминисценция механизмдері.

Кванттық биофизиканың әдістерінің медицинадағы диагностикалық және ғылыми-тәжірибелік маңызы аса  зор. Бұған спектрофотометрияның барлық әдістері, люминесценттік талдау, фотохимиялық әдістер, ЭПР-спектрометрия, хемилюминисценция және т.б. жатады.

 БИОЛОГИЯЛЫҚ МАҢЫЗДЫ МОЛЕКУЛАЛАРДАҒЫ ЭЛЕКТРОНДЫҚ КӨШУЛЕР

Молекулада  әр электрон нақты орбитальда орналасады және нақты энергияға ие болады.  . Сонымен, молекула ішінде электронды энергетикалық деңгейлер жүйесі өмір сүреді. Олардың арасында ең маңыздылары: беткі  толтырылған молекулярлық орбиталь және төменгі бос молекулярлық орбиталь. Беткі толтырылған орбитальдың энергиясының мәні молекуланың ионизациялау потенциал энергиясын және сонымен бірге электрондарды беру қабілеттігін көрсетеді /донорлық қасиеттері/.

Ионизациялау  потенциалы деп электронды молекуладан  жұлып алу үшін жұмсалатын энергияны  атайды. Беткі толтырылған молекулярлық орбитальдың энергиясы жоғары болған кезде, молекуланың ионизациялау потенциалы төмендейді де, сол молекула электрондардың доноры болып саналады.

Мысалы, Е витаминның беткі  толтырылған молекулярлық орбитальдың энергиясы жоғары болғанымен, ол бос радикалдармен реакцияға түскен кезде электронды жеңіл бере салады, соңдықтан, ол жақсы антиоксидант болып саналады.Төменгі бос орбитальдың энергиясы акцепторлық қасиеттер үшін жауап береді. Акцепторлық қасиеттер электрондық жақындықпен сипатталады. Электрондық жақындық толтырылмаған электрондық орбитальға электрон көшірілгенде босайтын энергия мәніне тең.

Әр толтырылған  энергетикалық деңгейде екі қарсы  спинді электрондар орналасады.

Егер де молекулаға энергия жұмсаса /мысалы, жарық кванты түрінде/, онда сол квантты жұтқан кезде молекуланың бір электроны едауір жоғары деңгейге көшеді де молекула қозу жағдайына келеді. Қозу жағдайынан негізгі жағдайға кері қайту тек қана жарық квантын босату арқылы /люминесценция/ болуы мүмкін.

Жарық кванты (фотон) - тыныштық қалыпта массасы нөлге тең бөлшек. Бұл электромагниттік тоқын 300 000 м/с жылдамдығымен таралады, оның сипаттамалары - толқынның ұзындығы мен тербелістің жиілігі. Сондай толқынның энергиясы жарықтың жылдамдығына оң пропорционалды, ал толқынның ұзындығына теріс пропорционалды болады (слайдтар 2-3).

Егер де молекулаға энергия  жұмсаса /мысалы, жарық кванты түрінде/, онда сол квантты жұтқан кезде  молекуланың бір электроны едауір жоғары деңгейге көшеді де молекула қозу жағдайына келеді. Қозу жағдайынан негізгі жағдайға кері қайту тек қана жарық квантын босату арқылы /люминесценция/ болуы мүмкін (слайдтар 4-5).

Көбінесе күрделі  органикалық молекулалардың фотоэлектроны  болып p-электрон табылады, ол  молекуланың делокализацияланған қосарланған байланыстардың жүйесінің құрылуына қатысады (слайд 5).

Биожүйелердің       жарқты жұту. Жұтудың электрондық спектрлері.Молекулалардың жарықты жұту қабілеттілігін зерттеу медицина мен биологияда қолданатын спектрофотометрия әдісінің негізіне жатады. Бұл әдісті заттың химиялық құрылымын анықтау және сандық талдау өткізу үшін қолданады. Молекулалардың оптикалық және спектрофотометриялық қасиеттері олардың құрылымы тұралы мәлімет береді де молекуланың энергиялық деңгейлері арасындағы арақашықтығымен және бір деңгейден басқа деңгейге көшулердің ықтималдығымен анықталадыПолипептидтік пен полинуклеотидтік тізбектердің, сонымен бірге белоктар мен нуклеиндік қышқылдардың электрондық көшулері спектрдің ультракүлгін аймағында     орналасады (слайд 6).

Макромолекулалардың құрамына құрылымы мен спектральдық сипаттамалары анықталған хромофорлар деп аталатын элементтер кіреді. Мысалы, полипептидттік тізбектердің негізгі хромофоры болып >CO-NH- пептидттік топ саналады.  Ол π- π* көшуімен сипатталған 109 нм жұту жолағын береді (слайд 7). Басқа хромофорлы топ болып, бүкіл АМҚ-да болатын -С=О карбонильдік топ саналады. Бұл байланыстардың құрылуы формальдегидтің үлгісінде көрсетілген

Ультракүлгін аймақта  жұтуға өз үлесін n-π* - көшулері де қосады. Оттектің р-орбиталінда (n-деңгейінде) бөлінбеген жұптасқан электрондар болады, олар көміртекпен байланыстың құрылуына қатыспайды. 225 нм аймақтағы жарықты жұтқан кезде n-π* - көшулер пайда болады, олардың нәтижесінде бөлінбеген қос электронның біреуі босаған π* - орбиталіне түседі

Ақуыздардың негізгі хромофорлары болып хош иісті АМҚ қалдықтары саналады (триптофан, тирозин және фенилаланин). Триптофан екі жұту спектрлеріне ие болады /220 және 280 нм/.

Нуклеиндік  қышқылдарда негізгі хромофорлар  болып пуриндік /аденин, цитозин/ және пириминдік /цитозин, тимин, урацил/ нуклеотидтердің  азоттық негіздері саналады. Бұнда π- π* көшулермен қатар /негізгі белдеу  - 260 нм/ өз үлесін азот пен оттектің гетероатомдарының бөлінбеген электрондар жұбының қатысуымен өтетің n-π* - көшулер /280-320 нм/ қосады.

БИОМОЛЕКУЛАЛАРДЫҢ САПАЛЫҚ ЖӘНЕ САНДЫҚ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯЛЫҚ ТАЛДАУЫ

Cапалық   спектрофотометриялық талдау.

Заттың сапалық талдауы  дегеніміз, біріншіден, молекулярлық талдау - заттағы кейбір молекулаларды табу, екіншіден, құрылымдық талдау - жеке құрылымдық фрагменттерді табу және олардың орналасуының сипаттамасын анықтау.

Сапалық спектрофотометриялық талдаудың негізінде келесі постулат жатады: әр биологиялық зат өзінің жұту спектрімен сипатталады. Жұту жолақтарының орналасуы мен қарқындылығы оның құрамына кіретін хромофорлық топтармен анықталады.

Өлшенген жұту спектрін кез келген заттын жұту спектрімен салыстыру үшін келесі параметрлер  қолданылады (слайд 6):

1) жұту спектріндегі максимумдердің саны;

2) жұту жолақтарының  максимумдерінінің ( l_max ) спектральдық орналасуы;

3) жұту жолағының  жартылай кеңдігі ( Dl_1/2 )  - оптикалық тығыздық

максималь тығыздықтың  жартысына тең болатын кездегі  екі толқындар ұзындықтары арасындағы айырмашылық;

4) максимумдердің  амплитудасы ( e ^max );

  5) максимумдер амплитудасының қатынасы ( e₁^max / e₂^max ).

Зерттеуді жүргізген  кезде келесі фактты есте сақтау керек: абсорбциялық өлшеулерді жасаған кездегі  тәжірибелік шарттар жұту спектрінің формасына өз әсерін тигізбейді. Барлық параметрлер ортаның рН деңгейіне, оның температурасына, еріткіштің полярлығына, зерттелген заттың концентрациясына  тәуелді түрде өзгеруі мүмкін.

Келесі кезең - зерттелетін қосылымның спектрін сол қосылымның тәжірибе арқылы алынған ғылми әдебиеттерде сипатталған спектрімен салыстырады. Егер де барлық жолақтардың максимумдері 1нм. жететін дәлдікпен бір біріне ұқсас болса және экстинцияның максималды коэфициенттері 10% дейін бір біріне сәйкес келсе, онда зерттелген және салылыстырмалы қосылымдардын ұқсастығы туралы айтуға болады. Артық жолақтардың болуын немесе кейбір максимумдерінің қарқындылықтарының күшейюін зерттеген ерітіндегі қосымша заттардың болғандығымен түсіндіруге болады. 

Кейбір хромофорлық  топтардың спектрлік сипаттамалары өте ерекшеленеді. Сондықтан белгілі функционалды топтарды табу үшін оптималды оптикалық тығыздығы 0,2-0,8 арасындағы ізделетін жолақты бере алатын концентрациядағы ерітінділердің спектрлерін жазу керек.

Сандық  спектрофотометриялық талдау

Жарықтың қарқындылығының  жұтатын заттың концентрациясына тәуелдікті анықтауға  мүмкіндік  беретін  заңдылықтарды  қарастырайық.

 Бугер - Ламберт - Бэр заңы

Жарықтың жұтылуы  зерттелетін объект арқылы жарықтын  ағыны өткеннен кейін оның бәсеңденуінен  білінеді, егер де ол жоғары болса заттың концентрациясы оған сәйкес жоғары болады. Бугер-Ламберт-Бэр заңына сәйкес жұтатын заттың қабатынан өткен жарықтың қарқындылығы келесі түрде есептеледі:

[1]

мұнда I_o - түсетін жарықтың қарқындылығы,

c - жұтатын заттың концентрациясы (моль/л)

ε- жұтылудың молярлық коэффициенті (л/моль*см)

Жарық монохроматтық  болған кезде заң келесі түрде  жазылады:

[2]

мұнда D - заттың оптикалық тығыздығы.

I₀  және I - түсетін және шығатын жарықтардың қарқындылықтары;

T  -  үлгінің өткізуі;

С -  жұтатын  зат  концентрациясы (моль/л); 

l  -  үлгінің қалыңдығы,  см; 

e  -  экстинцияның молярлық коэффициенті, М^-1×см^-1.

Бугер-Ламберт-Бэрд заңы кейде орындалмайды. D-ның С-даң тәуелдгінің кейде сызықты түрден ауытқуы болуы мүмкін.

Жұту спектрлерінің  өлшеуін қолдана отырып заттың сандық талдауын келесі шарттар орындалғанда жүргізуге болады:

1. өлшейтін жарық сәулесі монохроматтық болуы  керек;
2. жұтатын молекулалар үлгінің бүкіл көлемінде бір қалыпты таралады;
3. жұтатын молекулалар бір - бірімен және ортаның молекулаларымен әрекеттесуін өзгертпейді (e = соnst);
4. шығатын жарық ағыны тек қана фотондардың жұту есебінен бәсеңдейді (жарықтың  шашырауы, люминесценция және тағы басқа құбылыстар тіркелетін  жарық  ағынына  өз әсерін тигізбейді);
5. өлшейтін жарық ағынының қарқындылығы мен қозған қалыптағы жұтатын молекулалардың өмір сүру уақыты қозбаған (жарықты жұту қабілетін жоғалтпаған) молекулалардың  өлшеу кездегі концентрациясын өзгертпеу керек;
6. өлшейтін  жарық ағыны жарық жұтатын молекулаларын фотохимиялық өзгерістерге ұшыратпайды.

Бугер-Ламберт-Бэр  заңынан ауытқу болған кездерде градуирленген  графиктер жасалады, олар бақыланған оптикалық тығыздық шамалары мен  белгілі концентрациялардың арасындағы байланыстарды көрсетеді. Графикалық интероляция арқылы зерттелген ерітінділердің концентрацияларын  анықтауға  болады.

Сандық спектрофотометриялық талдау кезінде зерттеушінің басты  міңдеті - концентрацияларды өлшеу, сонымен қатар ерітінділердің оптикалық  тығыздықтарын өлшеу.

 

 

ӘДЕБИЕТТЕР:

1.     Көшенов. Б Медициналық биофизика Алматы 2008

2.   Владимиров Ю.А. с соавт. Биофизика. М., Медицина, 1983.

3 Костюк П.Г. с соавт. Биофизика. Киев, 1988.

4. Рубин А.Е. Биофизика. 1-2 том. М.,1987.

5. Рубин А.Е. Биофизика: Теоретическая биофизика -1 том. -  М. Книжный дом «Университет», 2000

6. Рубин А.Е. Биофизика: Биофизика клеточных процессов -2 том. -  М. Книжный дом «Университет», 2000