Миграция энергии и ее виды

Энергия излучения, поглощенная одной молекулой, может быть передана другой, близко расположенной молекуле. Обычный перенос энергии в биологических системах это диффузия богатых энергией соединений, осуществляющаяся в растворе.

То есть основной формой аккумуляции и полезного использования свободной энергии в организме является образование АТФ и других макроэргических соединений, с высоким потенциалом переноса групп. При осуществлении мышечной работы, активного транспорта веществ, возникновения биоэлектрических потенциалов и других процессов перенос макроэргических соединений от мест их образования в митохондриях к центрам потребления в нитях актомиозина или клеточных мембранах происходит путем диффузии через водную среду. Другим важным примером является диффузный перенос дыхательных коферментов через водный раствор между различными пиридиновыми и флавиновыми дегидрогиназами. Ввиду малой протяженности этих переносов, измеряемых десятками ангстрем, этот способ передачи энергии достаточно эффективно удовлетворяет физиологическим потребностям клетки

Поскольку в форме макроэргических молекул локализуется до 50-60 процентов свободной энергии питательных веществ, а снабжение этими молекулами происходит путем диффузии, очевидно, что диффузионные перемещения играют весьма важную роль в процессах переноса энергии внутри клетки. Однако, в последнее время исследуются и другие пути передачи энергии, имеющие особенно важное значение в фотобтологических, радиобиологических и в некоторых биохимических процессах- получившие название миграции энергии.

Миграция энергии - это безизлучательная передача энергии от молекулы к молекуле или в системе молекул, на расстояние, значительно превышающее межатомные, и происходящая без растраты на тепловые колебания и без кинетических соударений донора и акцептора.

Это явление было обнаружено в растворах люминесцирующих красителей. Оно осуществляется по общей схеме:

Д* + А = Д + А*

где Д* и А соответственно молекулы донора и акцептора.

Здесь происходит безизлучательный обмен энергией между электрон-но-возбужденной молекулой донора Д*и молекулой акцептора А в основном состоянии. Сама по себе миграция энергии не сопровождается химическими изменениями в молекуле, а представляет собой чисто физический процесс. Перенос возбуждения сопровождается сокращением длительности возбужденного состояния и квантового выхода люминесценции молекул донора, для которого молекулы акцептора выступают в роли тушителя.

Одновременно происходит и деполяризация флуоресценции А при переносе энергии от Д в системе хаотически распределенных молекул.

Одним из первых сообщений о миграции энергии электронного возбуждения в белке были опыты по фото диссоциации карбомиоглобина - комплекса СО-миоглобин. (Касперс,Бюхнер, 1947 г.). Под действием света в присутствии кислорода происходит отщепление СО от карбомиоглобина с образованием оксигемоглобина.

Разрыв связи гем-СО происходит вследствие фото диссоциации или распада этого соединения в возбужденном состоянии. Энергии поглощенного кванта оказывается достаточной не только для перевода молекулы в возбужденное состояние, но и повышения запаса ее колебательной энергии на величину превышающую глубину минимума потенциальной кривой.

Фотохимическая реакция отщепления СО от гема вызывается светом, поглощенным гемом и достаточно эффективна при длинах волн около 410 нм.7 Однако, кроме того, в области 280 нм, где до 40 процентов энергии поглощают ароматические группы белка, возбуждение приводит к такому же эффективному распаду связи гем-СО. Это свидетельствует о миграции энергии от белка на гем. Затем эта энергия растрачивается на фотохимическое отщщепление оксида углерода:

Таким образом, показан перенос энергии электронного возбуждения между различными группами в белковой молекуле. Позднее перенос энергии возбуждения был обнаружен на комплексах белка с красителем-хромофором Было показано, что возбуждение люминесценции хромофорной группы вызывается квантами, поглощенными белковой частью хромопротеинов.

В других опытах оказалось, что присоединение акридинового красителя к молекуле ДНК повышает ее устойчивость ук действию ультрафиолетовых лучей. Энергия возбуждения молекулы ДНК в этом случае передается на краситель и высвечивается в виде его флуоресценции, а не тратиться на фотохимический процесс повреждения ДНК.

Одним из наиболее важных процессов миграции энергии осуществляется в фотосинтезе. Здесь происходит перенос энергии от фитоэритрина и фитоцианана на хлорофилл в направлении реакционного центра, где происходит первичный акт фотосинтеза.