Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ненизшие триглетные состояния в фотовосстановлении карбонильных соединений и бактериальной биолюминесценции

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Ненизшие триглетные состояния в фотовосстановлении карбонильных соединений и бактериальной биолюминесценции"

АКАДВШЯ НШ СССР СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ

На правах рукописи

КУДРЯШЕВА нддацл СТЕПАНОВНА

НЕНИЗШИЕ ТРЙПЛЕТШЕ СОСТОЯНИЯ В ФОТОВОСЮТАШВЛЕНИИ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЩОЕНШ И БАКТЕРИАЛЬНОЙ БИОЛШИНЕСЦаВДИ

03.00.02 - биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-иатематичоскпх наук

.Работа выполнена в Институте биофизики со АН СССР в ордена Трудового красного знамени Научно-исследовательском Одаико-химическом институте им.Л.Я.Карпова

Научные руководители - доктор физико-математических наук,

профессор Шигорин Д.Н. - кандидат физико-^тематических наук Белобров П.И.

(^инициальные ошюненты - доктор физико-штематиче ских наук

Кузьмин Е.В.Г

кандидат биологических наук

МЭЕ8ВИКИН В.В

Ведущая организация - - Институт гншческой физики АН СССР

Защита диссертации состоится "_!!_ " октА&кА 1991 г.

в_час, на заседании специализированного совета

Д-003.4Б.01 при Институте биофизики СО АН СССР

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан"_"_1991 г

Ученый секретарь специализированного совета кандидат фнэ.-иат.наук

Косолапова Л.Г.

Актуальность работы. В последние года в различных областях медицины и экологии ширится применение биолюминесцентных систем. В связи с этим приобретает большое значение изучение механизма био-лшшесцентных процессов. В частности, представляет интерес механизм формирования возбужденных состояний в бактериальной биолюминесцентной системе, способы применения которой разрабатываются в Институте биофизики СО АН СССР.

В работах Васильева Р.Ф. и др. показано, что люми"Осценц..я, сопровождающая окисление непредельных органических соединений, связана с образованием т^-сосхояний карбонильных групп. Т.к. молекула эмиттера бактериальной биолюминесценции характеризуется ье-низшим ти11*-состоянивм, возникает необходимость исследования свойств ненизших т-еостоявий п^-тилз на примере модальных соединений. С этой целью использованы принципы систематики молекул пч спектрально-лкмшесцентшш свойствам, разработанные в Научно-исследовательском Физико-химическом институте им.Л.Я.Карпова, в соответствии с которыми спектрально-люминесцентные и фотохимические свойства соединений определяются относительным положением уровней энергии их электронных состояний, их орбитальной природой и мультиплэтЕостью, а перечисленные характеристики молекул связаны с химической природой, положением и соотношением подсистем (фрагментов) молекулярной системы.

Целью работы является исследование относительного положения, орбитальной природа и мультиплетности элэктроннсвозбуаденшх состояний в биолшшесцеЕтной бактериальной системе на основе закономерностей тушения биолюминесценции акцепторами энергии и данных по исследованию активности нэнизших тп%*-состоя}жй модельных карбонильных соединений.

Научная новизна. Показано существование чп1*-состояния в качестве предшественника эмиттера бактериальной биолюминесценции. Предложен механизм формирования возбуждения для биолшинесцентных процессов в случав, если эмиттер херактеризуетсл ненизшим мс*-состоя-

таем.

Для рада n-дикарбонилышх соединений на основе сопоставления данных квантовохимического расчета и квантовых выходов фоторазло-хения показаны закономерности изменения фотохимической активности аналогичных подсистем молекул в спиртовой и углеводородной средах.

Для молекул 1,4-аитрахинона, 6,13-пентаценхинона, 2-фенил-9,Х0-антрахинона, флавинмононуклеотида, 1,4-бензохинона установлена активность т2(як*)- состояний в процессах фотовосстановления.

Покапано, что активация фотовосстановления молекул с ненизшим гя*-состоянием в присутствии молекул акцепторов энергии связана с меьлюлекулярным S-T переносом энергии между уровнями различной орбитальной природы.

Практическое значение работы. Полученные результаты ва«ны для разработки генов фотостаОильнэсти красителей на основе хинонов и ароматических кетонов. Предложенный способ пргнозирования результатов биолшинесцентного ингибиторного анализа в зависимости от электронной структуры исследуемых соединений имеет значение при создании Оиосэнсоров и биотестироваши. Изученные растворы fmn-родамин 6Н-ЭДТА перспективны в качестве управляемых лазерных сред.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на б-ой все союзной конференции "Органические лшинофоры-87" (Харьков), 3-еЯ всесоюзной конференции "Люминесцентный анализ и его применение в медицине и биологиии"(Ркга-89), 4-ой всесоюзной конференции по Фотохимии (Ковосибирск-89), всесоюзной конференции "Лм.шюсценцкя-90" (г.Караганда), "First International Sohool on biological lurai-певоепое" (Варшава-89), CH1SA-90(Прага), всесоюзном совещании по люминесценции (Караганда-89), 3-ем всесоюзном совещании по хемилю-минесцонции (Рига-90), всесоюзной конференции по химии хинонов и их производных (Красноярск-91), а также на научном семинаре лаборатории молекулярной спектроскопии Института физики СО АН СССР.

Основные положения диссертации опубликованы в 16 работах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов. 00'ем диссертационной работы составляет iZ5 страниц мапшннописного текста, включающих Ю таблиц, 23 рисунка.

Принятые обозначения: О - квантовый выход фоторазложения молекулы, 1,4-БХ - 1,<",-09Нзохинон, 1,4-НХ - 1,4-нафтохинон, 1,4-АХ -1,4-антрахинон, 9,10-АХ - 9,10-антрахинон, 2^-9ЛО-АХ - 2-фенил-

9,10-антрахинон, 6,13-ПХ - 6,13-пентацекхинон, ЦДХ - пентацендихи-нон, иш - флавинмононуклеотид. МАЭВ - молокулы-акцепторы энергии возбуждения, s - низшее сингле гное возбужденное состояние (-1АЭВ, Т - низшее триплетное состояние МАЭВ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность Еыбранной теш исследования, формулируется цель и основные задачи, решаешь в диссертационной работе.

Первая глава посвящена обзору исследований электронной структуры, спектрально-люминесцентных и фотохимических свойств молекул с различным относительным положением уровней энергии электронных состояний разной орбитальной природы и мультиплетности Показана необходимость исследования закономерностей фотохимических превращений карбонильных соединений с ненизшим ТП1С*-состоянием и особенностей Фотореакций n-хинонов и n-дикетонов в качестве модельных процессов для исследования бактериальной биолюминесценции.

Вторая глава посвящена методическим вопросам диссертационной работы. При исследовании фотохимических процессов использовали соединения, синтезированные в ШОЕиК (Минхимпром СССР, г.Москва), дополнительно сублимированные в вакууме, fmn фирмы "sigma"(США). Область исследуемых концентраций I0~5- 7«Ю-4М. В качестве МАЭВ использовали препараты ароматических соединений марки х.ч. Концентрация МАЭВ превышала концентрацию исследуемого соединения не менее, чем на порядок. Электронные спектры поглощения и испускания деаэрированных растворов хинонов а кетонов регистрировали на SP-554 и МР?-44 фарш "Perkin-Elmer". Интенсивность источника света определяли ферриоксалатным способом. КЕантовый выход фотораз-локения молекул (Ф) рассчитывали по начальному линейному участку кинетической кривой методом наименьших квадратов по уравнению

D <Ю

--------------------- = Ф s(QÎT^) а 1 - ф D,

e(Q)Io" - I0"D) dt где D - оптическая плотьость изучаемого раствора; iQ- интенсивность источника света, эйнштейн/л с; а - исходная концентрация раствора, М5 1 - толщина кюветы, см; efQ) ,с(ш молярные коэф-

фивденты экстшкции исходного соединения и фотопродукта на длине волны возбуждения.

О целью изучения распределения электронной плотности и заселенности атомных и молекулярных орбиталей молекул в основном и возбужденном состоянии использовали квантовохимкчэский расчет методом ЧПДП/С-КВ со спектроскопической параметризацией в полном валентном базисе. Расчеты выполнены при ß=45 и р=30, где р-резонансный интеграл для атома кислорода.

При исследовании биолшинесцентной реакции использовали препарата фермента из "Photobaotei-lum leognathi" и комплект реактивов ана.л /ической биолюминесценции, изготовленные в Институте биофизики СО АН СССР, деканаль и тетрадвканагсь фирмы "iierk" (ФРГ).

В третьей главе представлены результаты исследований. Рассмотрена связь активности ароматических кетонов и хинонов в фотохимических н билюминесцентных процессах с орбитальной природой, муль-шютностыо и относительным положением уровней энергии ¡а электрон-но-возбувдешшх состояний. Относительное положение уровней энергии электронных состояний различной природа для исследованных соединений и акспериментально полученные величины Ф приведены в табл.1. В тзбл.2,3 представлены результаты квантовохичических расчетов.

Известно, что карбонильные соединения способны фотовосстанав-ливаться с участием nie*-конфигураций. Эффективность этой фотороак-ции для молекул, характеризующихся низшим Тпг*-состоянием, значительно выше таковой для молекул с низшим Т^'-состоянием. Полученные величины Ф (табл.1) в большинстве случаев соответствуют указанным представлениям. Так, Ф 1,4-АХ W4, табл.1), характеризу-ицегося -состоянием ш*~пта, в этаноле в 30 раз меньше, чем у его изомера 9,10-АХ (№3, табл.1) с т.,-состоянием пх'-типа. Величины Ф молекул » 1,2,3,7 (Т1 пк*-типа) значительно больше © молекул # 4,5,8-Ю (т, хтс*-т1Ша).

Молекула 2-Ф-9,Ю-АХ (Ж 6, табл.1) в результате возможности вращения в растворе при комнатной температуре пильного фрагмента в полокешш 2 может существовать в 2-х конфигурациях: с низшим п%*-состогаЫ'М (аналогично Э.Ю-аатрахинону) и низаим ire*-co-стоянкем. В спектра его яи*-фоофюреценшш (ч~1,5 с) присутствует короткоживущая компонента с i~I0-3c. Значительная величина Ф 2-Ф-9,10-АХ (табл.1) связана с конфигурациями с низшим

Таблица I. Спектрально-люминесцентные и фотохимические свойства карбонильных соединений.

соединение

н

Тип поло- Раст- 1о»10~ь, ^в03(}>

жения вори- ейнштейн нм уровней тель л с

&-102

а г 5,3 365 1±0,4

а 9 3,6 365 6±1

а Г 3,0 405 Ю±2

а 8 0.8 365 23±4

а Г 0.9 405 16±2

а в 0.8 405 93 ±5

а г 0.6 436 21±2

б а 0.7 436 3*С.5

б г 6,0 313 0.0002*0.0001

б э б.б 313 0.02±0.01

б г 2.1 405 8±2

б 9 2.2 405 30±4

а Э 2.8 436 20±4

г Э 9.0 436 0.00310.002

в Г 3.0 405 0.06±0.01

г э 3.4 405 0.0110.005

г э 5.4 436 2±0.5

0 Л

2. 1,4-НХ 0

° о

3. 9,10-АХ ¡ГЦГ

СОф

4. 1,4-АХ

5. 6,ХЗ-ПХ

6. £-Ф-9,10-ДХ

5,7,12,14-ПДХ

8. 2-Шг,-

5,7,12,14-ЦЦХ

9.мезобензантрон

талы полокения уровней

апг

пъ

Б,

7Д

т.» иж

а)

Примечание: г - гептан, э -этанол.

о

7. 2-ЕО3Н-

состояниями, о помошью молекул акцепгороь и доноров энергии показано, что ответственными за фотовосстановлеше данного соединения являются Т.,(п%*) и Т2(пи*) состояния для конфигураций, характеризувдихся соответственно низшими nie* и тос*- состояниями.

Рис.1. Кинетика расходования 1,4-АХ в этаноле (а) и гептане (б) при фотовозбуадении \=436 нм, 1о=4.3^10гэйнштейн/л-с.

Молекула 1,4-АХ 044,табл.I), характеризующаяся ненизашм ТП1С»-состоянием, имеет аномальное соотношение Ф в спирте и углеводороде: в гептане в 7 раз выше, чем в этаноле. Вместе с тем, как видно из рис.1, квантовый выход образования 1,4-антрацендкола ниш соответствующего ему эфира в гептане (Ли^=Э57нм, расЛб) гораздо меньше, чем в этаноле (^^^^бТнм, рисЛа), как и для соединений Ы-3,б,6. ¿эти данные в совокупности с результатами воздействия ЫАЭВ на скорость фотореакции 1,4-АХ (рис.2) (в этаноле для Н и Б активация, А - ингибирование, в гептане - отсутствие эффекта для Н и Б и значительное ингаоирование для А) - показывают, что природа фотореакций в этих матрицах различна: в этаноле идет фотовооста-новление по карбонильным группам с участием Т2 (птс*)- состояния, а в гептане параллельно этой фотореакцией идет более эффективный процесс с участием Т1 (т?с8)-состояшш, вероятно, фотоприсоединение по с(г)-с(з)-связи.

E-iOlcM* -iL. АХ

млэз

Рис.2. Перенос энергии в системах 6,13-ПХ - МАЭВ и 1,4-АХ - !ШВ в этаноле, где антрацена (А)

в этаноле, где МАЭВ - ^»-состояния бифенила (Б), нафталина (Н),

Активацию фотовосстановления наблюдали для молекул Ъ 4-6,10, характеризующихся ненизишм ^»-состоянием, в присутствии МАЭВ с энергией "^»-состояний в интервале энергий Зп%*-%ш*-соатоят& исследуемого соединения (например, для 1,4-АХ шш 6,13-ПХ в присутствии бифенила, рис.2). При атом регистрировали фосфоресценцию МАЭВ. Рост концентрации МАЭЕ усиливал активацию фотореакции. Активация фотовосстановления связана с изменением заселенности ненизших Тпг*-состояний в результате мегмолекулярного S-5HT переноса энергии, вклотаадего мешолекулярный s-т перенос мезду уровня?® различной орбитальной природа (nie*- и их* (icii*)), для которого запрет по мулътшлетности снимается в результате спин-орбктального взаимодействия.

С помощью данных квантовохимического расчета исследована связь строения соединений с фотохимической активностью их подсистем в разных растворителях. Определены изменения зарядов, засоленностей атомных и молекулярных орбиталей в Т-состояниях для 1,4-БХ, 1,4-НХ, 9,10-АХ, 1,4-АХ. Проведено сопоставление полученных харак-теристад с величинами & исследуемого ряха молекул, полученных а сходных условиях при комнатной температуре в гептане и этаноле.

Исследованы характеристики как низших, так и венизших Т-состояний.

Т.к. первичной стадией фотовосстановления карбонильных соединений в спирте является перенос електрона от растворителя к возбужденной со-груше (схема I, (1)*(2)), для характеристики еффек-

Схема I. Эволюция п*"-состояшй при фстовозбухденни п-хинонов и п-дикетонов.

тивности фотовосстановления в спирте использованы изменения плотности зарядов на атоме кислорода Д<1(0) и измэнение зарядов орбита-лей кислорода Д<1(0) в т-состояниях (табл.2,3). Т.к. нерадикальные формы п%*-состояний ((2), схема 1) способны переходить в радикальные (О), схема I) при заселении разрыхляющей тс* орбитали со-группы и последующем разрыве тс-связи, для характеристики эффективности перехода нерадикальной формы ик*-состяниа в радикальные принята заселенность о-о связи Р(С-о) в т-состоянии (табл.2). Для характеристики эффективности процессов радикального присоединения по с(2)-с(э) связи хинонов использованы заселенности данной связи Р(с-с) (табл.2).

Полученные расчетные данше представлены в табл.2,3.

Как видно из табл.2, для 1,4-БХ, 1,4-НХ, 9.Ю-ЛХ величины Ад (о) в Т., (гяс*)-состоянии на порядки больше по сравнению с таковыми для 1,4-АХ, характеризующегося як^-природой Т1-состояния. Указанные значения Л4(0) определяют величины Ф исследуемых молекул, для которых наблюдается аналогичная зависимость (табл.1).

Обращают на себя внимание относительно высокие величины Д<1(о) ненизших Т^*—состояний молекул 1,4-БХ, 1,4-НХ, 9,1 »АХ (табл.2). Для данных состояний уменьшение заряда на кислороду при возоухда-

шш происходит в направлении орбиталей Рх и Ра, в отличие от тпх»-состояний, для которых характерно уменьшение заряда для орбиталей ру (см. величины Д<1(о), табл.2). Причем, как видно из этой таблицы, абсолютные значения величин Дч(о)^ для "^»-состояний выше,

чем Дч(о) для ^»-состояний. Приведенные данные дают . основания

Табл.2. Корреляции меаду рассчитанными характеристиками TR1¡[*- и

"^»-состояний молекул.

1,4-БХ 1,4-НХ 1,4-АХ 9,10-АХ

Ad(o)

-0,1 0 +

М(о)

V V

-0,2

О ■

0,2

Р(С-О) Р(С-С)

Ф * ПК

5—* дас

Р_: Т « X 11%

Р : т ■»

т

2,0- Р(с-с): т„* р(с-с): т™*

1,6

Р(с-о): Tnil» в Р(с-о): v *

Примечания: 41(о) - изменение электронной плотности на атомах кислорода, Дд(о) - изменение зарядов орбиталей Рх, Ру, Р2 атомов кислорода, Р(с-о) и Р(с-с) - заселенности с-о и с(2)-с(Э) (для п-хинонов) или с(11)-с(12) (для 9,10-АХ) связей.

предполагать, что т^-состояния также могут быть ответственны за фотовосстановление, правда, значительно менее аффективное и с участием других орбиталей, чем ТП1[»-состояния.

В ряду хинонов (1,4-ВХ, 1,4-НХ, 1,4-АХ) происходит уменьшение изменений заряда не атомах кислорода в Тпг», 8П1С» и Т^*-состояниях (см. величины А<1(о), Дч(о)1> , Лч(о)р , таол.2,3), а такта

рост засоленностей с=о и с(г)=сЫ связв/ (Р(с-о) и Р(с-с), табл.2). Такая закономерность связана с увеличением доли ароматической подсистемы в данном ряду молекул, определяющей смещение электронной плотности в возбужденном состоянии на ванильную и карбонильные подсистемы. Данное смещение максимально для 1,4-АХ, включающего нафталиновую подсистему, природу возбужденной орбитали этого соединения правильнее характеризовать как где симво-

лы я", к* и связаны с увеличением заселенности соответственно ароматической, ванильной и карбонильной подсистем. Волновые функции, описывающие два низших тршыетных состояния 1,4-АХ-на, представляют собой линейную комбинацию функций, характеризующих различное участие упомянутых подсистем в данных состояниях:

«(таЧ***) = (Цф^юс*) + с2<р2(отф + с3<р3(^)

= с^ф^даг*) + С2ф2 ('/л*) + с^з(^) В рассматриваемом ряду молекул изменение величин у(с-о), р(с-с), Ай(о), Aq(o) (ом.табл.2,3) определяет уменьшение вероятности присоединения электрона в ч:п%* и тта*-состояшшх и рост эффективности радикальных процессов по с(г)=с(з) и с=о группам.

Молекулу 9,10-АХ ыоено рассматривать как производную от 1,4-НХ, в которой винильная подсистема заменена на бензольную. Такое изменение сказывается на заселенности с-с -связи: как видно из табл.2, заселенность с(и)-с(12) -связи 9,10-АХ значительно ниге заселенности аналогичной с(2)-с(з)-связи 1,4-НХ (а татаэ другш. п-хинонов) как в т^*-, так и в ^»-состояниях.

Полученные величины засоленностей с-с связей коррелируют с эффективностью радикальных присоединений по данной связи: для 1,4-НХ и 1,4-БХ в этаноле и гептане при комнатной температуре показано, что основными продуктами фоторазлогения являются соответствующие гидрохироны. Однако, как известно, продукты фотоди-

меризации данных хинонов возникают в малых количествах параллельно с образованием гилрохянонов в процессах их фоторазловения. Для 1,4-АХ, как показано выше, в углеводороде эффективны реакция фогоприсоеданеяия по с (г)-с (з)-группе с участием -состояния дасЧ^-тапа. Для 9,10-АХ не характерны подобные процессы. Т.о., фотохимическая активность винильной подсистемы рассматриваемая соединений коррелирует с величинами их Р(с-с) (табл. 2). Обращает на себя внимание, что для молекул 1,4-БХ и 1,4-НХ величины Р(с-с) больше для т1-состояний пг'-типа, чем для т2-состояний от'-типа, что указывает на возможность реакций радикального фотоприсоединения по с(2)=с(з) -группе с участием т., (шс')-состояний. Такая фотороакция монет осуществляться с участием одной из резонансных структур радикальной формы птс*-состояниЯ ((4), схема I).

Для молекулы 9,10-АХ меньшая заселенность cdi)-c(ia) -связи (по сравнению с аналогичной с(2)-с(з) для 1,4-НХ и 1,4-БХ) определяет меньшую заселенность с=о связа (табл.2), что доляно приводить к уменьшению вероятности перехода шрадннвлыюй форм ют'-состоя-ний в радикальную для 9,10-АХ по сравнешш с 1,4-НХ и 1,4-БХ. Действительно, сопоставление отношений квантовых выходов в углеводороде к выходам в спирте №гепТ61/®эта1{0Я) молекул 1,4-БХ, 1,4-НХ, 9,10-АХ, характеризующихся низшим 'Г^в-состояпгем, (теол.1) показывает, что указанное соотношение максимально для 1,4-НХ (« и значительно меньше для 1,4-БХ п 9,lO-AX(»g и соответственно), что коррелирует с величинами их Р(с-о), •привэдепнкг.гл в табл.2.

Как видно из данных табл. I и 2, при больших значениях Дй(о) а Aq(o)p в ^«-состоянии величина ф 1,4-БХ относительно новелгаа п

является наименьшей среди Ф молекул с внзввм Т^-состодниэк.

Известно, что в спектрах возбуздапзя 1,4-БХ емзотся два близких длинноволновых перехода s т в состоягоия 3D1/, п эа1ц; шрвий из них крайне слаб, а второй интенсивен; в спектр» Оосфорэецэшдеи 1,4-БХ в парах проявляется п основном гу* S0 переход?» врзг-я гшз-аи Т- " 0.012 с. Эти данные с учетом значительно меньшей величины-

ГО

Hj для 1'2, чем для 1'., (таОл.З), a таккэ относительно небольшой величины Ф данной молекулы дазт основания полагать, что ответстясщ-ныш за фотовосстансмэцко 1,4-БХ являются (птГ)-состояния.

Кроме того, значительная величина Ad(o) для 3. (гул:*)-состоят;.:;л

в минимальная- среда рассмотренных величина Н*^ определяющая

время яизни 8-состояния, (табл.3) не позволяют отвергать активности s1(nu*)-состояний 1,4-БХ в процессах его фотовосстансвления.

Табл.3. Квантовохкмические характеристики возбукденных состояний молекул 1,4-БХ, 1,4-НХ, 9,10-АХ, 1,4-АХ.

соединение 1,4-БХ | 1,4-НХ " |9,10-АХ |1,4-АХ •

V ®2,1 V nie | nie | тле | «1. nie 1 *г 1 Ь 1 Т1 I тг I Г1 I ». »1 1*. Jt* 1 1 nie 1 иле | nie 1 тле 1 ш j П1С

„СО HZ(VSo> 69 О.Б 0.01 65 0.07 0.003 58 0.001 0.0004 64

S, nie* s, n/t* s, nie* s1 * nie

Ad(O) -0.330 -ЛЛ97 -0.263 -0.096

Н~в 0.55 0.91 0.58 9.29

Примечания: H§0(T.,-»so) и Н00^.,- т) - матричные элементы спин-орбитального взаимодействия (см-1) между и SQ, s1 и ближним игаерасполоданным триплетом соответственно; Аа(о)- изменение электронной плотности на атомах кислорода.

Молекулы 1,4-АХ и 6,13-ПХ в соответствии с орбитальной природой их. низших триплетных состояний (тае*) характеризуются небольшими выходами фотовосстановления в этаноле (см.табл.1). Из этой таблицы видно, что указанные молекулы имеют один тип относительного расположения уровней, однако, величины Ф этих молекул в этаноле различаются на порядки.

Известно, что в спектре ^-фосфоресценции 1,4-АХ при малой величине разности энершй Тпг*- и низшего Т^-состояний в результате вибронных взаимодействий в значительной степени проявляются колебания со-группы. 3 спектре фосфоресценции 6,13-ПХ, характеризующегося большей величиной разности энергии триплетных nic* и тек* состояний, вклад колебаний со-группы незначителен. Следовательно, скорость фотовосстановления этих соединений мохэт быть связана с разностью энергий TrtK*~ и Т^-состояний, определяющей для

данных молекул эффективность вибронного смешивания, а пк'-конфигу-рации, примешивапциеся к низшему тос^-состоянив, ответственны ез фотовосстановление.

Действие МАЗВ на эффективность фотовосстановления 6,13-ПХ и 1,4-АХ подтверждает вывод об активности низшего Т-сосгояння в этих фотореакциях: в присутствия А (рис.2) наблюдши уменьшение квантового выхода фотовосстановления этих соединений в этаноле. Шесте с тем, действие МАЭВ с анергией Т,^»-состояний а интервале энергий ajT^'-T^.* и б)snx*-Tn%* состояний исследуемых молекул с низшим тя*-состоянием указывает на активность ненззшх Т^"- состояний: при фотовосстановлбнии 6,13-ПХ в присутствии H (рис.2) наблюдали ннглбирование реакции в результате уменьпешя заселенности г^-состояния молекулы в следствие мекмолекулярного г-т-гореносо; в присутствии H и Б (рис.2) наблюдали активацию фотовосстанозлэння 1,4-АХ, а в присутствии В (рис.2) - 6,13-ПХ в результате рассмотренного выше мехмолекулярного s-t-t - переноса.

О заселяемостьв ненизиего Т^-состояния связано аномальное соотношение ® в спирте и гептане для мезобензантрона (табл.1): в спирте положение уровней этого соединения соответствует структура г), а в гептане - в).

Т.о., полученные результаты показывают, что в фэтовосстанов-лении карбонильных соединений с ненизпшм Тпя»-состоянием участвуют пи'-конфкгурации как тг (га")-состояния, так и пршлепиванциеся в Т1-состояние в результате внбронных взаимодействий.

Установлено, что в системах Fiw-родамин бН-вода а рнн-родашш БЯ-этанол возникает сенсибилизированная люминесценция родамина. Показана возможность изменения эффективности родамиючоП лтасшос-ценцши в присутствии Fi® sa счет реакций фотовосстановлеипп я окисления ?MN.

Заселяемость ненизших Т^-состояний молекул ваша ш только в фотохимических, но и в хемилшинесцентаых (биолкмянесцентшвс) реакциях. Ненизшим ^.»-состоянием и последовательностью уровней so. s^1Tt«, тпх°, згд» (см.табл.1, г) характеризуется fhh и

его производные, одно из которых - 4А-гндроксифлавин - предполагается эмиттером бактериальной биоляиинесцеящш. Учитывая установленную ранее (в частности, в работах Васильева Р.О. и др.) роль

пг'-состояний. со-груш в хемилшинесцентных процессах, а также активность т2 (тс*)- состояний карбонильных соединений в реакциях фотовосстановления, которые можно рассматривать как обратные хеми-лдаинвоцентным (биолшинесцентным) реакциям окисления, логично считать нешзшеа ^»-состояние молекул продукта биолшинесцентной реакции первичнообразующимся вы с око энерг е тиче ским состоянием биолюминесценции.

В работе с помощью молекул акцепторов анергии возбуждения исследована заселяемость электронновозбужденных состояний молекулы продукта Сиолюмшшсцентной реакции. Изучены система с участием бактериальной люциферазы и бкферментная система N¿1®: РШ1-оксидоре -дуктаза - люцифераза. Использованы альдегиды с алифатическим фрагментом длиной в 10 (с10 ) и 14 (с1Ч) атомов углерода. Действие тушителей рассмотено с точки зрения переноса анергии между донором (биолшинесцентным центром) и акцептором (молекулой тушителя).

Эффективность тушения сведения характеризовали радиусом действия тушителя И, определяемого согласно зависимости Вавилова при малых концентрациях тушителя О:

10/Х0 =(1 + Р С°) ехр (- 4/3 % н3 С) ~ вхр (-кО), (2)

где 10 и 10 - интенсивность биолшинесценции в присутствии и отсутствии тушителя, к - константа тушения, Ыд - число Авогадро, а ц р - эмпирические коэффициенты.

На рис, 3 и 4 представлены радиусы действия Я тушите пей люминесценции бкфврментной системы, упорядоченные в соответствии с анергией их низших возбукдевных синглетных Ба и тршлетных !Га состояний относительно уровня вмиттера биолюминесценции Б,^*, принятого равным 21700 см-1. Аналогичная зависимость получена и для системы с участием одного фермента (люцифергзы) в присутствии с1Ц.

На рис.3 видно, что молекулы, характеризующиеся величиной Ба< № 1-5). имеют в основном большие значения н. Для моле-

кул родамина и возина {у? 1,2) выделена сенсибилизированная флуоресценция. Эти два факта говорят о наличии в биолзсмкнесцентной системе синглет-синглетного переноса энергии, вносящего ьклад в тушение биолюминесценции молекулами с

Часть молекул, характеризующихся Ба > , такяз тушит Оио-

люминесценцию (рис. 3). Следовательно, существует другие процессы, по природе отличные от мекмолекулярного Б -» 2 переноса, приводящие к тушению свечения. Упорядочение тушителей по величине энергии их низших триплетных состояний Та (рис.З) показывает, что воздействие оказывают молекулы, имеющие энергию низших триплетных состояний та не выше 25000 см-1 (я 1-13, 16, 18). Молекулы, характеризующиеся Та > 25ооо см~1 (Н 15, 17. 19-21), но оказывают влияния на биолюминесценцию. Такая зависимость свидетельствует о существовании триплетного предшественника эмиттера с энергией «=25000 см-1, играющего роль донора в процессе мэамолекулярной триплет-триплэт-ной ыкграции энергии. Логично считать, что это состояние характеризуется орбитальной природой пи*-типа.

Наиболее вероятно, что возбуждение локализуется на карбонильной группе в положения 2. Предложен механизм образования Тгл* состояния карбонильной группы в результате переноса электрона от депротонировянной формы химического интермедиата II (схема 2).

Схема 2. Предполагаемый механизм химического возбуждения.

Как известно, флавиш при нейтральных рЯ существуют в допро-тонированной по N(1) форме. Присоединение к флавивовому фрагменту молекул кислорода и альдегида с образованием интэрмэдиэта IX вздет к замыканию % связи мекду атомами с(юД) и ч(1), делокализащш отрицательного заряда менду N(1) и с(г)о грушами а возмошому образовании анион-радикала с(г)о-группы. Слэдуещй этап - перенос электрона от анион-радикала с образованием радикальной формы жх" состояния карбонильной группы - изоораиеп па схеме 2.

Таким образом, с помощью молекул-акцепторов энергии возбухдэгам

интермедиат II

Т* состояние

кДя

© О х

+®@0 х

в

■■ Ох

360-

- •©

17.

г\ 19. го

Чб

15 14

13

Ох

12 11

Ох

10

Ох

Ох

О х 240 Ох

О х

х о г.

4 О

8 О

21

19,20

И

14,13

16

в 13

5

4

3

1.10

В, НЫ Б,,

Рис.з. Связь анергии низших возбужденных синглетных Ба состояний и радиуса действия и тушителей на биолюминесценцию б «ферментной системы в присутствиин деканаля (о) и тетрадеканаля (х). Тушители: I - родамин 68, 2-805ИН, 3 - 9,10-фенантрехинон, 4 - рш, 5 -1,4-Оензохинон, 6 - 1.4-ЕНтрахиноп, 7 - 1,4-нафтохинон, 8 -9,10-антрахинон, 9 - бензофенон, 10 - антрацен, II - антрон, 12 -1.4-дафенилбутадиен, 13 - нафталин, 14 - триптофан, 15 -гидрохинон, 16 - дифешш, 17 - бензойная кислота, 18 - индол, 19 -фенилалашга, 20 - толуол, 21 - бензол.

показано существование высокоэнергетического первично-возбузденно-го (т *) состояние; в хемилюминесцентной реакции с участием бакте-

кДж

ЗбС

240- -

Ох

® х О

«О х О х

Ох О х

О

4 О

О X

О х

Е,см~

3000& -

гоооо- •

о х

О х хО- -

Продукт реакции

т *

1п%

3 , *

%1%

21

19,20

17 15

11

14, 18

16

8 13

1. 10

8 О

П, им

Рис.4. Зависимость радиуса действия II тушителей на биокминосцан-цшп Оифермвнтной системы от энергии их низших триплетах состояний та в присутствии деканаля (о) и тетрадвканаля (х). Номер соедкпэ-ния соответствует приведенному на рис.3.

риального фермента.

Предложенный механизм может быть характерен и для других биолтаинесцентных процессов в случае, если молекула эмиттера биолюминесценции имеет полокение уровней, приведенное в табл.! г).

выводы

1. С помощью молекул акцепторов энергии возбуждения показано существование триплетного предшественника эмиттера бактериальной биолюминесценции.

2. Предложен механизм формирования возбуждения для биолшинес-центой реакции с участикм бактериального фермента, заключающийся в образовании ненизшего "¡^»-состояния в результате внутрикомп-лексного пэреноса электрона.

3. Для ряда п-хинонов показано, что эффективность фотовосстаповле-ния в полярной матрице, перехода нерадикальных форм ют*-состояний в радикальные и фотоприсоединения по с=с связи определяются соотношением и полонением ароматических подсистем молекул относительно карбонильных.

4. Установлено, что для молекул 1» .1-АХ, 6,13-ПХ, 2-0-9,10-АХ, 1,4-ЕХ т2(п.лг*>-состояния ответственны за фотовосстановление. Б. Экспериментально показано, что активация фотовосстановления молекул с ненизшим ^»-состоянием в присутствии молекул-акцопто-ров энергии связана с мекмолекулярным з-т переносом энергии между электронными состояниями различной орбитальной природа.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Н.С.Кудряшева, Г.А.Валькова, Д.Н.Шигорин, М.В.Горелик. Фотохимические свойства карбонилсодераащих соединений, принадлежащих различным спектральЕО-людшесцентнш грушам// Журн.Сиз.химии.-1989.- Т.63.1Я.- С.177-183.

2. Н.С.Кудряиеаа, Д.Н.Шигорин. Исследование эффективности фотовосстановления карбонилиодержащих соединений в присутствии молекул-акцепторов энгергш возбуздения/Лйфн.физ.хгмки.- 1988.-Т.62.ГО.- С.2526-2528.

3. Н.С.Кудряшбва, П. И.Белобров, В.К.Кратасюк. Физические закономерности тушения биолюминесценции бактериальной люциферазы.-Красноярск: И.Ф., 1987.- 42с. (Препр./АН СССР, Сиб.отделение, Ин-т физики им. Л.Б.Киренского, N706).

4. Н.С.Кудряшева, П.И.Белобров,' В.А.Кратасюк, М.К.Щврбинская.

Закономерности концентрационного тушения биолюминесценции бифер-ментной системы.- Красноярск: И.Ф., 1988.- 39с. (Црепр./ АН СССР, Сиб.отделение, Ин-т физики вм.Л.В.Киренского, Н81Б). Б. Н.С.Кудрятева. Г.А.Валькова, Д.Н.Шигорин. Фотохимические и спектрально-люминесцентные свойства 1.4-антрахинона,- Красноярск/ И.Ф.,1988.- 14с. (Пренр./ АН СССР, Сиб.отделение, Ин-т физики им. Л.В.Киренского, N90E).

6. H.S.Kudryasheva, P.I.Balobrov, B.A.Kratasyuk, U.K.Sherbinekaya. Physioal-ohemloal regularities of external quenohirvj oi bacterial biolumineosenoe/ In book Biologioal birnineaoenoe, Singapurs: fforld Soientifio, 1990, pp.375-385.

7. Н.С.Кудряшева, П, И, Белобров, В.А.Кратасюк, Д.Н.Шигорш. Изучение механизма биолюминесценции с помощью молекул тушителей.-Красноярск/ И.Ф., 1991." 22 с.(Препр./АН СССР, Сиб.отделение, Ин-т.физики км.Л.В.Киренского, NI56B).

8. Н.С.Кудряшева, Г.А.Валькова, Д.Н.Шигорин. Орбитальная природа низших триплэтных состояний и фотохимическая активность

2-фенил-Э,10-антрах1Шона//05ури.фйз.химии,- 1991,- Т.65.- в печати.

9. Н.С.Кудряшева, п.И.Белобров. Спектрально-люминесцентные и фотохимические свойства флавинмононуклеотида. Тезисы 5-ой всесоюзной конференции по органическим люминофорам, Харьков, IS87, С.57.

10. Н.С.Кудряшева, П.И.Белобров Закономерности воздействия индивидуальных соединений на бактериальную биолюминесценции.Тезисы

3-его всесоюзного совекания "Люминесценция и развитие so применений в народном хозяйстве". Iura, 1989, С.113.

11. Н.С.Кудряшева, Д.Н.Шигорин. Электронная структура и фотохимические свойства 1.4-антрахинона. Тезиса 4-ой всесожшой конференции по фотохимии, Новосибирск, 1989, С.29.

12. Н.С.Кудряшева. Увеличение эффективности фотовосстеноааэкня карбонилсодерхащих соединений в присутствии молекул-акцепторов энергия возбуздения. Тезисы 4-ой всесоюзной конфэрэнцы! по фотохимии, Новосибирск, 1983, С.30.

13. Н.С.Кудряшева, П.И.Белобров. Слектралъно-лзкЕяесцвнтинэ к фотохимические свойства растворов ffi.CH + родагяг: КН. Тезисы всесоюзного совещания по люминесценции, Караганда, IS89, С.114.

14. Н.С.Кудряшева, П.И.Белобров, ' В.А.Кратасш. Электронно-возбужденные состояния в реакции Сиоязслнссцепцки. Тезисы З-его

всесоюзного совещания по хеюшмине сцвнции, Рига, 1990, С л 09.

15. N.S.Kuiryaaheva, P.I.Belobrov. Spaotral-lumlneaoant and photooliemioal propertiee oí FMN-ríio (lamine 60 solutions. Abetraota ot Intam. Coní. on Chamloal Engañeering, Praha, 1990, P.182.

16.Н.0.Кудрялева, Г.А.Валькова, Д.Н.Шигорин. Электронные конфигурации и фотохимическая активность 2-февил-9,Ю-антрахинсиа. Тез. всесоюзной конференции по хинонам и их производным, Красноярск, 1991, С.59.

Подписано к печати 18.6.91 Тираж 100 Объем 1 п.л. Заказ299 Формат бумаги 60x90/16 Бесплатно

Отпечатано на ротапринте ИФ СО АН СССР 660036, Красноярск, Академгородок