Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

им. Н.Н. БУРДЕНКО"

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ

Методические указания

студентам по теме практического занятия

КВАНТОВАЯ БИОФИЗИКА

Воронеж 2009

УДК	53 (071)
ББК	22.314я73
	Д532

Рецензенты:	Зав. кафедрой нормальной физиологии ВГМА им. Н.Н. Бурденко, д.м.н., профессор Яковлев В.Н.
	Зав. кафедрой медико-биологических дисциплин ВГИФК, к.б.н. Попова И.Е.

Д532	Дмитриев Е.В. Квантовая биофизика: метод. указания / Е.В. Дмитриев, И.Е. Савостина. – Воронеж: ВГМА, 2009. – 16 с.: ил.

Методические указания разработаны на основании примерных рабочих программ по медицинской и биологической физике (специальности: лечебное дело, педиатрия, медико-профилактическое дело), физике и биофизике (специальности: фармация, сестринское дело), рекомендованных Центральным методическим советом ВГМА. Содержат основные теоретические вопросы по данной теме и дидактические единицы для подготовки к занятию и самоконтроля. Предназначены для студентов I и II курсов лечебного, педиатрического, медико-профилактического, фармацевтического факультетов, МИМОС (лечебное дело), ИСО.

Печатается по решению Центрального методического совета ВГМА

(протокол №6 от 16.04.2009 г.).

	УДК 53 (071)
	ББК 22.314я73
	© ВГМА, 2009

ТЕМА: Квантовая биофизика

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:

1. Овладеть необходимыми теоретическими знаниями в области квантовой биофизики.

2. Выработать умения применять полученные знания для анализа конкретных физических явлений, наблюдаемых в биологических системах.

После изучения темы студент должен знать:

а) основные закономерности взаимодействия света с веществом;

б) пути дезактивации возбужденного состояния молекулы;

в) природу люминесценции и применение этого явления в медицине;

г) сущность фотобиологических процессов и основы квантовой медицины.

УМЕТЬ:

а) проводить расчет концентрации вещества на основе данных спектральных и фотометрических методов;

б) проводить анализ, количественную и качественную оценку спектров поглощения биологически значимых соединений.

МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ

Фотобиологические процессы лежат в основе многих физиологических реакций организма. Закономерности миграции энергии возбужденной молекулы находят отражение в реализации биоэнергетических процессов в живой системе. Основы квантовой биофизики необходимы для понимания принципов фототерапии. Спектральные, фотометрические методы анализа, метод хемилюминесценции, люминесцентные зонды широко используются в диагностике заболеваний и являются адекватным инструментом при решении большого круга научных задач в современной биологии и медицине. Поэтому тема "Квантовая биофизика" в рамках дисциплины "Медицинская и биологическая физика" необходима студентам для прохождения профессиональных дисциплин и дисциплин специальности, приобретения навыков научно-исследовательской работы.

Самостоятельная работа студентов во внеурочное время

Задание 1.

Изучить теоретический материал занятия, используя рекомендуемую литературу по следующей логической структуре учебного материала:

1. Электронные переходы в молекулах

а) понятие о синглетном и триплетном уровнях возбужденного состояния;

б) пути миграции энергии.

2. Поглощение света веществом

а) закон Бугера–Ламберта–Бера;

в) спектры поглощения биологических соединений;

г) принципы работы спектрофотометров и фотоэлектроколориметров.

3. Природа люминесценции и ее применение в медицине.

4. Фотобиологические процессы

а) стадии фотобиологических процессов;

б) биологические эффекты оптического диапазона электромагнитных излучений;

в) спектр фотобиологического действия.

5. Основы фотомедицины

а) роль фотосенсибилизаторов в формировании ответной реакции организма;

б) фотогемотерапия.

Задание 2.

Подготовить реферативные сообщения на темы, полученные у преподавателя на предыдущем занятии.

Средства для самоподготовки студентов

во внеаудиторное время

1. Учебная и методическая литература

а) основная

– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 446-487.

– Физика и биофизика / Под ред. В.Ф. Антонова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – С. 90-115.

– Лекционный материал по теме "Квантовая биофизика".

– Ремизов А.Н. Сборник задач по медицинской и биологической физике / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина. – М.: Дрофа, 2001. – С. 136-139.

б) дополнительная

– Владимиров Ю.А. Лекции по медицинской биофизике / Ю.А. Владимиров, Е.В. Проскурина. – М.: Изд-во МГУ; ИКЦ "Академкнига", 2007. – С. 19-113, 136-170.

– Артюхов В.Г. Биофизика / В.Г. Артюхов, Т.А. Ковалева, В.П. Шмелев. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1994. – С.229-259, 282-302.

2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).

Теоретический материал по теме занятия

Взаимодействие квантов света с биологическими соединениями.

Квантовая биофизика изучает электронную структуру биологически важных молекул, электронные переходы в этих молекулах и пути превращения энергии возбужденного состояния молекул в энергию продуктов.

Каждый электрон в молекуле находится на определенной орбитали и обладает определенной энергией. Если молекуле сообщить энергию, например, в форме кванта света, может произойти переход с заполненного основного уровня (S₀) на один из незаполненных (рис. 1). При этом молекула оказывается в синглетном (S₁, S₂, …, S_n) электронно-возбужденном состоянии.

Рис. 1. Электронные переходы в молекулах.

За счет внутренней конверсии (безизлучательная отдача энергии) электроны всегда оказываются на низшем колебательном подуровне синглетного возбужденного состояния (S₁). Спины электронов не изменяются (антипараллельны), время жизни молекул в состоянии составляет 10^–8–10^–9 с. Далее, с определенной вероятностью, могут реализовываться следующие пути превращения энергии состояния S₁:

1. В тепло: S₁ → S₀ (внутренняя конверсия).

2. Испускание кванта флюоресценции: S₁ → S₀ + h_фл

3. Фотохимическая реакция: S₁ → продукт.

4. Передача энергии возбуждения другой молекуле.

5. Обращение спина электрона и переход молекулы в триплетное возбужденное состояние: S₁ → Т₁ (интеркомбинационная конверсия). Спины электронов в состоянии Т₁ и S₀ одинаковы, поэтому переход в основное состояние запрещен и время жизни молекулы в Т₁ значительно больше – 10^–4–10 с. Из триплетного состояния возможны следующие пути реализации энергии:

– безизлучательный переход с обращением спина электрона: Т₁ → S₀;

– испускание кванта фосфоресценции: Т₁ → S₀ + h;

– фотохимическая реакция: Т₁ → продукт;

– передача энергии возбуждения другой молекуле.

Любые излучательные переходы в молекуле (флюоресценция, фосфоресценция) называют общим термином – люминесценция.

Для того чтобы данный раствор или вещество поглощали энергию падающего пучка света необходимо выполнение энергетического условия: частота поглощаемого излучения () должна соответствовать выражению Бора:

,

где h – постоянная Планка – 6,63∙10^–34 Дж∙с, Е₁ – энергия основного состояния молекулы, Е₂ – энергия возбужденного состояния. Уравнение показывает, что энергия кванта (фотона) поглощается молекулой целиком, а не по частям.

Поглощение света внешне проявляется в ослаблении светового потока при прохождении через исследуемый объект. Это явление может быть измерено инструментально с помощью приборов: спектрофотометра, фотоэлектроколориметра:

,

где Т – коэффициент светопропускания; I₀ – интенсивность света, падающего на образец; I – интенсивность света, прошедшего через раствор (величина 1–Т называется коэффициентом светопоглощения). Поскольку коэффициент светопропускания связан с концентрацией раствора сложной экспоненциальной зависимостью, на практике обычно используют величину оптической плотности (D).

Закон Бугера–Ламберта–Бера: поглощение света исследуемым образцом прямо пропорционально зависит от концентрации вещества (с, моль∙л^–1), расстояния, которое свет проходит в растворе – длины оптического пути (l, см) и способности вещества поглощать свет данной длины волны – коэффициента молярной экстинкции (, л∙моль^–1∙см^–1):

,

Коэффициент молярной экстинкции является фундаментальной характеристикой вещества, его величина не зависит от условий измерения, а определяется лишь способностью данных молекул поглощать свет той или иной длины волны. Значения  для многих веществ определены и внесены в соответствующие справочные издания.

Закон Бугера-Ламберта-Бера иногда выражают в виде

Коэффициент молярной экстинкции может быть выражен через натуральный молярный показатель поглощения (_):. Величина _ отражает суммарное эффективное сечение поглощения всех молекул одного моля (_=sN_A). Поэтому закон Бугера-Ламберта-Бера может иметь вид

Графики, выражающие зависимость D (реже ) от длины волны падающего света, называют спектрами поглощения вещества.

За поглощение света в ультрафиолетовой и видимой областях спектра ответственны определенные группы, входящие в состав сложных молекул и называемые хромофорными группами. Обычно они имеют систему сопряженных двойных связей (часто циклические, ароматические системы).

Наиболее значимые полосы поглощения биологических макромолекул:

1. λ ≈ 190 нм – пептидные связи белковой молекулы (интенсивность полосы увеличивается при нарушении пространственной организации молекулы);

2. λ ≈ 255-280 нм – серосодержащие аминокислоты (цистин, цистеин, метионин);

3. λ ≈ 260 нм – пуриновые и пиримидиновые основания нуклеотидов;

4. λ ≈ 280 нм – ароматические аминокислоты (триптофан, фенилаланин, тирозин);

5. λ ≈ 412 нм (полоса Соре) – порфиринсодержащие соединения (гемоглобин);

6. λ ≈ 500 нм – комплекс ретиналя и опсина (зрительный пигмент родопсин).

Регистрация спектров поглощения – широко используемый диагностический и научно-исследовательский метод. Он позволяет:

1. Идентифицировать вещество в исследуемой пробе.

2. Определить концентрацию вещества в растворе.

3. Оценить конформационные перестройки макромолекул, которые приводят к изменению соотношения хромофоров на их поверхности.