Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Биофизика
Посмотреть оригинал

Туннельный механизм.

Механизм обеспечивает эффективный транспорт электронов между донорно-акцептор-

Температурная зависимость скорости окисления цитохрома is фотосинтезирующих бактериях

Рис. 11.5. Температурная зависимость скорости окисления цитохрома is фотосинтезирующих бактериях

иыми группами, расположенными на расстоянии 10—15 А. Именно такой перенос может идти вдыхательной и фотосинтегической цепи, где простетические группы погружены в белковые глобулы на 5 — 10 А и взаимодействуют друг с другом через белковую матрицу (в цитохро- мах). Перенос электрона происходит в белке по «электронной тропе». Рассмотрим природу этих процессов. Эксперименты показали, что перенос электрона в фотосинтетической цепи идет эффективно как при комнатных, так и при низких температурах.

На рис. 11.5 приведена кривая зависимости окисления цитохрома фотоактивной молекулой бактериохлорофилла в фотоеинтетических реакционных центрах. Как видно, кривая носит двухфазный характер. Начальный активационный участок кривой отражает влияние температуры на перестройки ядер атомов в белковых частях переносчиков, которые необходимы для обеспечения эффективного переноса электрона. При низких температурах эти перестройки затруднены, в результате чего скорость переноса электрона падает. Однако здесь перенос происходит хотя и медленнее, но незначительно зависит от температуры. Этому соответствует безактивационный низкотемпературный участок кривой переноса электрона. В основе описанного переноса электрона, сопряженного с перестройкой ядерной системы, лежат так называемые туннельные эффекты, которые связаны с элек- тронно-конформационными взаимодействиями в макромолекулах. Физическая природа туннельного эффекта носит чисто квангово- мехапический характер и не имеет классических аналогов.

Учитывая важность электронно-конформационных взаимодействий, составляющих основу функционирования макромолекул, остановимся подробнее на этих вопросах.

Туннелирование электрона через конечный потенциальный барьер

Рис. 11.6. Туннелирование электрона через конечный потенциальный барьер

Электронно-колебательные взаимодействия при туннелировании электрона

Рис. 11.7. Электронно-колебательные взаимодействия при туннелировании электрона: /?, Л, — смещение положения равновесия ядер при переходе из электронного состояния D А в состояние DA

Согласно квантовым представлениям частица (электрон, отдельные ядра) обладает определенной вероятностью прохождения сквозь потенциальный барьер, энергия которого больше, чем энергия самой частицы (рис. 11.6). Такое «просачивание» сквозь барьер, или туннелирование, нс требует тепловой активации. В квантовой механике оно связано с тем, что состояние частицы характеризуется некоторой «размазанностью». Следовательно, существует вероятность найти частицу в разных точках окружающего ее пространства, включая м область, находящуюся за потенциальным барьером. Туннельные переходы совершают электроны и ядра в комплексе DA. В исходном состоянии (D А) ядерные конфигурации донорно-акцепторного комплекса соответствуют состоянию, когда электрон локализован на доноре (D А). Ядерная конфигурация конечного состояния после переноса электрона и изменения электронного состояния (D А —» DA ) отличается от начальной, и система имеет другую энергию (рис. 11.7). Это значит, что равновесные ядерные координаты /?, и Л, начального (D А) и конечного (DA ) состояний отличаются. Однако существует точка /?*, в которой кривые потенциальной энергии пересекаются. Очевидно, в точке R* энергии начального (D А) и конечного (DA ) состояний совпадают. Допустим, что донорно-акцепторный комплекс, находившийся в состоянии D А, перестроился таким образом, что его ядерная координата попала в окрестность точки R*. Само по себе это необязательно приведет к переносу электрона. Но в точках, близких к /?*, сравнительно невелика ширина барьера туннелирования, отделяющего потенциальные кривые начального и конечного состояний.

Поскольку около точки R* энергии начального и конечного состояний близки, то во время пребывания системы около R* электрон может успеть протуннелировать от D на А.

Для закрепления на акцепторе электрон должен успеть потерять часть своей энергии, чтобы не вернуться таким же образом назад.

В свою очередь для этого ядерная система должна успеть перестроиться так., чтобы часть электронной энергии ушла в тепло, а вся система приобрела ядерную конфигурацию, соответствующую состоянию DA с координатой R-,. В этом случае за время пребывания электрона на А ядерная конфигурация изменится так, что система «свалится» в точку R:. В результате произойдет необратимый перенос электрона от D к А и система перейдет в состояние DA .

Ядерная система комплекса DA, находящегося в исходном состоянии R|, может попасть в окрестность точки R* за счет тепловой активации и перехода на верхние колебательные уровни исходного состояния, где координаты ядер близки к R*. Этому процессу соответствует активационный температурно-зависимый участок двухфазной кривой переноса электрона. При низких температурах ядра находятся на нижних колебательных уровнях, где ширина барьера между по- тенциальными кривыми начального и конечного состояний шире, чем на верхних уровнях. В этом случае существует также и меньшая вероятность туннелирования самих ядер в конечное состояние, которая уже не зависит от температуры.

Таким образом, общая вероятность И/туннельного переноса электрона. сопряженного с перестройкой ядерной системы и тепловой диссипацией части электронной энергии, складывается из двух частей:

где Wt) — вероятность подбарьерного, не зависящего от температуры туннелирования с нижних колебательных уровней; И7, — вероятность надбарьерного активационного процесса, fV0 « Wx tiw — энергия колебательного кванта, необходимая для активации переноса.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы