Кафедра физико-химической биологии

Учебная работа


Главная
  • Контакты
  • История
  • Сотрудники
  • Достижения

    Научная работа

  • Лаборатория молекулярной фотобиологии
  • Лаборатория изотопного анализа
  • Учебная работа

  • Спецкурсы
  • Изотопный практикум

    Филиал МГУ в Пущино

  • Летняя практика
  • Курсы повышения квалификации


  • Спецкурсы

    Цикл лекций по фотобиологии и основам фотохимии на Биологическом факультете МГУ был введен академиком А.А. Красновским (1953 г.), а с 1958 г. читался профессором Ф.Ф. Литвиным.

    В настоящее время читаются следующие курсы:



    Программы спецкурсов:

    ВВЕДЕНИЕ В МОЛЕКУЛЯРНУЮ СПЕКТРОСКОПИЮ

    ВВЕДЕНИЕ

    Молекулярная спектроскопия, принцип получения информации о биологических объектах. Цели теоретической и практической частей курса.

    ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С МОЛЕКУЛАМИ.

    Волновые характеристики электромагнитного излучения. Уравнение распространяющейся волны. Соотношение между длиной волны, частотой, фазовой скоростью, волновой вектор. Корпускулярные свойства излучения, формула Планка, энергия, импульс, момент импульса кванта, эффект Допплера, смещение и уширение спектральных линий.

    Принципы Мессбауэровской (гамма-резонансной) спектроскопии и фотоэлектронная спектроскопия.

    Корпускулярно-волновой дуализм, соотношения де Бройля, волновая функция, квантование вращательной, колебательной и электронной энергии, энергетические уровни молекулы.

    Взаимодействие квантов с атомами и молекулами, условие частот Бора. Дипольное приближение, дипольный момент перехода, золотое правило Ферми.

    Электронно-колебательные переходы. Электронный дипольный момент перехода, интеграл Франка-Кондона. Разрешенные и запрещенные переходы. Запрет по симметрии и по спину. Принцип Франка-Кондона и вероятность электронно-колебательных переходов.

    Молекулярные орбитали (МО-ЛКАО), переходы при поглощении и излучении квантов. Роль симметрии, молекулярные термы. Типы движения молекулы. Соотношение энергии электронного, колебательного и вращательного движений, их разделение (адиабатическое приближение). Шкала электромагнитных волн, различные типы переходов и области спектроскопии.

    АБСОРБЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ.

    Закон Ламберта-Бера. Оптическая плотность, пропускание, поглощение. Количественный анализ веществ. Проверка соблюдения закона и особенности приложения к биологическим объектам. Свойства аддитивности оптической плотности. Анализ смеси веществ по спектрам поглощения. Основные хромофоры биологически важных соединений, влияние растворителя на спектры поглощения.

    Дифференциальная спектроскопия. Принцип, использование для исследования биохимических реакций.

    Форма полос поглощения, их разрешение. Низкотемпературная и производная спектроскопия. Исследование кинетики процессов. Поляризованное излучение. Линейный и круговой дихроизм. Дисперсия оптического вращения.

    ФЛУОРЕСЦЕНТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ.

    Переходы между электронными уровнями молекул при поглощении и излучении квантов, пути растраты энергии. Время жизни возбужденных состояний, квантовые выходы.

    Соотношения между поглощением и флуоресценцией. Правила Каши, Стокса, Вавилова, зеркальной симметрии спектров поглощения и флуоресценции. Схема Яблонского.

    Триплетные уровни, фосфоресценция и замедленная флуоресценция.

    Схема измерения флуоресценции. Скрещенные светофильтры. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации. Эффекты экранирования и реасорбции. Условия низкой оптической плотности. Измерение концентрации веществ. Измерение спектров флуоресценции.

    Анализ веществ по спектрам флуоресценции. Тушение флуоресценции, формула Штерна-Фольмера, флуоресцентные зонды. Миграция энергии электронного возбуждения. Спектры возбуждения флуоресценции, использование для идентификации веществ.

    Ферстеровский перенос энергии электронного возбуждения и его использование в биологических исследованиях. Исследование кинетики флуоресценции, разрешенные во времени спектры флуоресценции.

    Измерение фосфоресценции. Поляризация флуоресценции. Корреляционные спектры флуоресценции. Формула Перрена. Влияние окружения на спектры поглощения и флуоресценции.

    Рекомендуемая учебная литература:

    основная:
    1. Орир Дж. Электричество, волны, квантовая физика. В кн.: Физика. М.: Мир, 1981, т.2.
    2. Эткинс П. Физическая химия. М.: Мир, 1980, т.1, 2.
    3. Фрайфельдер Д. Физическая химия. М.: Мир, 1980.
    4. Владимиров Ю.А., Литвин Ф.Ф. Фотобиология и спектральные методы исследования.В кн. Практикум по биофизике. Под ред. Тарусова Б.Н.М.: Высшая школа.1974.

      дополнительная:

    5. Campbell L.D., Dwek R.A. Biological Spectroscopy of Oxford.
    6. Banwell C.N., McCash Fundamentals of Molecular Spectroscopy. McGraw-Hill Book (Europe), 4 Ed. (Berrshire England).

    ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

    ВВЕДЕНИЕ.

    Спектроскопические исследования в биохимии и молекулярной биологии. Возможности современного спектрального анализа.

    Принципы получения информации при исследовании взаимодействия излучения с молекулами, прямая и обратная задачи спектроскопии, роль квантово-механической теории.

    Цель курса и его построение.

    ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С МОЛЕКУЛАМИ.

    Волновые характеристики излучения. Уравнение распространяющейся плоско поляризованной электромагнитной волны (амплитуда напряженности, фаза, частота, фазовая скорость, длина волны, волновой вектор, волновое число). Зависимость скорости и длины волны от коэффициента преломления среды. Энергия волны. Запись уравнения в комплексной форме. Волновое уравнение. Принцип суперпозиции.

    Интерференция конструктивная и деструктивная интерференция. Дифракция и дисперсия, принцип дифракционной решетки, дифракция рентгеновских лучей на молекулярных кристаллах и рентгеноструктурный анализ.

    Биения, групповая скорость, волновой пакет.

    Стоячие волны, одномерный случай, условие стационарности, колебания мембраны, собственные значения и собственные функции.

    Поляризация излучения, линейная, круговая, эллиптическая. Понятие о линейном и круговом дихроизме, дисперсия оптического вращения, использование в молекулярной биологии.

    Корпускулярные свойства излучения. Фотоэффект, формула Планка, энергия кванта, связь с длиной волны потока квантов. Принцип фотоэлектронной спектроскопии молекул.

    Импульс кванта, сохранение импульса при взаимодействии с молекулами. Эффект Доплера и эффект "отдачи". Доплеровское уширение спектральных линий, использование эффекта для измерения температуры, скорость движения частиц. Резонансная спектроскопия, эффект Мессбауэра в биологии. Момент импульса кванта, связь с круговой поляризацией, сохранение момента импульса при взаимодействии с молекулами и правила отбора.

    Волновые свойства микрочастиц. Корпускулярно-волновой дуализм, импульс и длина волны, соотношение Де-Бройля. Принцип электронной микроскопии, нейтронографии и др. Момент импульса частиц, квантование проекции момента импульса и его величины для атомов. Сохранение момента импульса при взаимодействии с атомами и молекулами, разрешенные переходы.

    Понятие о моменте фотона, спине электрона, ядерные спины, фермионы и бозоны.

    Волновая функция и плотность вероятности (аналогия с амплитудой напряженности и энергией излучения). Волны вероятности (Де-Бройля). Стационарное уравнение Шредингера (связь с классическим волновым уравнением). Операторный метод, операторы импульса, кинетической и потенциальной энергии, оператор Гамильтона. Собственные функции и собственные значения. Стационарные состояния, зависимость от времени.

    Частица в потенциальной яме, модель электрона в полиенах. Решение уравнения Шредингера с учетом граничных условий. Квантование энергии, заселение электронных уровней с учетом запрета Паули. Переходы между уровнями, красное смещение спектра поглощения полиенов. Свойства волновых функций стационарных состояний (симметрия, ортогональность, нормировка), распределение электронной плотности вдоль цепи полиена. Ямы конечной глубины, туннельный эффект, расщепление энергетических уровней при сближении ям, эффект туннелирования электрона. Трехмерный потенциальный ящик, квантовые тела, вырожденные состояния.

    Движение молекул. Вращательное движение молекул. Модель ротатора. Оператор кинетической энергии. Квантование энергии, вырождение. Момент инерции, изотопное замещение. Правила отбора для вращательных переходов, влияние заселенности уровней. Различные типы молекул-ротаторов. Внутреннее вращение.

    Колебательное движение молекул. Модель гармонического осциллятора. Квантование энергии и свойства волновых функций. Ангармонический осциллятор и потенциал Морзе. Правила отбора для колебательных переходов. Многоатомные молекулы и анализ по инфракрасным спектрам. Колебательно-вращательное движение молекул. Уравнение Шредингера для водородоподобных атомов, квантование энергии, волновые функции, квантовые числа, принцип Паули, основные правила отбора. Молекулярные орбитали, метод МОЛКАО. Молекулярные спектроскопические термы.

    Соотношения между вращательным, колебательным и электронным движением, приближение Борна-Оппенгеймера, принцип Франка-Кондона. Шкала электромагнитных волн и различные области спектроскопии (микроволновые вращательные, инфракрасные колебательные, электронно-колебательные, спектроскопия в видимой и УФ области, рентгеновская и резонансная спектроскопия).

    Теоретические основы спектроскопии. Дипольный момент, энергия диполя в электрическом поле. Дипольный момент в квантовой механике, дипольный момент перехода и вероятность переходов, золотое правило Ферми. Основные правила отбора для вращательных, колебательных и электронно-колебательных переходов. Роль пространственного перекрывания волновых функций, запреты по симметрии и по спину. Электронный дипольный момент перехода, интеграл Франка-Кондона. Правила отбора для переходов в двухатомных молекулах.

    АБСОРБЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ В ВИДИМОЙ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ.

    Закон Ламберта-Бера, сечение поглощения, оптическая плотность (поглощение), молярный коэффициент поглощения, связь между ними. Аддитивность оптической плотности. Спектры поглощения. Определение концентрации веществ в смеси. Дифференциальная спектроскопия, принцип метода, форма спектров. Соотношение между пропусканием Т, поглощением (1-Т) и оптической плотностью, зависимость от концентрации. Различие спектров D и (1-Т). Применение закона Ламберта-Бера к биологическим объектам, влияние светорассеяния, эффект проскока.

    Поглощение света высокой интенсивности (роль времени жизни возбужденных состояний). Измерения при фотометрии (немонохроматическое освещение), выбор светофильтров. Дихроизм. Форма полос поглощения, проблема разрешения полос в спектрах биологических объектов. Производная и низкотемпературная спектроскопия.

    Электронно-колебательные уровни и переходы между ними. Схема Яблонского, триплетные и синглетные возбужденные состояния, интеркомбинационные переходы между ними, диссипация энергии, колебательная релаксация. Времена жизни. Люминесценция, флуоресценция и фосфоресценция. Соотношение между поглощением и флуоресценцией молекул, правило Каша, закон Стокса, закон Вавилова, зеркальная симметрия спектров поглощения и флуоресценции. Интенсивность электронно-колебательных переходов (принцип Франка-Кондона).

    Кинетика флуоресценции и фосфоресценции, время жизни, естественное и действительное. Квантовые выходы. Стационарная концентрация возбужденных молекул. Интенсивность флуоресценции и скорость первичных фотопроцессов. Тушение флуоресценции, формула Штерна-Фольмера. Влияние растворителя и других факторов на спектры поглощения и флуоресценции. Люминесцентные зонды.

    ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ.

    Принцип измерения люминесценции, простейшая установка. Требования к источнику света, светофильтрам (скрещенность), кюветам, растворителю. Определение концентрации вещества по флуоресценции, концентрационное тушение, условия измерений. Эффект экранирования и реасорбции флуоресценции, выбор оптимальных условий. Спектральные проявления эффектов. Измерение спектров флуоресценции. Спектр возбуждения флуоресценции, связь со спектром поглощения. Спектр действия фотохимической реакции и фотобиологического процесса. Установка с двумя монохроматорами, комплексный анализ спектров флуоресценции и возбуждения смеси веществ. Кинетика флуоресценции, разрешенные во времени спектры флуоресценции. Фосфоресценция молекул, триплет-триплетное поглощение, замедленная флуоресценция.

    Рекомендуемая учебная литература:

    основная:
    1. Орир Дж. Электричество, волны, квантовая физика. В кн.: Физика. М.: Мир, 1981, т.2.
    2. Эткинс П. Физическая химия. М.: Мир, 1980, т.1, 2.
    3. Фрайфельдер Д. Физическая химия. М.: Мир, 1980.
    4. Владимиров Ю.А., Литвин Ф.Ф. Фотобиология и спектральные методы исследования.В кн. Практикум по биофизике. Под ред. Тарусова Б.Н.М.: Высшая школа.1974.
    5. Грибов Л.А. Введение в молекулярную спектроскопию. М.: Наука, 1976.

      дополнительная:

    6. Campbell L.D., Dwek R.A. Biological Spectroscopy of Oxford.
    7. Banwell C.N., McCash Fundamentals of Molecular Spectroscopy. McGraw-Hill Book (Europe), 4 Ed. (Berrshire England).
    8. Балтроп Дж., Койл Дж. Возбужденные состояния в органической химии. М.: Мир, 1978.
    9. Michael Hollas J. Modern Spectroscopy. Second Edition. John Wily and Sons. 1995.
    10. McHale J.L. Molecular Spectroscopy. Prentice Hall. N 9, 1999.
    11. Крауфорд Ф. Волны. в кн. Берклеевский курс физики. М.: Наука, 1976, т.III.
    12. Вихман Э. Квантовая физика. в кн. Берклеевский курс физики. М.: Наука, 1976, т.IV.

    ОСНОВЫ ФОТОБИОЛОГИИ

    m

    ВВЕДЕНИЕ

    Фотобиохимические процессы, их роль в экологических и биосферных циклах, значение для человека, промышленности и сельско-хозяйственного производства.

    Классификация фотобиологических процессов. Последовательность стадий, проблема сопряжения фотофизических, фотохимических и последующих стадий. Связь фотобиологии и биологической спектроскопии. Цели и задачи курса.

    ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С МОЛЕКУЛАМИ, ПЕРВИЧНЫЕ АКТЫ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

    Общие закономерности поглощения света растениями.

    Закон Бугера - Ламберта Бера применительно к биологическим системам разных уровней. Зависимость поглощения от химического состава (хромофоры) и концентрации молекул, геометрических факторов. Проблема адаптации биологических систем к свету.

    Характеристики электромагнитного излучения Солнца и искусственных источников света. Уравнение распространяющихся электромагнитных волн. Квантовая природа света; формула Планка; соотношение между энергией кванта, длиной волны, частотой излучения. Корпускулярно-волновой дуализм, импульс и момент импульса квантов, Де-Бройлевская длина волны и импульс микрочастиц. Квантование энергии на атомном и молекулярном уровне, стационарное уравнение Шредингера. Уровни вращательный, колебательный и электронный. Энергии. Дипольный момент перехода. Золотое правило Ферми, вероятность переходов в микроволновой, инфракрасной, видимой и УФ области. Электронно-колебательные переходы и фотобиологические процессы. Абсорбционная спектроскопия, значение для фотобиологических исследований, важнейшие хромофоры растений, их спектры поглощения.

    Первичные фотофизические стадии фотобиологического процесса, следующие за поглощением квантов.

    Диссипация энергии возбужденных состояний сложных молекул, колебательная релаксация. Первичные фотопроцессы (флуоресценция и фосфоресценция, тушение флуоресценции, перенос энергии на другие молекулы, фотохимическая реакция).

    Сечение поглощения, связь с молярным коэффициентом поглощения. Константы скорости первичных процессов и время жизни возбужденных состояний, их стационарная концентрация. Фотосенсибилизированные реакции. Скорость первичных фотофизических и фотохимических процессов в стационарном режиме, квантовый выход и сечение фотореакции, уравнение Штерна-Фольмера. Кинетика необратимой и обратимой фотореакции, реципрокность и дозовая зависимость.

    Межмолекулярный перенос энергии возбужденных состояний, индуктивно-резонансный перенос, уравнение Ферстера. Расстояние переноса, роль ориентационного фактора.

    Механизм основных биологически важных фотореакций

    Разделение зарядов, фотоокисление и фотовосстановление, фотоизомеризация и фотодиссоциация, фотодимеризация и др.

    Проблема максимальной скорости и эффективности фотобиологических процессов, чувствительности фоторецепторных систем. Термодинамические и кинетические (диффузионные) ограничения. Роль биологической структуры. Отбор хромофоров, фактор высокой концентрации поглощающих свет молекул, функции пигмент-белковых комплексов и мембранных структур. Проблема светоустойчивости и защиты от фотодеструкции. Пигментные комплексы, обеспечивающие сопряжение с последующими стадиями конверсии световой энергии.

    Световые кривые и спектральная зависимость фотобиологических процессов.

    Световая зависимость фотопроцессов световые кривые различной формы. Кинетика полициклических процессов. Спектр действия фотохимической реакции и спектр поглощения светопоглощающего вещества. Оптимальные условия измерений. Спектры поглощения многокомпонентных систем. Доля поглощения отдельных компонентов, эффект экранирования и его зависимость от оптической плотности. Спектр действия фотореакции в многокомпонентной системе, сенсибилизация, миграция энергии.

    Зависимость спектра действия от интенсивности света для различного типа световых кривых, различные способы измерения, представление и интерпретация результатов.

    Зависимость формы спектров действия и световых кривых от временного масштаба процессов. Адаптация фотобиологических систем к световому фактору, проблема световой (нехроматической) и хроматической адаптации, их комплексный анализ. "Кривая толенантности".

    ФЕНОМЕНОЛОГИЯ И МЕХАНИЗМ ПЕРВИЧНЫХ СТАДИЙ НЕКОТОРЫХ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

    Фотосинтез.

    Морфологические закономерности приспособления к оптимальному уровню поглощения. Светособирающие антенны и фотосинтетические единицы. Особенности переноса энергии электронного возбуждения. Структура реакционных центров (РЦ) различных типов. Спектроскопия молекул пигментов РЦ. Фотохимические реакции. Пикосекундная и фемтосекундная спектроскопия реакционных центров. Механизм переноса электрона. Механизм разделения зарядов и первичной стабилизации энергии в реакционных центрах фотосинтеза, сопряжение с последующими процессами. Квантовый и энергетический выход. Световые кривые фотосинтеза, спектры действия, влияние фотодыхания и других процессов. Хроматическая и нехроматическая адаптация фотосинтеза.

    Фотохимические стадии биосинтеза хлорофилла в растении.

    Заключительные светозависимые стадии биосинтеза хлорофилла. Методы спектроскопического исследования процессов, низкотемпературная люминесцентная и абсорбционная спектроскопия. Активный комплекс предшественника (протохлорофиллида) и его фотохимическое восстановление до хлорофиллида. Последовательность и механизм световых и темновых реакций. Пути биосинтеза феофитина и хлорофилла реакционных центров двух фотосистем и антенного пигмента. Проблема фотодеструкции и защиты пигментных структур, роль синглетного кислорода, каротиноидов. Фотогербициды.

    Фотоморфогенез.

    Спектры действия и дифференциальные спектры поглощения. Фитохром как фотосенсибилизатор. Фотообратимые реакции фитохрома,фотостационарное равновесие. Структура хромофора, спектроскопические характеристики. Механизм первичных фотопроцессов. Различные формы фитохрома, их роль. Полифункциональность и полиморфизм фитохрома.

    Фоторегуляция движения.

    Фоторегуляция движения одноклеточных фотосинтезирующих организмов, фототаксис; роль структурного фактора, фоторецептор и затеняющее образование. Механизм фотоориентации. Фоторецептор, чувствительность, спектр действия, доказательства родопсиновой природы фоторецепторного пигмента. Механизм действия фоторецептора, фотоэлектрические и мембранные процессы и их роль в генерации и трансдукции сигнала. Роль фототаксиса, взаимосвязь с фотосинтезом. Фототаксис хлоропластов.

    Действие ультрафиолетового света на белки, нуклеиновые кислоты, клеточные структуры.

    Спектроскопическая характеристика белков, роль хромофоров в поглощении света и первичные фотохимические реакции, спектр действия, квантовый выход. Фотоинактивация ферментов. Спектроскопия пуриновых и пиримидиновых оснований. Фотохимические реакции тимина, урацила, цитозина. Денатурация нуклеиновых кислот.

    Фотореактивация и фотопротекция.

    ФОТОБИОЛОГИЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА.

    Роль фотохимических процессов в атмосфере. Озоновый экран и ультрафиолетовая радиация. Действие УФ излучения на растения ( на фотосинтез, транспирацию, рост и развитие).

    Рекомендуемая учебная литература:

    основная:
    1. Шувалов В.А. Первичное преобразование световой энергии при Фотосинтезе. Москва. Наука. 1990. 207с.
    2. Литвин Ф.Ф. Организация фотосинтетического аппарата и спектральные свойства пигментов. В кн. Биофизика фотосинтеза. Под ред. Рубина А.Б. Москва. Изд-во МГУ.1975. сс. 6-123.
    3. Конев С.В., Волотовский Д.Д. Фотобиология. Минск. Изд-во БГУ. 1974. 350 с.

      дополнительная:

    4. Kohen E., Santus R., Hirschberg J. G. Photobiology. New York. San Diego. Academic Press. 1998. 507 p.

     



    web-design: L.A. Koppel, E.G. Govorunova
    © 2006