22. Электронно-возбужденные состояние пигментов и типы дезактивации возбужденных состояний.

Ответ. Наиболее устойчивы те состояния атомов и молекул, в которых валентные электроны занимают самые низкие энергетические уровни и распределены по ним согласно принципу Паули (не более двух электронов с антипараллельными спинами на каждой орбитали). Такое состояние молекулы называют основным синглетным (So) энергетическим состоянием. Суммарный спин всех электронов молекулы в этом случае равен нулю. Если у возбужденного электрона сохраняется то же направление спина, то молекула находится в возбужденном синглетном состоянии (S*). Если при переходе на более высокую орбиталь спин электрона обращается, то такое возбуждение называется триплетным (Т*). Молекула в возбужденном состоянии оказывается способной вступать в реакцию, которая была для нее невозможна, когда она находилась на более низком энергетическом уровне. Структура молекулы хлорофилла хорошо приспособлена к своим функциям сенсибилизатора фотохимических реакций. В ее состав входят 18 делокализованных π-электронов, что делает молекулу хлорофилла легко возбудимой при поглощении квантов света. Поглощение молекулой хлорофилла света в синефиолетовой части спектра обусловлено системой конъюгированных одинарных и двойных связей порфиринового кольца. Поглощение в красной области связано с гидрированием двойной связи у С7-С8 в IV пиррольном ядре (при переходе от протохлорофиллида к хлорофиллиду) и присутствием магния в порфириновом кольце. Поглощение молекулой хлорофилла кванта красного света приводит к синглетному электрон-возбужденному состоянию – S1*. При поглощении кванта синего света с более высоким уровнем энергии электрон переходит на более высокую орбиту (S2*). Возбужденная молекула хлорофилла возвращается в основное состояние различными путями: отдав часть энергии в виде теплоты (особенно с уровня S1*), молекула может излучить квант света с большей длиной волны (правило Стокса), что проявляется в виде флуоресценции. Время жизни синглетного возбужденного состояния 10−3-10−9 с; молекула может из синглетного возбужденного состояния перейти в метастабильное триплетное (с обращением спина) (энергия теряется в виде теплоты). Время жизни триплетного возбужденного состояния >10−4 с; из триплетного состояния молекула может вернуться в основное, излучив еще более длинноволновый (чем в случае флуоресценции) квант света. Это обычно более слабое свечение и есть фосфоресценция; энергия возбужденного состояния может быть использована на фотохимические реакции. В этом случае флуоресценции и фосфоресценции хлорофилла не наблюдается; из первого синглетного и триплетного состояний молекула может переходить в основное с переносом энергии на другую молекулу.

23. Флуоресценция.

Ответ. Флуоресценция хлорофилла — явление свечения хлорофилла при поглощении им света, происходит в результате возвращения молекулы из возбуждённого в основное состояние. Широко используется как показатель фотосинтетического преобразования энергии у высших растений, водорослей и бактерий. Возбуждённый хлорофилл теряет поглощённую световую энергию, растрачивая её на фотосинтез (фотохимические преобразования энергии или фотохимическое тушение), переводя её в тепло в результате нефотохимического тушения или излучая в виде флуоресценции. Поскольку все эти процессы конкурируют друг с другом, анализируя флуоресценцию хлорофилла, можно получить представления об интенсивности фотосинтеза и здоровье растения. Флуоресценция хлорофилла используется для измерения уровня фотосинтеза, но по сути своей это чрезмерное упрощение. По флуоресценции можно измерить эффективность фотохимии ФСII, которую можно использовать для оценки скорости линейного транспорта электронов путём умножения на интенсивность света. Однако, когда исследователи говорят «фотосинтез», они обычно подразумевают фиксацию углерода. Транспорт электронов и фиксация CО2 имею довольно хорошую корреляцию, но её может не наблюдаться в полевых условиях из-за таких конкурирующих процессов как фотодыхание, азотистый обмен и реакция Мелера. Флуоресценция хлорофилла позволяет измерить уровень стресса растений. По её уровню можно судить об уровне воздействия абиотических стрессов, поскольку экстремальные температуры, избыточное освещение и засуха негативно влияют на метаболизм растений. Это в свою очередь приводит к дисбалансу между поглощением световой энергии хлорофиллом и использованием этой энергии в процессе фотосинтеза.