Эмиссия фотонов и сверхслабое излучение

Флуоресценция

При поглощении фотона флуоресентными молекулами возникают электронно-возбужденные состояния (ЭВС), при релаксации которых выделяется энергия обычно больших длин волн. К числу флуоресцентных молекул относятся хлорофиллы, фикобилипротеины, зеленый флуоресцентный белок. Временной масштаб возбуждения и релаксации составляет пс-мкс. Например, временной масштаб флуоресценции хлорофилла а в растениях 100 пс - 1 нс [Маторин и Рубин,

2012].

При замедленной флуоресценции в фотосинтезирующих клетках после светового возбуждения наблюдается слабое длительно затухающее свечение, испускаемое хлорофиллом. Имеются два основных механизма замедленной флуоресценции [Там же]. Во-первых, синг- летно возбужденный хлорофилл может переходить в триплетное состояние с большим временем жизни, чем синглетное, и далее происходит обратный переход (например, термически активированный) в синглетное состояние с излучением замедленной флуоресценции. При этом низкий квантовый выход образования триплетных состояний хлорофилла и их тушение приводят к очень слабой интенсивности замедленной флуоресценции. Во-вторых, замедленная флуоресценция объясняется рекомбинацией первично разделенных зарядов в реакционном центре.

Как быстрая, так и замедленная флуоресценция отражает функциональное состояние биосистемы [Там же].

Поглощение УФ-излучения эндогенными хромофорами в структуре протеина (побочные цепи аминокислот и кофакторы) приводит к генерации ЭВС. Основными хромофорами являются ароматические аминокислотные остатки триптофана, тирозина, фенилаланина. Во флуоресценции протеинов обычно доминирует триптофан вследствие люминесцентного резонансного переноса энергии возбуждения с тирозина и фенилаланина на триптофан [Davis and Truscott, 2001; Patti- son et al., 2012].

Протеины в водных растворах обладают собственной люминесценцией. В биогенных условиях флуоресценция ароматических аминокислот, включенных в протеины, очень слаба вследствие тушения. Нуклеиновые кислоты и нуклеотиды в биогенных условиях также флуоресцируют очень слабо по сравнению с липидами [Журавлев, 2011]. Но более высокое по интенсивности излучение может осуществляться благодаря включенным в структуры ферментов и нуклеиновых кислот ненасыщенным липидам (см. ниже) [Там же].

Ключевой вклад во внутриклеточную флуоресценцию вносит восстановленная форма кофермента НАД, НАДН, которая селективно возбуждается в области длин волн между 330 и 370 нм и имеет максимум флуоресценции около 460 нм. НАДН концентрируется в митохондриях, где он окисляется в дыхательной цепи, окисленная форма НАД+ не флуоресцирует. В автофлуоресценцию клетки вносит вклад также НАДФН, содержащийся, в основном, в цитоплазме, имеющей почти такие же спектры возбуждения и испускания, как и НАДН. Флавинмононуклеотид (ФМН) и флавина- дениндинуклеотид (ФАД) с максимумами возбуждения вблизи 380 и 450 нм также вносят вклад в собственную флуоресценцию клетки; преимущественно возбуждается окисленная форма молекул флавина, в ходе восстановления максимумы поглощения сдвигаются в коротковолновую область [Крицкий и др., 2010]. Синглет- ные полностью окисленные флавины (рибофлавин, ФМН) интенсивно флуоресцируют (максимум поглощения — 450 нм, максимум флуоресценции — 520-530 нм, квантовый выход до 0,3) [Там же]. Вклады во флуореценцию вносят порфирины, принимающие участие в синтезе гемоглобина, миоглобина и как кофакторы в ци- тохромах, птерины, хлорофиллы, каратеноиды и др. [Оптическая биомедицинская диагностика, 2007].

Флуоресцентные протеины способны автокаталитически формировать хромофор-излучатель и спонтанно флуоресцировать без кофакторов или субстратов [Jach and Winte, 2006]. Так, в зеленом флуоресцентном белке флуорофор формируется из трех его собственных аминокислотных остатков в результате их циклизации. Для синтеза флуорофора не требуется ферментативной системы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >