Q – убихинон, II – сукцинат-убихинон оксидредуктазы (электрон от сукцината переносит на убихинон), III – убихинон цитохром С оксидредуктаза, IV- цитохром С кислород оксидредуктаза (электрон с цитохрома С переносят на О2) или цитохромоксидаза.

АТФ-синтаза состоит из двух субъединиц (F0,F1) АДФ+Фн=АТФ. Электрон-транспорт. цепь работает практически без тепловых потерь. Электрохим. градиент создаваемый работой ЭТЦ равен r μн+ = F * φ+2,3RT r рН, где F – постоянная Фарадея, φ – электрический потенциал, R- универсал. газовая постоянная, r рН- протонный градиент.

Электро-хим. потенциал – свободная энергия системы использующаяся для синтеза АТФ. В нек. бактериях для синтеза АТФ используется градиент ионов натрия.

Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями. При окислении НАДН + Н+ комплекс I переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на убихинон. Образующиеся при окислении сукцината, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II или другой митохондриальной дегидрогеназой через связанный с ферментом ФАДН2 или флавопротеин. При этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в ароматический убигидрохинон. Последний переносит электроны в комплекс III, который поставляет их через два гема b, один Fe/S-центр и гем с1 на небольшой гемсодержащий белок цитохром с. Последний переносит электроны к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. Цитохром с-оксидаза содержит для осуществления окислительно-восстановительных реакций два медьсодержащих центра (CuA и CuB) и гемы а и а3, через которые электроны, наконец, поступают к кислороду. При восстановлении О2 образуется сильный основной анион О2-, который связывает два протона и переходит а воду. Поток электронов сопряжен с образованным комплексами I, III и IV протонным градиентом.

Основные понятия и законы фотофизики и фотохимии. Одно из важнейших направлений современной биофизики – исследования молекулярных физических и физико-химических взаимодействий, лежащих в основе биологических явлений. Спектральные методы широко применяются для изучения разнообразных свойств и реакций биологических систем и макромолекул. Среди спектральных методов наибольшее распространение получили оптические методы, основанные на взаимодействии молекулярных систем с оптическим излучением. Основные параметры светового излучения:

-длина волны λ (нм) и частота излучения ν (Гц), связанные соотношением ν = с/λ (с - скорость света),

-энергия кванта света Е = ħ∙ν ( ħ – постоянная Планка),

- интенсивность излучения I = n∙E (n- число квантов в световом потоке).

 Энергия квантов света в видимой области, вызывающих фотобиологические реакции, составляет 170-340 кДж/моль. Оптический диапазон длин волн включает ультрафиолетовое (200-400 нм), видимое (400- 800 нм), инфракрасное (800-10000 нм) излучение.

Поглощение света веществом – внутримолекулярный одноэлектронный физический процесс. Свет поглощается молекулами, при этом электрон переходит из основного в энергетически более высокое возбужденное состояние. Вся энергия кванта света поглощается сразу за время 10^-15- 10^-14с, поглощение света – процесс дискретный.

Свет представляет электромагнитную волну, при взаимодействии с веществом свет ведет себя подобно потоку частиц (квантов света или фотонов). Энергия фотонов определяется длиной волны излучения. Из квантов света с различными энергиями могут поглощаться только те, энергия которых соответствует энергии переходов между какой-либо парой уровней в молекуле вещества.

Каждый электрон в молекуле находится на опреде­ ленной орбитали и обладает определенной энергией. Таким образом, в молекуле существует система электронных энергетических уровней. Для химических и опти­ ческих свойств молекулы наиболее важны два уровня: это верхняя (по энергии) заполненная молекулярная ор биталь (ВЗМО) и нижняя свободная молекулярная орби таль (НСМО). ВЗМО обладает донорными свойствами. Потенциал иони­ зации – энергия, которую необходимо затратить, чтобы оторвать электрон от молекулы. Чем выше энергия ВЗМО, тем ниже потенциал ионизации молекулы и тем лучший она донор электронов. Например, высоким зна­чением энергии ВЗМО обладает витамин Е, что обусловливает его антиоксидантные свой­ства.

Энергия НСМО определяет акцепторные свойства мо­ лекулы: чем ниже НСМО, тем охотнее данная молекула присоединяет электрон.

На каждом заполненном энергетическом уровне могут находиться только два электрона, имеющие противопо­ложные собственные магнитные моменты (спины). Если мо­лекуле сообщить энергию, например, в форме кванта света, то произойдет переход одного электрона с заполненного уровня (S₀) на один из незаполненных уровней. Молекула ока­жется в электронно-возбужденном состоянии. УровниSо, S₁, S₂,…., называются синглетными, при переходах между ними спин электрона не меняется. Время жизни молекул в состоянии S₁составляет 10^-8- 10^-9с. С определенной вероятностью реализуются пути превращения энергии со­стояния S₁: 1) в тепло: S₁→ S₀ 2) испускание кванта флуоресценции: S₁→ S₀ + h∙ ν_фл; 3) фотохимическая ре­акция: S₁→ продукт; 4) передача энергии возбуждения другой молекуле; 5) обращение спина электрона и переход молекулы в триплетное возбужденное состояние Т₁: S₁→ T₁. Переход из триплетного состояния в основное запре­щен, так как спины электронов одинаковы. Поэтому в состоянии Т₁молекула находится значительно дольше (10^-4-10 с), чем в S₁ (10^-8-10^-9 с).

Существует несколько путей растраты энергии из трип летного (Т₁) состояния молекулы: 1) безизлучательный переход в S_oс обращением спина: T₁→S₀; 2) испускание кванта фосфоресценции: T₁→S ₀+h∙ ν; 3) фотохимическая реакция; 4) передача энергии возбуждения другой моле­куле.

Биофизические методы исследования. Спектральные методы Среди спектральных методов наибольшее распространение получили оптические методы, основанные на взаимодействии молекулярных систем с оптическим излучением. Основные параметры светового излучения:

-длина волны λ (нм) и частота излучения  ν (Гц), связанные соотношением

 ν = с/λ (с - скорость света),

-энергия кванта света Е = ħ∙ν ( ħ – постоянная Планка),

- интенсивность излучения I = n∙E (n- число квантов в световом потоке). Энергия квантов света в видимой области, вызывающих фотобиологические реакции, составляет 170-340 кДж/моль. Оптический диапазон длин волн включает ультрафиолетовое (200-400 нм), видимое (400- 800 нм), инфракрасное (800-10000 нм) излучение. Поглощение света веществом – внутримолекулярный одноэлектронный физический процесс. Свет поглощается молекулами (их комплексами, отдельными атомами, ионами, радикалами), при этом электрон переходит из основного в энергетически более высокое возбужденное состояние. В электронных переходах участвуют валентные или оптические электроны, располагающиеся на внешней электронной оболочке. Каждый электронный уровень представляет набор колебательных и вращательных подуровней, переходы между которыми связаны с энергией колебательных и вращательных движений атомов вокруг химических связей. Квантовая природа света выражается в том, что вся энергия кванта света поглощается сразу за время 10-15- 10-14с, поглощение света – процесс дискретный.

Физическая реакция поглощения света может быть записана в следующем виде:

М + ħ∙ν→ М ٭ , где

 М ٭ – возбужденное состояние молекулы, отличающееся от основного состояния в первую очередь дополнительным запасом энергии и формой электронного облака.

Свет представляет электромагнитную волну, при взаимодействии с веществом свет ведет себя подобно потоку частиц (квантов света или фотонов). Энергия фотонов определяется длиной волны излучения. Поглощение света происх-т только электронами, находящимися на внешней эл оболочке (оптическими/валентными).

Из квантов света с различными энергиями могут поглощаться только те, энергия которых соответствует энергии переходов между какой-либо парой уровней в молекуле вещества. Способность молекул поглощать свет лежит в основе спектрофотометрии. Поглощение света проявляется в ослаблении светового потока после прохождения через исследуемый объект, и оно тем больше, чем выше концентрация вещества (с, моль∙л –1), толщина раствора (1, см), способность вещества к поглощению. Для монохроматического света эти закономерности выражаются законом Бугера — Ламберта — Бера:

Д=lg∙I0/I = εcl, где D — так называемая оптическая плотность образца, I0 и I — интенсивности падающего и прошедшего через раствор вещества света. Величину ε (моль-1 л см-1) называют молярным коэффициентом экстинкции. КМЭ численно равен оптической плотности раствора концентрации 1 моль/л. Пользуясь законом БЛБ можно оппппределить концентрацию.

Электронные спектры поглощения возникают в результате переходов электронов в возбужденные состояния и наблюдаются в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях (120-1000 нм). Энергии переходов составляют 1000-120 кДж/моль (240-30 ккал/моль). При поглощении такой энергии одновременно происходит изменение в колебательных и вращательных состояниях, вследствие чего электронные спектры состоят из широких полос.

Интенсивность полос поглощения определяется вероятностью перехода молекул из основного в возбужденное состояние. Спектр поглощения представляет зависимость вероятности поглощения от длины волны (или частоты) света.

Помимо величины оптической плотности Д вещества используют величину пропускания Т=I/I0. Из определения оптической плотности видно, что Д=lg ∙1/Т.

Спектр поглощения вещества зависит от химической природы вещества, его состояния, характера окружения, температуры. Измерения электронных спектров поглощения позволяют делать заключение о характере исследуемого вещества, структуре и свойствах его молекул и т.д.