Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики

Подождите немного. Документ загружается.

5 7.4]

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 221

ферредоксина

могут

протекать вплоть до температуры

1,5° К.

Таким

образом, приведенные данные по реакциям элек-

тронного переноса в ЦЭТ митохондрий, хлоропластов и

хроматофоров свидетельствуют о том, что перенос проис-

ходит

между

центрами, жестко и специфическим образом

фиксированными

в мембранной структуре. Условия пере-

носа

существенно зависят от состояния мембраны. В ряде

случаев (в основном для процессов, происходящих в не-

посредственной близости от активного центра фотосин-

тетических систем) удалось зарегистрировать реакции

электронного

переноса, скорость которых практически

не

зависит от температуры. Эти данные

следует

иметь в ви-

ду при обсуждении возможных физических механизмов

электронного

транспорта в мембранных

структурах.

§ 7.4. РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

В БИОЛОГИЧЕСКОЙ

ФИЗИКЕ

Когда развивается какая-либо новая область физики

или

уже существующая область становится более популяр-

ной,

всегда появляются работы, посвященные исключи-

тельной важности данного направления физики для био-

логии.

Эта тенденция весьма полезна, так как приводит

конечном счете к тщательному анализу новых физиче-

ских аспектов

структур

и процессов в биологических си-

стемах. К сожалению, среди адептов, присоединяющихся

каждому такому новому течению, как правило, много

физиков,

не знакомых с биологическим материалом, и

биологов, знающих физику на уровне популярных ста-

тей. Поэтому их работы часто вызывают раздражение как

биологов, так и физиков. Для того чтобы выяснить, есть

ли

в очередном увлечении рациональное зерно, необходи-

мо преодолеть это раздражение.

Весьма популярными в свое время были представления

об исключительно большом значении в биологии полупро-

водниковых явлений. В 1938 г. известный

физик

Йордан

[134] выступил с идеей о возможности истолкования мно-

гих важных биологических явлений, если допустить, что

гигантские молекулы биополимеров обладают свойствами

твердых тел, т. е. вследствие взаимодействия регулярно

222 ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЕМАХ [ГЛ. 7

расположенных молекулярных групп в них образуются

энергетические зоны и становится возможной миграция

энергии

на большие расстояния. В качестве примера был

рассмотрен в рамках такого предположения спектр дей-

ствия фотоинактивации фермента уреазы, и были выска-

заны

некоторые соображения о механизме мутаций и взаи-

модействий генов.

В 1941 г. эта идея была подхвачена биологом Сцент-

Дьердьи [135, 136], который впервые предположил, что

белковые структуры также

могут

обладать полупроводни-

ковыми

свойствами, т. е. иметь зоны проводимости, по

которым

могут

мигрировать электронные или дырочные

заряды.

Что касается миграции энергии электронного возбуж-

дения

в белковых молекулах и их комплексах, то много-

численные экспериментальные данные, полученные за

многие годы в самых различных лабораториях, не остав-

ляют сомнений в ее существовании

[137—141].

Механизм

этой

миграции в белковых системах может, по-видимому,

считаться выясненным: перенос энергии электронного воз-

буждения в макромолекулах белка

между

ароматическими

аминокислотными

остатками или с участием небелковых

хромофорных групп (адсорбированные красители, просте-

тические группы сложных белков и т. п.) происходит по

механизму резонансного безызлучательного переноса Ва-

вилова — Фёрстера [142, 143]. Как известно, такой ме-

ханизм отличается от механизма излучательного переноса

энергии

возбуждения тем, что в последнем

случае

перенос

определяет компонента электрического поля системы, вхо-

дящая

в поток энергии, излучаемой молекулярным осцил-

лятором,

тогда

как резонансный перенос происходит без

участия испускаемых и поглощаемых квантов. По-види-

мому, несколько по-иному реализуется миграция энергии

возбуждения в пигментных системах фотосинтетических

организмов,

но об этом речь пойдет ниже.

Рассмотрим теперь вопрос о возможности полупровод-

никового

механизма миграции заряда в белковых струк-

турах.

Идея Сцент-Дьердьи о возможной важной роли

этого механизма в важнейших биологических процессах

была подвергнута критике в ряде работ [144, 145]. Наибо-

лее существенное возражение заключалось в том, что для

перехода электрона в зону проводимости таких насыщен-

7.4] ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 223

ных систем, как белковые молекулы, требуется энергия

около

3 эв, и поэтому при обычных температурах зона про-

водимости должна быть пустой.

В дальнейшем критики Сцент-Дьердьи в качестве ос-

новного

аргумента ссылались на расчет Эванса и Герге-

ли

[146], которые примитивным методом молекулярных

орбит (МО) вычислили положения общемолекулярных

электронных уровней, возникающих за счет взаимодей-

ствия я-электронов различных пептидных групп через во-

дородные связи

^>N—Н-

• -О =

Сч

, идущие поперек поли-

пептидных цепочек. В рамках чрезвычайно приближенно-

го расчета авторы показали, что при

учете

я-сопряжения

без ст-связей через водородные мостики вместо дискретных

уровней МО изолированных пептидных групп получаются

чрезвычайно узкие (6Е

<iO,2

эв) энергетические зоны.

Расстояние

нижнего свободного уровня (зоны) до высше-

го занятого уровня (зоны) снижается за счет

учета

взаимо-

действия через водородные связи от 4,46 эв для изолиро-

ваннной

пептидной группы до 3,05 эв для бесконечно

длинной

полипептидной цепочки.

Авторы

приходят к вы-

воду

о существовании в белковых макромолекулах узких

зон

проводимости, направленных поперек главной поли-

пептидной

цепи. Эти зоны лежат слишком высоко, чтобы

белки обладали полупроводниковыми свойствами в ос-

новном

состоянии, но

могут

обеспечивать фотопроводи-

мость белковых структур, причем узостью зоны проводи-

мости авторы объясняют функциональную специфичность

белков.

Эта работа стимулировала ряд важных исследований,

однако сейчас трудно понять, как такие в достаточной сте-

пени

примитивные и тривиальные расчеты могли в свое

время рассматриваться как доказательство наличия или

отсутствия полупроводниковых свойств белков. По суще-

ству,

в методе МО проведен расчет

нейтральных

возбуж-

денных состояний одномерного молекулярного кристалла,

состоящего из пептидных групп с постулированным сла-

бым их взаимодействием. Для получения тех качественных

выводов, к которым приходят авторы, можно было бы и не

делать никаких расчетов. Отсутствие низколежащих уров-

ней

электронных нейтральных возбуждений пептидных

связей

хорошо известно из спектров простых пептидов.

224 ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЕМАХ [ГЛ. 7

Постулирование

слабого

взаимодействия пептидных rpyuu

должно автоматически привести к появлению узких зон

незначительному понижению их энергии. К тому же

выводу можно прийти, сравнивая оптические характерис-

тики

дипептидов и белков.

В примитивном методе МО, не учитывающем непосред-

ственно межэлектронного взаимодействия и использую-

щем неантисимметризованные волновые функции, вообще

неизвестно,

рассчитываются ли синглетные или триплет-

ные

электронные возбужденные состояния. Согласно не-

которым соображениям [147], получаемые численные зна-

чения

правильнее сопоставлять с положением триплет-

ных возбужденных уровней. Во всяком случае, речь идет

расчетах нетоконесущих нейтральных возбужденных со-

стояний

системы,

тогда

как положение зоны проводимости

молекулярных кристаллов определяется положением не

нейтральной,

а полярной ветви возбуждения [148—153].

Кроме

того,

даже

если допустить совпадение уровней нейт-

ральных и полярных возбуждений (нейтральных эксито-

нов

и экситонов переноса), результаты расчета относятся

только к собственной полупроводимости, а реальные бел-

ковые структуры содержат огромное количество примес-

ных центров (простетические группы, ионы металлов, ио-

низованные

боковые группы и просто ароматические ами-

нокислотные

остатки). Таким образом, расчет Эванса и

Гергели,

даже

если считать, что действительно вычисля-

ется положение зоны проводимости, в лучшем

случае

свидетельствует об отсутствии собственной полупроводи-

мости белковых структур, а не об отсутствии темновой

полупроводимости, как таковой. На основании подобных

соображений и некоторых экспериментальных данных по

спектрам ЭПР биологических объектов (см. ниже) я в

1957 г. пришел|к выводу о существовании темновой при-

месной

полупроводимости белковых макромолекул и о

важной роли этого свойства в протекании окислительно-

восстановительных процессов [7]. В настоящее время я

считаю эти представления ошибочными. В таких системах,

как

реальные белковые структуры с огромным количеством

электронных и дырочных ловушек, расположенных (про-

странственно) вблизи зоны проводимости, невозможно дви-

жение носителей тока на сколько-нибудь значительные

расстояния

по обычному зонному механизму.

7.4] ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 225

Кроме

того, тщательное изучение биологических струк-

тур (мембран митохондрий и хлоропластов), в которых

происходит темновой перенос электронных и дырочных

зарядов на большие расстояния в процессе их функциони-

рования,

показало, что в привлечении полупроводниковых

представлений просто нет никакой необходимости. Заря-

ды в таких системах переходят от одного фиксированного

центра (ловушки) к

другому,

задерживаясь на некоторых

из

них на времена, достаточные для протекания сложных

химических превращений в ближайшем окружении ло-

ьушки. Расстояния

между

центрами в этих ЦЭТ варьи-

руют,

по-видимому, от единиц до нескольких десятков

ангстрем, что вообще

делает

бессмысленным обращение

полупроводниковым представлениям. Вопрос о возмож-

ных механизмах такого переноса представляет большой

интерес и

будет

подробно рассмотрен в следующем пара-

графе .

Несмотря

на все сказанное выше, полупроводниковые

свойства белков и более сложных биологических струк-

тур исследовались и продолжают исследоваться экспе-

риментально.

Весьма часто изучают электропроводность

высушенных тем или иным способом белковых пленок и

порошков

(таблеток), комплексов белков и

даже

столь

сложных систем, как хлоропласты. Вплоть до недавнего

времени такие измерения проводили на постоянном токе

или

на сравнительно низких частотах [154—158]. Вряд ли

их результаты имеют какое-либо биофизическое значение.

То обстоятельство, что для

всех

исследованных объектов

была обнаружена экспоненциальная температурная за-

висимость проводимости, ни о чем не говорит: такая зави-

симость характерна практически для

всех

органических

материалов,

даже

для типичных диэлектриков. Проводи-

мость подобных объектов и измеряемые энергии активации

. роводимости

могут

определяться весьма разнообразными

механизмами: приэлектродными процессами, миграцией

ионов,

переносом заряда

между

упорядоченными

участ-

ками

с хорошей проводимостью и т. д. Эти механизмы под-

робно рассмотрены в специальных монографиях [153,

159-161].

В последние годы начаты исследования диэлектриче-

ских характеристик биологических объектов на частотах

порядка

гц

[162—169].

Фактически измеряются дей-

8 Л. А. Блюменфельд

226 ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЕМАХ |[ГЛ. 7

ствительная (е') и мнимая (е") части диэлектрической про-

ницаемости.

Идея, лежащая в основе этих экспериментов;

заключается в том, что на таких высоких частотах меж-

молекулярные барьеры не играют существенной роли и

измеряется непосредственно поляризуемость, определяе-

мая

свободными электронными и дырочными зарядами.

сожалению, до сих пор не создана строгая физическая

теория наблюдаемых эффектов

даже

в наиболее чистом

случае

изменения диэлектрических характеристик под

действием света («СВЧ-фотопроводимость»). По-видимо-

му, более или менее обоснованно можно

утверждать,

что

ориентационная

поляризация не может давать сущест-

венный

вклад в наблюдаемые сигналы [170]. Эффекты,

получаемые в сложных биологических

структурах,

веро-

ятно,

обусловлены главным образом вторичными темно-

выми процессами (макроструктурная поляризация, ион-

ные

перемещения и т. п.) [171].

В 1957 г. автор [7] высказал предположение, что наб-

людаемый в клетках и тканях узкий синглетный сигнал

ЭПР

свидетельствует о наличии делокализованных сво-

бодных электронов (или дырок) и может рассматриваться

как

доказательство полупроводниковых характеристик

этих объектов. Аналогичным образом рассматривались

данные по спектрам ЭПР у-облученных нативных и дена-

турированных белков [8].

В настоящее время ошибочность таких представлений

стала очевидной (см. § 7.2 и работы

[172—175]).

В сложных биополимерных внутриклеточных струк-

турах

имеется, конечно, большое количество центров,

обладающих донорными и акцепторными свойствами,

участвующих

в процессах, связанных с переносом электро-

нов,

и в принципе способных играть роль нримесных цент-

ров.

Однако реализация полупроводниковых механизмов

основных биологических процессах практически невоз-

можна .

Вероятно, единственным исключением является пер-

вичный

световой процесс в фотосинтетических системах.

Как

известно, в пигментных системах хлоропластов выс-

ших растений и хроматофоров бактерий основная масса

хлорофилла осуществляет светособрфающие функции. Воз-

буждение мигрирует по ансамблю упакованных молекул

красителя,

а фотохимический акт — образование окислен-

7.4] ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 227

ной

формы активного центра и восстановленной формы

первичного донора — реализуется на активных центрах,

концентрация

которых мала по сравнению с концентра-

цией

пигмента (см. §

7.3.).

Экспериментальные результаты, полученные в послед-

ние

годы, свидетельствуют в пользу того, что светособираю-

щая

пигментная система представляет собой ансамбль

упорядоченно расположенных молекул хлорофилла [176,

177]. Миграция энергии возбуждения в этом ансамбле

осуществляется, по-видимому, не по резонансному, а по

экситонному

механизму, что свидетельствует о сравнитель-

но

сильном взаимодействии молекул [178]. При такой си-

туации в принципе возможны два разных физических ме-

ханизма процессов, предшествующих первой фотохимиче-

ской

реакции. 1) Разделение зарядов происходит только

на

активном центре, и в один акт образуется первичный

окислитель~(например,

(Р

700)

)

и первичный восстанови-

тель (например, восстановленный ферредоксин). По моле-

кулам пигментной системы мигрирует только нейтральное

возбуждение. 2) Полупроводниковый механизм. Разделе-

ние

зарядов с образованием свободных носителей или эк-

ситона переноса [148, 150] осуществляется не на активном

центре,

а на

другом

дефекте структуры. На фотохимическом

активном

центре (например, Р 700) либо захватывается

дырка (до этого мигрировавшая по пигментной системе),

либо распадается экситон переноса с захватом дырки на

700 и миграцией электрона по пигментной системе к

первичному восстановителю. В рамки полупроводниково-

го механизма укладывается также вариант с распадом

нейтрального экситона на активном центре (Р700),

захва-

том дырки и миграцией электрона к первичному акцепто-

ру, удаленному от Р 700. Собственно, в основе полупровод-

никовой

концепции лежит предположение о появлении в

пигментной

системе фотоиндуцированных носителей заря-

да. Физическая проблема и состоит в доказательстве или

опровержении этого предположения.

В свое время одним из существенных возражений про-

тив гипотезы полупроводниковых механизмов первичных

стадий фотосинтеза было обнаружение весьма низких

квантовых выходов фотоэффекта в слоях хлорофилла

1179, 180]. Однако недавно проведенные измерения фото-

проводимости слоев хлорофилла а и Ъ в режимах постоян-

228

ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЕМАХ [ГЛ. 7

ного и импульсного освещения [181, 182] показали оши-

бочность прежних результатов. Оказалось, что в макси-

муме фоточувствительности

7050

А нижняя граница кван-

тового выхода фотоэффекта составляет не меньше

15—20%

свободные носители тока появляются не позже чем че-

рез 10~

сек после начала освещения. Эти результаты оз-

начают, что образование носителей тока является одним

из

основных путей превращения поглощаемой хлорофил-

лом световой энергии и триплетные возбуждения, по-ви-

димому, не

могут

играть роль промежуточных состояний.

Естественно, эти данные только снимают одно из воз-

ражений,

но сами не

могут

служить доказательством того,

что и в пигментной системе фотосинтезирующих орга-

низмов

возможно образование свободных носителей с боль-

шим

выходом: распад нейтрального экситона на актив-

ном

центре с одновременным захватом электрона и дырки

может полностью подавить полупроводниковый механизм.

Если,

однако, согласиться с тем, что разделение зарядов

может происходить в самой пигментной матрице и, следо-

вательно, первичными акцепторами

служат

сами молеку-

лы хлорофилла, возникает естественный вопрос: почему

спектрах ЭПР проявляются только положительно заря-

женные парамагнитные центры (Р 700)

, почему не видно

сигнала от анион-радикальных состояний? (О различных

типах фотоиндуцированных сигналов ЭПР в фотосинтети-

ческих системах см. [183,

184].)

Аналогичная проблема возникла в свое время при ис-

следовании спектров ЭПР органических полупроводников

с низкой проводимостью (полимеров с сопряженными свя-

зями,

красителей, комплексов с переносом заряда). Было

показано,

что наблюдающиеся в таких системах сигналы

ЭПР

обусловлены ион-радикальными состояниями, воз-

никающими

результате

разделения зарядов и захвата

электронов

и дырок на дефектах структуры, играющих

роль примесных центров [152]. Однако всегда наблюдались

только сигналы ЭПР одного типа.

Поиск

второго центра,

проведенный на одном из типичных полимерных органи-

ческих полупроводников — полифенилацетилене [185],

привел к следующему

результату:

при измерениях на

весьма низких уровнях СВЧ-мощности (< 10~

вт), кро-

ме обычного сигнала ЭПР с \Нч, ж 10 гс (сигнал А), по-

является второй сигнал (сигнал Б с АНу, ?к 16 гс), от-

7.4] ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 229

носительная интегральная интенсивность которого

растет

по

мере падения СВЧ-мощности и примерно при

5-10~

вт

становится практически равной интегральной интенсив-

ности сигнала А. Сигнал Б обусловлен сильно насыщаю-

щимся

парамагнитным центром (значения

-Т

для

центров А и Б составляют

6-Ю"

3•

10~

сек

соответ-

ственно *)). Специально поставленные эксперименты с до-

бавками электронных доноров и акцепторов показали, что

обычно наблюдаемый сигнал А обусловлен катиол-ради-

кальными, а легко насыщающийся сигнал Б — анион-ра-

дикальными парамагнитными центрами. В дальнейшем

аналогичные

результаты

были получены на

других

орга-

нических полупроводниках, в том числе на различных кра-

сителях [186].

Исследования такого типа еще не проводились на фото-

синтетических системах; они

могут

оказаться весьма по-

лезными для решения проблемы механизма первичного

разделения зарядов и природы первичного электронно-

го акцептора при фотосинтезе.

Не

исключено, конечно, что пигментная матрица в

фотосинтезирующих системах не похожа по своим свой-

ствам на изученные органические полупроводники и воз-

никающие катион- и анион-радикальные центры почти

не отличаются

друг

от

друга

по характеристикам сигна-

лов ЭПР (в том числе по параметрам насыщения).

В этом

случае

в сигнал I (фотоиндуцированный сигнал ЭПР

фотосистемы I хлоропластов) должны

давать

вклад сигна-

лы не только от центров (Р 700)

, но и от анион-радикаль-

ных состояний первичного акцептора (если допустить, что

такими акцепторами

служат

отдельные молекулы хлоро-

филла или их ансамбли). В связи с этим возникает второй

вопрос, не решенный до настоящего времени: сколько ти-

пов парамагнитных центров

дают

вклад в обычно наблю-

даемый сигнал I?

Бейнерт и Кок еще в 1963 г. [187] провели тщательное

сопоставление количества центров Р 700 в фотосинтезирую-

щих системах, определенного методом ЭПР, с их количе-

ством, найденным спектральным методом. Они обнаружи-

ли,

что число парамагнитных центров, дающих вклад в

*) Произведение продольного (Т^) и поперечного (Т

) времен

релаксации парамагнитных центров определяет их насыщение

СВЧ-мощностью.

230 ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЕМАХ 1ГЛ. 7

сигнал ЭПР I, во

всех

случаях

в 2—5 раз превышает чис-

ло центров Р 700, подвергающихся фотоокислению *). Это

заставляет предположить, что, кроме спектрально иден-

тифицируемых центров (Р 700)

, за сигнал ЭПР I

ответ-

ственны парамагнитные центры

других

типов, например

анион-радикалы

семипластохинонов,

хотя

^-фактор сиг-

нала ЭПР семихинона должен был бы быть несколько

смещен относительно наблюдаемого значения (как, на-

пример,

g-фактор сигнала III в работе [184]).

Имеется

довольно много косвенных данных, свидетель-

ствующих

о сложности фотоиндуцированного сигнала

ЭПР

I. Так, например, в 1969 г. Кафалиева и др. [189]

пытались разделить фотоиндуцированные парамагнитные

центры,

ответственные за сигнал I в

хлоропластах

Vicia

faba,

по их релаксационным характеристикам. Был

использован

метод

регистрации сигнала дисперсии в

условиях быстрого прохождения при разных значениях

амплитуды высокочастотной модуляции (Н

). По мере

увеличения Н

амплитуда колоколообразного сигнала

дисперсии проходит через максимум, положение которого

зависит от Т

и Т

парамагнитного центра. При еще

больших значениях Н

сигнал дисперсии расщепляется,

причем характеристики этого расщепления также зависят

от Т

и Т

. Исследование сигнала I при 77° К с суммарной

интенсивностью,

соответствовавшей —5-Ю

спин-см~

показало,

что в него

дают

вклад по крайней мере четыре

типа парамагнитных центров, различающихся по своим

релаксационным

характеристикам.

Таким

образом, вопрос о природе

всех

фотоиндуциро-

ванных парамагнитных центров, ответственных за сигнал

ЭПР

I в фотосинтезирующих системах, еще далеко не ре-

шен.

Необходимы дальнейшие количественные исследова-

ния,

особенно кинетические.

Из

изложенного ясно также, что вопрос о возможной

роли полупроводниковых механизмов в первичных ста-

диях фотоиндуцированного разделения зарядов в фотосин-

тезирующих системах (вероятно, это единственный важный

биологический процесс, где можно подозревать

участие

полупроводниковых механизмов) также остается от

*) Недавно появилась новая работа, авторы которой получили

совпадение спектральных [и радиоспектроскопических измерений

[188J.