Kvant biofizikasi elementlari . Reja: 1. Murakkab atomlarning elektron qobiqlari. 2. Fotofizika va fotokimyo asoslari. 3. Atomlar va molekulalar tomonidan energiyaning nurlanishi hamda yutilishi xususiyatlari. 4. Yorug‘likning yutilish va sochilish qonunlari. Yutilish spektri. 5. Molekulaning qo‘zg‘algan holatlari va energiyaning migratsiyalanishi. 6. Erkin radikallar va erkin radikalli jarayonlar. Lyuminessensiya va uning turlari. 1

Mikrozarrachalar (elementar zarrachalar, atomlar, molekulalar, yadrolar) va ulardan tashkil topgan sistemalarning harakat qonunlarini bayon etish usulini ifodalovchi zamonaviy nazariya kvant mexanikasi deyiladi. Kvant mexanikasining vujudga kelishida mikrozarrachalar to‘lqin xossalarining ochilishi muhim bosqich bo‘ldi. Zarrachalarning to‘lqin xossalari haqidagi g‘oya dastlab gipoteza tarzida fransuz fizigi Lui de Broyl tomonidan bayon etilgan edi (1924 yilda). Fanning taraqqiy borishi bilan kvant mexanikasida kashf etilgan qonuniyatlar biologik tizimlarda ham o‘rganilishi natijasida kvant biofizikasi biofizika fanining bir bo‘limi sifatida shakllandi. Ma’lumki, hujayrada moddalar almashinuvining yuksak darajasi har xil fizik va kimyoviy jarayonlar tufayli yuzaga keladi. Kimyoviy reaksiya atomlarning qayta gruppalanishidan iboratdir. Har qanday sof kimyoviy jarayonning birinchi bosqichi fizik xarakterda bo‘ladi, ya’ni reaksiyaga kirishadigan moddalar molekulalaridagi elektronlarning avvalgidan ko‘ra boshqacharoq bo‘ladigan yangi holatga o‘tib qayta taqsimlanishidan boshlanadi. Elektronlarning qayta taqsimlanish jarayonini mohiyat e’tibori bilan kvant nazariyasi bayon etib beradi. Bu nazariya reaksiyaga kirishishga qodir bo‘lgan barcha moddalarda ionlar yoki radikallar ko‘rinishidagi oraliq birikmalar vujudga kelishi atomlarning qo‘zg‘algan holatga o‘tishi bilan bog‘liq deb tasdiqlaydi. Organizmda biokimyoviy reaksiyalar elektronlarni bir muncha yuqoriroq energetik sathga o‘tkaza oladigan fermentlar, o‘ziga xos katalizatorlar borligi tufayli yuzaga chiqadi. Reaksiya tugaganidan keyin ortiqcha energiya issiqlik ko‘rinishida ajralib chiqishi mumkin. Molekula elektron konfiguratsiyasining o‘zgarishi unga yutilgan energiya miqdoriga bog‘liq. Energiya atomdan elektronni urib chiqarish uchun yetarli bo‘lsa, bu holda musbat ion hosil bo‘ladi. Atomga kamroq miqdorda energiya berilganda elektron ko‘pincha birmuncha yuksakroq energetik sathga o‘tadi, xolos. Atomlar katta-katta energiya porsiyalarini yutganida qo‘zg‘algan holatga o‘tadi, bu hosil bo‘ladigan oraliq moddalar kimyoviy faolligining yuksak darajaga yetishini ta’minlab beradi. Bu hollarda shu birikmalardan qaysi birining ustun 2

turishi kimyoviy reaksiyaning qanday konkret sharoitlarga o‘tishiga, muhitning dielektrik doimiysiga, ionlarning bir-biriga duch kelishi va o‘zaro ta’sir qilishi ehtimoliga bog‘liq bo‘ladi va hokazo. Fizikada uzoq yillar davomida yorug‘lik elektromagnit to‘lqindir degan nazariya hukm surib keldi. Ammo, Plankning (issiqlik nurlanishi), Eynshteynning (fotoeffekt) va boshqalarning ishlaridan so‘ng yorug‘likning korpuskulyar xossalarga ega ekanligi ayon bo‘lib qoldi. Ba’zi fizikaviy hodisalarni tushuntirish uchun yorug‘likni zarrachalar - fotonlar oqimi deb qarash lozim. Yorug‘likning korpuskulyar xossalari uning to‘lqin xossalarini rad etmaydi, balki to‘ldiradi. Demak, foton to‘lqin xossalariga ega bo‘lgan yorug‘likning elementar zarrachalaridir. Boshqa zarrachalar: elektronlar va neytronlarni ham to‘lqin xossalarga ega deyish mantiqqa to‘g‘ri keladi. Xulosa qilib aytganda, kvant biofizikasi biologik makromolekulalardagi elektron struktura tuzilishini bu molekulalarda almashinishi va moddalarning qo‘zg‘algan holatida energiya almashinish qoidalarini o‘rganadi. Kvant biofizikasida quyidagi masalalarni o‘rganishga e’tibor qaratiladi:  molekuladagi elektronlar tuzilishi va joylashishi;  biologik molekulaning donor-akseptor xossalari;  moddadagi nur yutilishidagi elektron almashinuvi;  erkin radikallar xossalarini va erkin radikalli jarayonlar mexanizmini;  elektron qo‘zg‘algan holatdagi biokimyoviy reaksiyalarda energiya almashinuvida kimyoviy lyuminessensiya mexanizmini o‘rganish va boshqalar. 1. Murakkab atomlarning elektron qobiqlari. Vodorod atomidagi elektron holatini bayon etuvchi kvant sonlaridan murakkab atomlarning ayrim elektronlari holatini taqribiy xarakterlashda foydalaniladi. Ammo bu holda hech bo‘lmaganda, murakkab atomlarning vodorod atomidan 2 ta muhim farqini hisobga olish lozim: 1) murakkab atomlarda elektronlar energiyasi ularning o‘zaro ta’sirlashishi natijasida faqatgina n ga emas, l ga bog‘liq bo‘ladi; 2) farqlanish 3

Pauli prinsipi bilan bog‘liqdir. Bu prinsipga asosan, atomda 4 ta bir xil kvant soniga ega bo‘lgan ikki va undan ortiq elektronlar bo‘lishi mumkin emas. Normal holatga mos keluvchi elektron konfiguratsiyalari hosil bo‘layotgan paytda atomning har bir elektroni minimal energiyali bo‘lishga intiladi. Agarda Pauli prinsipi bo‘lmaganda edi, u holda barcha elektronlar eng pastki energetik sathda joylashgan bo‘lar edi. Aslida esa, ba’zi istesnolardan tashqari, elektronlar asosan vodorod atomi uchun 1-jadvalda ko‘rsatilgan holatlar ketma-ketligini egallaydi. H olat belgisi Kvant sonlari qiymatlari H olat belgis i Kvant sonlari qiymatlari n l m l m s n l m l m s 1 s 1 0 0 ± 1/2 3 p 3 1 1 ± 1/2 2 s 2 0 0 ± 1/2 3 p 3 1 - 1 ± 1/2 2 p 2 1 0 ± 1/2 3 d 3 2 0 ± 1/2 2 p 2 1 1 ± 1/2 3 d 3 2 1 ± 1/2 2 p 2 1 - 1 ± 1/2 3 d 3 2 - 1 ± 1/2 3 s 3 0 0 ± 1/2 3 d 3 2 2 ± 1/2 3 s 3 1 0 ± 1/2 3 d 3 2 - 2 ± 1/2 Kvant nazariyasi yadro atrofidagi elektronning harakati 3 xil bo‘lishi mumkin, elektronning yadrodan qancha masofada turishi, demak, uning energetik 4

holati ham shunga bog‘liq deb hisoblaydi. Elektron yadro atrofida doiraviy yoki elliptik orbita bo‘ylab aylanishi mumkin va bunda u o‘z o‘qi atrofida aylanadi. Elektronlar harakatining shu turini keltirib chiqaradigan kuchlar energiya kvantlari deb xarakterlanishi va kvant sonlari bilan belgilanishi mumkin. 1. Asosiy kvant soni n. U butun sonning har qanday qiymatiga baravar bo‘lishi mumkin n=1, 2, 3, 4….. va elektron energiyasi bilan uning orbitasi shaklini belgilab beradi. 2. Butun sonlarning 0 dan ( n-l ) gacha bo‘lgan qiymatiga teng bo‘la oladigan qo‘shimcha kvant soni l bu yerda n – bosh kvant soni, l – azimutal kvant soni, орбитал магнит моментини характерлайди. 3. Mazkur elektronning atomdagi orbitasi holatini ta’riflab beradigan magnit kvant soni m е , ya’ni orbital magnit momenti + l dan - l gacha, jumladan 0 gacha bo‘lgan har qanday butun sonlar doirasidagi qiymatga ega bo‘ladi. 4. Harakat miqdorining o‘z momenti elektron spini S elektronning o‘z o‘qi atrofida aylanishini xarakterlaydi. Spin faqat ikkita qiymatga ega bo‘lishi mumkin: +1/2 yoki -1/2 o‘z o‘qi atrofida qarama-qarshi tomonga aylanadigan elektronlar, ya’ni antiparallel spinlari bo‘lgan elektronlar odatda juft hosil qiladi. juftlashgan elektronlarga ega bo‘lgan elektron orbitalari hammadan turg‘un bo‘ladi. Shunday qilib, elektronning atomdagi holati to‘rtta kvant soni: asosiy kvant soni – n, azimutal kvant soni – l , magnit kvant soni - m е va elektron spini – S bilan ta’riflanishi mumkin. Bir xil kvant sonli elektronlar qatlam hosil qiladi. Qatlamlarda mos ravishda K, L, M, N, О, Р.... va n=1, 2, 3, 4 ..... qatlamlar deb ataladi. Bir xil juft n va l qiymatga ega bo‘lgan elektronlar vodorod atomi elektronning mos holatlari uchun bo‘lganidek, qisqacha va h.k deb belgilanuvchi qobiq tarkibiga kiradi. Masalan, 1s, 2s, 2p .... qobiq elektronlar deb ataladi. Qobiqdagi elektronlarning sonini uning belgisining o‘ng tomoni tepasiga masalan, 2p 4 deb belgilaydilar. Atomda elektronlarning qobiqlar bo‘yicha taqsimlanishi (elektronlar konfiguratsiyasi) odatda quyidagicha ko‘rsatiladi: azot uchun 1s 2 , 2s 2 2p 3 , kaltsiy uchun 1s 2 , 2s 2 2p 6 , 3s 2 3p 6 , 4s 2 va hokazo. 5