Энергия излучения, поглощенная одной молекулой, может быть передана другой, близко расположенной молекуле. Обычный путь переноса энергии в биологических системах - это диффузия богатых энергией фосфорных соединений, которая осуществляется в растворах. Однако существуют и другие пути переноса энергии. Эти пути - так называемая миграция энергии - имеют особенно важное значение в фотобиологических, радиобиологических и, возможно, в некоторых биохимических процессах.
Миграция энергии - это безызлучательная передача энергии от молекулы к молекуле на расстояния, значительно превышающие межатомные, происходящая без растраты в тепло и без кинетических соударений донора и акцептора энергии.
Когда молекула поглощает энергию, то электрон с основного энергетического уровня переходит на более высокий, возбужденный уровень. При движении этих электронов по орбитам в молекуле создается переменное электромагнитное поле. Частота колебаний этого поля определяется энергетическим уровнем возбужденного электрона. Если рядом с возбужденной молекулой находится невозбуждённая молекула, которая имеет энергетический уровень, совпадающий или несколько меньший уровня возбужденной молекулы, то возникает явление резонанса. При этом невозбужденная молекула возбуждается, а возбужденная - переходит в невозбужденное состояние, т. е. энергия возбужденной молекулы почти целиком передается невозбужденной молекуле. Это бывает тогда, когда частота испускаемых электромагнитных колебаний донора энергии совпадает с частотой колебаний акцептора энергии.
Схематически описанные процессы можно изобразить так:
А + hv -> А* - возбуждение молекулы А;
А* + В -->- А + В* - миграция энергии от А к В
Для возникновения миграции необходимы следующие условия:
- Донор энергий должен обладать способностью к созданию распространяющегося электромагнитного поля, т. е. способностью к люминесценции.
- Частота колебаний электромагнитного поля донора должна совпадать с частотой колебаний акцептора. Для этого необходимо, чтобы спектр люминесценции донора перекрывался со спектром поглощения акцептора.
- Необходимо, чтобы донор и акцептор были сближены на достаточное расстояние. Вероятность миграции резко уменьшается при увеличении расстояния между молекулами (вероятность миграции обратно пропорциональна расстоянию между молекулами в шестой степени). Поэтому эффективная миграция происходит, если донор и акцептор достаточно сближены (1-10 нм).
Миграция энергии возбуждения может наблюдаться как по синглетным, так и по триплетным уровням. Направление миграции обусловлено вторым законом термодинамики и всегда соответствует переходу электронов с более высокого уровня в доноре на более низкий в акцепторе.
Наличие миграции определяют с помощью спектральных методов. Если обнаруживается, что вещество, непосредственно не участвующее в фотохимической реакции, начинает люминесцировать (сенсибилизированная люминесценция), то это говорит о наличии миграции энергии, т. е. о том, что молекулы этого вещества получили энергию от других молекул, непосредственно участвующих в поглощении света.
Рассмотренный тип миграции энергии называется резонансным, поскольку он осуществляется в результате резонанса донора и акцептора энергии. Эффективность (вероятность) миграции энергии резонансным способом у белков составляет всего несколько процентов, поэтому данный вид переноса энергии для них существенного значения не имеет.
Эффективность резонансной миграции энергии для нуклеиновых кислот достигает 30%. Резонансная миграция энергии может достигать 100% в системах с высокой концентрацией хромофоров - соединений, содержащих систему сопряженных кратных связей.
В некоторых случаях возбужденный электрон может перемещаться от одной молекулы к другой вдоль возбужденного уровня. "Дырка", возникающая после ухода электрона, может перемещаться вслед за ним по этому уровню. Такая перемещающаяся пара электрон-"дырка" называется экситоном, а миграция энергии, осуществляющаяся с помощью экситона, называется жетонной миграцией. В отличие от резонансной экситонная миграция энергии может осуществляться на сравнительно большие расстояния.
Экситонная теория была применена при рассмотрении переноса энергии в системах, содержащих биологические пигменты: родопсин, хлорофилл и др. Предполагают, что в процессе фотосинтеза хлоропласты могут функционировать как своеобразные полупроводниковые образования. Поглощение света может приводить к образованию в молекуле хлорофилла свободных электронов и положительных "дырок". Электроны и "дырки" движутся и обусловливают окислительно-восстановительные процессы.
Электрон может осуществлять восстановление какого-либо акцептора, так как восстановление - это присоединение молекулой электронов. "Дырка" может осуществлять окисление молекул, так как присоединение "дырки" означает отдачу электрона, т. е. окисление.