6. Классификация фотобиологических процессов.
Все фотобиологические процессы можно подразделить на 3 класса:
a. Фотосинтетические процессы.
b. Фотодиструктивные процессы.
c. Информационно-биологические процессы.
7. Фотосинтетические процессы.
Под фотосинтетическими процессами понимаются такие фотобиологические процессы, когда в результате поглощения кванта света молекулой и взаимодействия этой молекулы с другой происходит синтезирование более сложной молекулы. Примером фотосинтетического процесса является фотосинтез углеводов из углекислого газа и воды при поглощении квантов красного света. Этот процесс связан с запасанием энергии и является единственным процессом на земле, который ведет к увеличению свободной энергии системы ∆Z (∆Z = 120 Ккал/моль вещества).
Фотосинтез углеводов - реакция восстановления молекулы углекислого газа электронами, которые получены от воды, при этом хлорофилл выступает в роли фотокатализатора.
В результате протекания первичной фотоокислительно-восстановительной реакции образуется продукт этой реакции CHOH. Время жизни CHOH всего несколько наносекунд. Следом за первичной реакцией протекает вторичная - из 6 молекул CHOH образуется стабильная молекула глюкозы.
Смотри фотоокислительно-восстановительную реакцию.
7a. Спектр фотобиологического действия.
На данном этапе изучения квантовой биофизики необходимо и вполне уместно ввести понятие спектра фотобиологического действия.
Под спектром фотобиологического действия будем понимать график зависимости величины (вероятности) определенного фотобиологического эффекта (например, фотосинтетического) от длины волны поглощенного света (смотри рисунок 12).
Условные обозначения:
P - вероятность фотобиологического эффекта,
L - длина волны поглощенного света.
Спектр действия показывает, какова вероятность возникновения какого-либо фотобиологического эффекта при поглощении молекулами квантов света с определенной длиной волны. Для того, чтобы ответить на вопрос - "С каких молекул начинается данный фотобиологический процесс или какие молекулы организма ответственны за данный фотобиологический эффект?" необходимо сопоставить спектр поглощения молекул со спектром фотобиологического действия. Если для какой-то молекулы спектр поглощения совпадает со спектром действия, то, в соответствии с основными законами фотохимии именно с этой молекулы и начинается данный фотобиологический эффект. Так, например, спектр поглощения провитамина D (неактивная форма витамина D) совпадает со спектром антирахитического действия УФЛ, значит с молекул провитамина D и начинается данный фотобиологический процесс.
Кстати, рахит - заболевание связанное с недостатком активного витамина D в организме ребенка и взрослого человека. Витамин D поступает в организм человека вместе с пищей животного происхождения (мясо, масло сливочное, жир). При неполноценном питании человека и возникает дефицит этого витамина в организме, что ведет к развитию у данного субъекта рахита. При рахите нарушается процесс конструкции и реконструкции костной ткани, т.к. при недостатке витамина D костная ткань деминерализуется. Это все ведет к искривлению и деформации костей скелета, нарушению нормального функционирования различных органов и систем. Если рахит разовьется у девочки, то в будущем, в результате стойкой деформации костей малого таза, она при беременности не сможет рожать естественным путем (анатомическое несоответствие между размерами плода и размерами малого таза).
7b. Основные законы фотохимии (Гротгус-Дрекер, Эйнштейн).
1. Фотобиологическим действием обладает только тот свет, который поглощается системой. Этот закон является следствием закона сохранения энергии;
2. Один поглощенный квант света вызывает только один первичный фотохимический акт, т.е. чем больше квантов поглощается тканью в единицу времени, тем больше возникает первичных фотохимических реакций и тем интенсивнее развивается данный фотобиологический процесс.
8. Фотодеструктивные процессы:
Процесс деструкции (нарушение структуры) макромолекул под влиянием поглощенных квантов коротковолнового ультрафиолетового излучения называется фотодеструктивным процессом.
В основе фотодеструктивного действия УФЛ лежит их действие на белки и нуклеиновые кислоты. Мы рассмотрим три основных фотодеструктивных фотобиологических процесса бактерицидный, канцерогенный и инактивации ферментов.
a. Механизм бактерицидного действия УФЛ.
b. Механизм канцерогенного действия УФЛ.
c. Механизм инактивации ферментов под действием УФЛ.
8a. Механизм бактерицидного и бактериостатического действия УФЛ.
Бактерицидное действие УФЛ, т.е. действие приводящее к гибели микроорганизмов. Внешние признаки бактерицидного действия УФЛ заключаются в сокращении количества особей в колонии микроорганизмов после облучения ультрафиолетовыми лучами.
Кроме бактерицидного действия при действии УФЛ наблюдается и бактериостатическое действие - прекращение роста колонии микроорганизмов, т.е. прекращение увеличения числа особей в колонии.
Условные обозначения:
P - вероятность фотобиологического эффекта,
L - длина волны поглощенного света.
Для выяснения того, какие молекулы ответственны за бактерицидное и бактериостатическое действие УФЛ, сопоставили спектры поглощения различных молекул, входящих в состав микроорганизмов, со спектрами бактерицидного и бактериостатического действия и установили, что они совпадают для молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). На основании этого был сделан обоснованный вывод о том, что именно с ДНК и начинается фотобиологический процесс, приводящий к бактерицидному и бактериостатическому эффектам.
Каков механизм бактерицидного действия УФЛ? Молекула ДНК является двухнитчатой спиралью построенной по принципу комплементарности. Никогда тимин одной из нитей не располагается напротив тимина другой нити. В молекуле ДНК, поглотившей квант света с длиной волны 254-265 нанометров, протекают две последовательные фотохимические реакции - реакция фотодиссоциации, в результате которой происходит расхождение нитей в молекуле ДНК. Если этот процесс захватывает значительную часть молекулы, то он может привести к денатурации всей молекулы ДНК и к гибели микроорганизма - бактерицидный эффект.
Если этого не произошло и микроорганизм остался живым, может оказаться так, что тимин одной из нитей ДНК окажется напротив тимина другой нити. Тимин чрезвычайно охотно вступает с тимином в реакцию фотодимеризации с образованием очень прочного тимин-тиминового димера, который закрепляет неправильную структуру молекулы ДНК. При считывании генетической информации с помощью информационной РНК набор ферментов в дочерней особи окажется недостаточным для ее выживания в данной среде - бактериостатический эффект.
Бактерицидное действие широко используется в медицине для стерилизации перевязочного материала, воздуха и стен операционных комнат, некоторых медикаментов и т.д.
8b. Механизм канцерогенного действия УФЛ.
Условные обозначения:
P - вероятность фотобиологического эффекта,
L - длина волны поглощенного света.
Ответственными за канцерогенное действие УФЛ являются ароматические аминокислоты триптофан, тирозин и фенилаланин, входящие в состав макромолекул белка, т.к. спектр поглощения смеси этих аминокислот довольно точно совпадает со спектром канцерогенного действия УФЛ (смотри рисунок 14). К канцерогенному эффекту приводит т.н. реакция первого типа с ароматической аминокислотой.
Схематически этот процесс можно представить следующим образом:
Ароматическая аминокислота A - триптофан, тирозин или фенилаланин (смотри рисунок 15) поглотив квант света hv' переходит в синглетное возбужденное состояние S*. Это состояние обратимо. Электрон снова может опуститься на орбиталь S0 при этом избыток энергии излучается в виде кванта флуоресценции hv■. Если этого не произошло, то возможен отрыв электрона и переход молекулы в радикальное состояние R. На данной стадии процесс тоже обратим, но вероятность обратного течения, т.е. присоединение электрона +е, маловероятна (на рисунке 15 показано пунктиром). Дело заключается в том, что процесс становится необратимым в кислородной среде, а кислорода в живых тканях содержится достаточно много. В этих условиях происходит окисление свободных радикалов с образованием канцерогенов таких как кинуренин и ДОФА. Эти вещества переносятся кровью и лимфой и концентрируются в ретикуло-эндотелиальной системе. Если концентрация канцерогенов там превысит пороговую для данного человека, то произойдет раковое перерождение клеток ткани - возникнет раковое заболевание.
По современным представлениям загар не является полезным для человека, т.к. очень велика опасность возникновения рака. Если человек хочет загорать, то следует это делать в ранние утренние часы или на закате солнца, когда в солнечном свете содержится наименьшее количество квантов с длиной волны 280 нм (фильтрация коротковолнового УФЛ атмосферой). Не следует загорать высоко в горах. Если человек загорает в районе Сочи, то наибольшее время пребывания на солнце 20 - 25 минут в сутки, в районе Смоленска - около 30 - 35 минут.
Необходимо обратить внимание на то, что максимум антирахитического действия УФЛ (смотри рисунок 12) приходится тоже на 280 нм ! Поэтому у детей для профилактики рахита использование УФЛ оправдано только в тех случаях, когда другие способы лечения не эффективны, но и в этом случае УФЛ допустимо применять только строго индивидуально!! и в малых дозах!! Коварство канцерогенного действия УФЛ заключается в том, что латентный период может продолжаться до 10 лет.
8c. Механизм инактивации ферментов под действием УФЛ.
Условные обозначения:
P - вероятность фотобиологического эффекта,
L - длина волны поглощенного света.
Ферменты на свету, содержашем кванты с длиной волны 280 нм быстро теряют свою активность. "Повинны" в этом те же молекулы ароматических аминокислот (триптофан, тирозин, фенилаланин). Инактивация ферментов произойдет если реакция пойдет по второму типу (смотри рисунок 17).
Поглотив квант света hv' ароматическая кислота A (смотри рисунок 17) переходит в синглетное возбужденное состояние S*. Это состояние обратимо. При этом электрон возвращается на основной синглетный уровень с испусканием кванта флуоресценции hv■ - сплошная стрелка на рисунке. Если этого не произошло возможен переход молекулы в триплетное состояние в котором молекула остается длительное время. Это состояние тоже обратимо, но вероятность возвращения электрона с триплетного уровня на основной с испусканием кванта фосфоресценции hv■■ слишком невелика - пунктирная стрелка на рисунке. Энергия поглощенного кванта может пойти на разрыв дисульфидных связей в активном центре молекулы, при этом произойдет инактивация фермента.