Биофизика 02

лонки біомолекул, що відповідно спричинить зміну їхньої конформації. У цьому випадку може виявлятися ефект НВЧFопромінювання, хоча нагрів тканини може бути зовсім несуттєвим.

Помічено, що хронічне НВЧFопромінювання викликає гіпоксію (знижений зміст кисню в тканинах), зниження працездатності, підвищення стомлюваності організму, а також ряд інших порушень, особливо в нервовій і серцевоFсудинній системах. Найбільше часто від подібних симптомів страждає персонал фізіотерапевтичних кабінетів, телеF і радіостанцій, морських суден, а також військовослужбовці. Порушення стану здоров’я зростають із збільшенням стажу роботи. Для осіб, професійно зв’язаних із НВЧFопромінюванням, і н т е н с и в н і с т ь б е з у п и н н о г о в и п р о м і н ю в а н н я п р о т я г о м 8 годин не повинна перевищувати 0,1 Вт/м2. Захворювання, викликані опроміненням у радіохвильовому діапазоні, виділяють в окрему, так звану радіохвильову, або радіочастотну хворобу.

§ 42. Електронні переходи в атомах і молекулах

Енергія кванта електромагнітної хвилі визначається за формулою Планка

де ν— частота світла; λ— довжина хвилі; c — швидкість світла у вакуумі; h — стала Планка.

Якщо енергія кванта світла збігається з енергією, необхідною для переходу електрона з одного енергетичного рівня на більш високий, то відбувається поглинання кванта атомом. При цьому електрон переходить з основного (незбудженого) енергетичного рівня S0 на збуджені

(синглетні) S*, S* і т.д. Так як стан атома, при якому нижчі енергетичні

1 2

рівні є незаповненими, у той час як електрони знаходяться на більш високих рівнях, є хитливим, то електрони повертаються на свої основні рівні. При цьому можливі кілька випадків (рис. 9.1).

Електрон може перейти зі збудженого рівня на більш низький із випромінюванням кванта електромагнітної хвилі. Такий перехід називається випромінювальним. Якщо ж надлишкова енергія, отримана атомом при поглинанні кванта, передається іншому атому при взаємодії з ним, наприклад, при зіткненні, то такий перехід називається безвипромінювальним. У результаті безвипромінювального переходу збуджений атом може передати свою надлишкову енергію іншим атомам, що знаходяться в тій же молекулі (внутрішньомолекулярний перенос енергії) або в іншій молекулі (міжмолекулярний перенос енергії). Ці процеси називаються

161

§ 43. Вплив на біологічні об’єкти випромінювання оптичного діапазону

Дія інфрачервоного випромінювання на організм викликає відчуття тепла, видимого діапазону — зорові реакції, фотосинтез (утворення органічних сполук за рахунок енергії світла), фототаксис (рух мікроорганізмів до світла або від нього), фототропізм (поворот листків і стеблин рослин до світла або від нього), ультрафіолетового — синтез вітаміну D, еритему (почервоніння шкіри, викликане розширенням кровоносних судин шкіри), засмага (утворення в шкірі пігменту меланіну), канце-

162

рогенез (утворення пухлин), чинить бактерицидний ефект. З усього діапазону електромагнітного випромінювання людина має рецептори тільки до інфрачервоного випромінювання (терморецептори) і до видимого (зорові рецептори).

Процеси, що відбуваються в біологічних системах при впливі випромінювання оптичного діапазону, називають фотобіологічними. Виділяють наступні їхні етапи: фотофізичний — поглинання кванта світла і перенесення енергії збудженого стану, фотохімічний — хімічні перетворення молекул, і фізіологічний — відповідь організму на опромінення.

Поглинання кванта випромінювання оптичного діапазону приводить до збудження молекули, а, отже, підвищення її реакційної спроможності, у результаті чого можуть відбуватися хімічні реакції, що були б неможливі в темноті. Такі реакції називаються фотохімічними, а продукти, що утворюються в них — фотопродуктами. Безпосередній вплив світла на хімічну речовину частіше усього приводить до утворення нестабільних продуктів, що у ланцюзі наступних реакцій перетворюються в стабільні. Ці реакції, як правило, вже не вимагають дії світла і тому називаються темновими.

В ультрафіолетовому і видимому діапазонах випромінювання відбуваються π–π*F та n–π*Fелектронні переходи. Нагадаємо, що πFелектрон — це електрон, що бере участь в утворенні πFзв’язку, а nFелектрон — це неспарений pFелектрон, що не утворює хімічний зв’язок, але здатний переходити на збуджений рівень (π*) πFорбіталі. Тому в ультрафіолетовій і видимій областях спектра добре поглинають ті хімічні сполуки, які мають у своєму складі спряжені подвійні зв’язки і кільцеві групи, що володіють πFелектронною системою.

Чим більше в молекулі спряжених подвійних зв’язків N, тим більша довжина хвилі λ, на яку приходиться максимум поглинання світла. Якісно цю величину можна визначити за наступною формулою:

де m — маса електрона; c — швидкість світла; l — довжина одного елемента ланцюга сполучених подвійних зв’язків; h — стала Планка. Наприклад, максимуми поглинання ненасичених жирних кислот приходяться на λ < 220 нм, а максимум поглинання ретиналю, який має 11 спряжених подвійних зв’язків зрушується вже у видиму область.

Прикладом електронних переходів π–π* є ізомеризація ретиналю під дією видимого світла (див. гл. 8). Для того, щоб 11FцисFретиналь перетворився в цілком трансFретиналь, необхідний поворот навколо подвійного зв’язку між 11 і 12 атомами вуглецю (рис. 8.6), що без додаткових витрат енергії неможливо. Поглинання кванта видимого світла

163

приводить до збудження молекули і переходу електрона зі зв’язуючої πFорбиталі на розпушуючу π*Fорбіталь, у результаті чого πFзв’язок розривається і площини молекули повертаються навколо σFзв’язку на 90° (рис. 9.2). З цього збудженого стану молекула може перейти як назад в цисFконформацію, так і в трансFконформацію. З іншого боку, квант світла здатний і цілком трансFретиналь перевести в збуджений стан, у результаті чого деяка частина молекул перейде в 11FцисFконформацію. Тому при освітленні буде встановлюватися певне співвідношення між цими двома ізомерами, причому переважати буде той ізомер, що при опроміненні даною довжиною хвилі має менше значення коефіцієнта поглинання.

§44. Вплив ультрафіолетового випромінювання на біологічні молекули

Узалежності від дії, що чиниться на біологічні об’єкти, в ультрафіолетовому діапазоні виділяють три зони: АFзона, або антирахітна, (λ = 400 – 315 нм) — викликає синтез вітаміну D; ВFзона, або еритемна, (λ = 315 – 280 нм) — викликає утворення еритеми і сприяє синтезу пігменту меланіну, який чинить захисну дію при ультрафіолетовому опроміненні,

тому що поглинає кванти світла й одночасно є антиоксидантом1 ; СFзона, або бактерицидна, (λ=280 – 200 нм) — викликає мутації, канцерогенез, надає бактерицидний ефект, енергія випромінювання цього діапазону

(3,1 – 6,8 еВ) достатня для дисоціації й іонізації молекул. Ультрафіолетове випромінювання з λ<200 нм дуже сильно поглинається, у тому числі

Рис. 9.2. Цис[транс[ізомеризація ретиналю під дією світла.

і повітрям, тому його дію на біологічні об’єкти звичайно не розглядають. Основним природним джерелом ультрафіолетового випромінювання є Сонце. Сонячне випромінювання в цьому діапазоні значно погли-

нається озоновим шаром, причому поглинання тим вище, чим менша довжина хвилі. Тому поверхні Землі досягають в основному промені зони А та довгохвильової області зони В. Цей діапазон ультрафіолету називається екологічним. Діяльність людини за останні десятиліття призвела до істотного зменшення озонового шару, що викликало

164

посилення інтенсивності випромінювання в більш короткохвильовій області ультрафіолетового діапазону. Замічено, що зменшення на 1% поглинаючих властивостей озонового шару приводить до збільшення випадків захворювання раком шкіри на 2%.

Ультрафіолетове випромінювання дуже сильно поглинається живими клітинами і практично не проникає на глибину більш, ніж 1 мм. У людини ультрафіолетові промені поглинаються в шкірних покривах. Тому безпосередній ефект ультрафіолетового опромінення виявляється саме на клітинах шкіри.

Так як коефіцієнти поглинання для ультрафіолету дуже великі, то поглинена доза D приблизно дорівнює потужності випромінювання W, що потрапило на одиницю площі шкірного покриву за час t:

D = Wt.

Випромінювання різних довжин хвиль однакового потоку2 приводить до різного ступеня ушкоджень. Залежність фотобіологічного ефекту від довжини хвилі випромінювання називають спектром дії. Спектр дії можна побудувати як для окремих молекул, так і для клітин (рис. 9.3).

Відповідно до законів фотобіології, фотозміни в молекулі можуть статися тільки при поглинанні нею кванта випромінювання. Тому спектр дії за своєю формою збігається зі спектром поглинання1 тих молекул, що відповідають за дану хімічну або фізіологічну відповідь. Наприклад, спектр інактивації вірусу тютюнової мозаїки цілком збігається зі спектром поглинання його інформаційної РНК (рис. 9.4). На підставі цього можна зробити висновок, що інактивуюча дія ультрафіолету на цей вірус обумовлена саме ушкодженням нуклеїнових кислот.

Біологічний ефект ультрафіолету насамперед визначається змінами, які він викликає в структурі білків, нуклеїнових кислот, а також біологічних мембран.

Амінокислоти, що входять до складу білків мають максимуми поглинання в діапазоні довжин хвиль λ = 180 – 190 нм за рахунок пептидних зв’язків. Крім того, ароматичні амінокислоти: фенілаланін, тирозин і триптофан мають додаткові максимуми поглинання (λmax =258, 280 і 285 нм, відповідно) за рахунок ароматичних груп. Так як опромінення ультрафіолетом (як природне, так і штучне в експерименті) частіше усього відбувається при λ > 240 нм, то основний внесок у фотопошкодження білків вносять саме ароматичні амінокислоти.

Дія ультрафіолетового випромінювання на білкові молекули здатна привести до розриву дисульфідних містків між поліпептидними ланцю- гами, утворенню вільних радикалів1. Особливо ці ушкодження небезпеч-

1 Антиоксиданти – сполуки, що зв’язують вільні радикали.

2 Потоком енергії хвилі крізь деяку поверхню називають кількість енергії, передану крізь цю поверхню за одиницю часу.

165

1 Спектр поглинання – залежність оптичної густини від довжини хвилі.

166

перенос енергії від однієї основи до іншої в наступній послідовності: цитозин, гуанін, аденін, тимін. Саме в цьому напрямку відбувається зменшення триплетних рівнів енергії азотистих основ. З меншою імовірністю в порівнянні з тиміновими димерами можуть утворюватися димери цитозин–цитозин (Ц–Ц) і тимін–цитозин (Т–Ц).

Димери тиміну, що утворилися, хімічно дуже стійкі і не руйнуються при підвищенні температури або при дії хімічних речовин. Однак процес мономеризації можна викликати дією того ж ультрафіолетового випромінювання, причому максимальний вихід мономерів спостерігається при опроміненні в більш короткохвильовій області в порівнянні з максимальним виходом димерів.

Іншими типами фотопошкоджень ДНК є: фотогідратація (утворення 6FоксиF5Fгідроксипохідних, рис. 9.6), зшивки ДНК із білками (ковалентне приєднання до молекул цитозину або урацилу по 5Fму або 6Fму атомах деяких амінокислот, наприклад серину, цистину та інших), зшивки ДНК–ДНК, одноF або дволанцюгові розриви ланцюгів ДНК, але їхній квантовий вихід1 нижче, іноді на кілька порядків, у порівнянні з виходом піримідинових димерів.

Фотопошкодження нуклеїнових кислот можуть привести до появи мутацій, канцерогенезу і навіть до загибелі клітини. Часто ці ушкодження заважають нормальному проходженню процесів транскрипції і реплікації нуклеїнових кислот, що виключає можливість нормального

Рис. 9.5. Утворення циклобутанового димеру тимін–тимін.

ділення клітини. Так, при появі в ДНК димерів азотистих основ неможлива реплікація ДНК.

Іноді фотопошкодження молекул можуть бути викликані не безпосереднім поглинанням випромінювання даною молекулою, а її взаємодією з іншою молекулою, що поглинула квант світла і перейшла у збуджений стан. Сполуки, що підвищують чутливість біологічних об’єктів до світла, називаються фотосенсибілізаторами, а викликані ними реакції

— фотосенсибілізованими.

Прикладом фотосенсибілізованих реакцій є викликані ультрафіо-

1 Вільні радикали – атоми або молекули, що мають неспарені електрони. Мають високу реакційну спроможність, утворюються в ході біохімічних реакцій і дії іонізуючого випромінювання. Здатні запускати ланцюгові хімічні реакції, наприклад, реакції перекисного окислення ліпідів.

167

катіонFрадикала і сольватованого електрона:

RH hn → RH* → RH+· + e–.

Взаємодія сольватованого електрона з дисульфідними зв’язками може викликати їхній розрив:

У цьому прикладі фотосенсибілізованою реакцією є розрив дисульфідних містків, а фотосенсибілізаторами — амінокислоти тирозин і триптофан.

Ушкодження мембранних ліпідів, викликані ультрафіолетовим опроміненням, також є фотосенсибілізованими реакціями, тому що максимум поглинання ліпідів приходиться на λ < 220 нм, а довжина хвилі традиційного опромінення перевищує 240 нм. Ультрафіолетове опромінення викликає появу в мембрані вільних радикалів Х· (наприклад, радикалів води, амінокислот і ін.), які здатні викликати ланцюгові реакції перекісного окислювання ліпідів:

X· + RH → XH + R· (ініціювання);

R· + O2→ RO2· (окислювання радикала);

RO2· + RH → ROОH + R· (ланцюгова реакція);

…………………………………………………

Р (обрив реакції), де RH — ліпід; Р — стабільний продукт.

Ці реакції вимагають присутності кисню в тканині і гальмуються антиоксидантами А (наприклад, вітаміном Е — токоферолом):

АН + RO2· → А· + ROOH;

1 Квантовий вихід реакції – відношення кількості молекул, що прореагували, до кількості поглинених квантів.

168

P.

Руйнування ліпідів підвищує іонну проникність мембрани, порушує її стабільність, перешкоджає нормальному функціонуванню мембранних компонентів.

Фотосенсибілізатори розділяють на ендогенні, синтезовані самим організмом, і екзогенні, що потрапляють у нього ззовні. Відомі 4 класи фотосенсибілізаторів: гіперицини, хлорофіли, порфірини і псоралени (фурокумарини).

При деяких захворюваннях у клітинах збільшується зміст ендогенних фотосенсибілізаторів. Наприклад, при порушенні гемопоезу (кровотворення), підвищується зміст протопорфіринів, які є фотосенсибілізаторами окислювання ліпідів і білків.

Попадання на шкіру екзогенних фотосенсибілізаторів і одночасне опромінення здатні викликати опіки і фотодерматити. Наприклад, екстракти деяких представників сімейств зонтичних, рутових, бобових містять псоралени, які є фотосенсибілізаторами ДНК і здатні спровокувати фотоканцерогенез. Саме тому перед прийняттям сонячних ванн не рекомендують користуватися косметикою, наносити на шкіру креми, крім тих, що мають захисну протиультрафіолетову дію.

Порушені під дією ультрафіолету молекулярні структури здатні відновлюватися за допомогою так званих репараційних систем клітини. Так, спочатку з бактеріальних клітин, а потім і з клітин людини був виділений фермент, що володіє фотореактивними властивостями. При його приєднанні до димера піримідинової основи утворюється хромофорна група, що поглинає у видимому діапазоні. Влучення кванта видимого світла (максимум спектра дії приходиться на 380 – 400 нм, у залежності від виду організму, із якого був виділений фермент) на такий комплекс приводить до розпаду димера й утворенню двох молекул тиміну.

§ 45. Теорія мішені

При кількісному вивченні фотопошкоджень молекул і цілих клітин використовується так звана теорія мішені. В ролі мішені може виступати, наприклад, активний центр ферменту або ділянка ДНК, відповідальна

169

за синтез якогось життєво важливого білка. У цьому випадку влучення усього лише одного кванта світла (одноударний механізм) у мішень викликає з імовірністю Ф (квантовий вихід реакції) повну інактивацію даної молекули. Влучення кванта в інші ділянки молекули, хоч і здатне викликати якіFнебудь її хімічні перетворення, але на її біологічній функції не відбивається.

Швидкість інактивації молекул можна записати в наступному вигляді:

(9.1) де n — кількість непошкоджених молекул в одиниці об’єму; t — час; Ф — квантовий вихід реакції; I0 — інтенсивність падаючого світла; I

—інтенсивність світла, яке пройшло через розчин. Відповідно до закону Бугера — Ламберта — Бера

де s — поперечний перетин поглинання, тобто деяка площа, при влученні в який відбувається поглинання фотону молекулою; l — товщина розчину. Тоді формулу (9.1) можна переписати у вигляді

Для розчинів малих концентрацій (1 – e–snl) ≈ snl, тоді

(9.2) Розділимо змінні в (9.2) і проінтегруємо отриманий вираз:

де n0 — початкова кількість молекул; n — кількість молекул, що залишилися непошкодженими після опромінення за час t. Одержимо

(9.3) У цьому виразі I0t =D — доза випромінювання, s Ф =σ— поперечний перетин інактивації молекули1 , що визначає як імовірність поглинання фотона молекулою, так і імовірність її хімічного перетворення в результаті такої взаємодії. Тоді на одиницю товщини розчину вираз (9.3)

можна переписати у вигляді:

або

170