- •Самостоятельная работа студентов во внеурочное время
- •2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).
- •Теоретический материал по теме занятия
- •Взаимодействие квантов света с биологическими соединениями.
- •Люминесценция.
- •Фотобиологические процессы
- •Основы фотомедицины.
- •Контрольные вопросы
- •Примеры заданий для компьютерного тестирования
- •План занятия
Фотобиологические процессы
Фотобиологическими называют процессы, начинающиеся с поглощения света биологическим соединением и заканчивающиеся определенной физиологической реакцией организма. Фотохимические и фотофизические процессы являются ключевыми в жизнедеятельности биосистем. Подавляющее большинство фотобиологических реакций относятся к эндергоническим, то есть фотопродукты обладают большим запасом внутренней энергии, чем исходные вещества. По биологическому аспекту эти процессы могут быть разделены на две группы.
1. Физиологические – образующиеся фотопродукты необходимы для нормального функционирования биосистемы, являются одним из звеньев обмена веществ и энергии. Различают:
– энергетические (фотосинтез) – обеспечивают аккумулирование солнечной энергии;
– информационные (зрение, фототаксисы) – фотопродукты инициируют специализированные механизмы и организм получает информацию о состоянии внешней среды;
– фотобиосинтетические – фотохимические стадии синтеза некоторых органических соединений (витамин D).
2. Деструктивно-модифицирующие – под действием света происходит повреждение биомолекул и поражение клеток или организма (эритема, помутнение хрусталика и т.д.).
Стадии фотобиологических процессов:
1. Поглощение кванта света.
2. Внутримолекулярные процессы превращения энергии.
3. Межмолекулярный перенос энергии возбужденного состояния.
4. Первичный фотохимический процесс.
5. Темновые превращения первичных фотохимических продуктов и образование стабильных соединений.
6. Биохимические реакции с участием фотопродуктов.
7. Общефизиологический ответ на действие света.
Первичные фотохимические продукты (молекулы в электронно-возбужденном состоянии, свободные радикалы) крайне неустойчивы и быстро переходят либо в исходные вещества, либо в устойчивые фотопродукты:
где А – молекула-акцептор, А' – первичный фотопродукт, В – устойчивый фотопродукт, k1, k2, k3 – константы скоростей реакций.
Очевидно, что относительную концентрацию первичного фотопродукта (А') можно увеличить двумя способами: повысить интенсивность действующего света (метод импульсного фотолиза) или замедлить скорости темновых процессов – k2 и k3 (глубокое замораживание образцов жидким азотом). Так было установлено, что при УФ-облучении растворов ароматических аминокислот происходит их фотоионизация, выбитый электрон захватывается растворителем (сольватируется), а аминокислоты переходят в радикальные формы:
|
|
|
Радикал триптофана |
Радикал тирозина |
Радикал фенилаланина |
Основной биологический эффект действия излучения на белки сводится к фотоинактивации данных молекул (рис. 2).
Рис. 2. Общая схема процессов фотоинактивации белковых молекул:
В то же время, для ряда белков (супероксиддисмутаза, карбоксипептидаза и др.) наблюдается усиление каталитической функции при облучении УФ-светом. Это позволяет рассматривать указанный фактор как один из способов регуляции функциональной активности макромолекул.
При действии УФ-света происходит несколько фотохимических реакций повреждения нуклеиновых кислот:
1. Фотодимеризация тиминовых оснований (урацил, цитозин, тимин):
2. Фотогидратация азотистых оснований:
3. Сшивки с белками:
Эти повреждения являются причиной летальных и мутагенных эффектов УФ-излучения в клетках кожи, у микроорганизмов и растений.
Основная реакция превращений липидов под влиянием УФ-излучения – процессы пероксидного фотоокисления. В результате УФ-облучения молекул липидов образуются гидропероксиды жирных кислот (ROOH), которые относятся к первичным, относительно стабильным продуктам. Эта реакция происходит по цепному, свободнорадикальному механизму:
Гидропероксиды претерпевают дальнейшие превращения с образованием более стабильных токсичных продуктов (альдегиды, кетоны).
Фотолиз фосфолипидов может приводить к серьезным нарушениям структуры биомембран. Наблюдается повышение проницаемости мембраны для ряда веществ, в том числе для ионов Н+, К+, Na+. Это нарушает осмотический баланс, приводит к лизису клеток. В нормальной (интактной) мембране процессы пероксидного окисления липидов, по-видимому, заторможены за счет наличия антиоксидантов (-токоферол или витамин Е).
Таким образом, первичными продуктами фотобиологических процессов являются свободные радикалы – молекулы, имеющие во внешней оболочке неспаренный электрон, что придает молекуле высокую химическую активность. Их взаимодействие с молекулярным кислородом может привести к образованию, так называемых, активных форм кислорода:
1О2 |
– синглетный кислород |
|
– супероксидный анион-радикал |
Н2О2 |
– пероксид водорода |
ОН |
– гидроксильный радикал |
Синглетный кислород используют в фотодинамической терапии опухолей. После приема пациентом фотосенсибилизаторов (гематопорфирин, фталоцианин) участок опухоли облучают светом лазера. Молекула сенсибилизатора (АН) переходит в возбужденное триплетное состояние (3АН) и взаимодействует с молекулярным кислородом, находящимся в основном триплетном состоянии (3О2). Образующийся синглетный кислород (1О2) участвует в повреждении раковых клеток:
АН + hν 3AH
3AH + 3О2 AH + 1О2
Поскольку молекулы воды интенсивно "тушат" синглетный кислород, он практически не участвует в реакциях в отсутствии внешнего облучения.
Супероксидный анион-радикал в норме образуется за счет переноса электрона от НАДФН-оксидазного комплекса на молекулярный кислород. Этот процесс протекает в мембранах фагоцитов и обеспечивает повреждение чужеродных частиц. При развитии патологических процессов супероксидный анион-радикал генерируется митохондриями (до 30% от всего потребляемого кислорода) за счет неполного (одно-трехэлектронного) восстановления кислорода.
Патологическая роль радикала объясняется его способностью образовывать свободное двухвалентное железо и пероксонитрит – цитотоксичные соединения:
|
+ Fe3+ O2 + Fe2+ |
|
+ NO ONOO– |
Данная активная форма кислорода устраняется за счет работы фермента – супероксиддистутазы, который широко представлен в клетках живых организмов.
Пероксид водорода и радикалы гидроксида приводят к окислению тиоловых групп и гистидиновых остатков (инактивация ферментов, мутации в молекулах ДНК), инициируют процессы ПОЛ мембран.
По характеру биологического действия весь спектральный диапазон электромагнитных излучений принято разделять на несколько участков:
Тип излучения |
λ, нм |
Биологический эффект |
|
Инфракрасное |
750 |
тепловые эффекты |
|
Видимый свет |
400-750 |
зрение, фотопериодизм |
|
УФ-свет |
А |
315-400 |
загар, синтез витамина D, фотоаллергическое действие |
В |
280-315 |
эритема, загар, ожог глаз, канцерогенез, синтез витамина D |
|
С |
200-280 |
эритема, загар, канцерогенез, мутагенез, бактерицидное действие |
Зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света называется спектром фотобиологического действия. Спектры действия позволяют выяснить, какая область спектра наиболее эффективно вызывает данный процесс и какое вещество является акцептором квантов и инициирует фотобиологические реакции. На рис. 3. показано, что спектр действия фотоинактивации трипсина близок к суммарному спектру поглощения его основных хромофоров (остатки триптофана, тирозина и цистина), следовательно, именно эти аминокислоты являются первичными акцепторами УФ-света.
|
Рис. 3. Спектр фотобиологического действия |