Поскольку было обнаружено, что эффективная передача энергии в антеннах происходит и при крайне низких температурах (1° K = -272° C) было сделано заключение, что передача энергии происходит без передачи электронов (электронный транспорт при таких низких температурах невозможен)[4]. Выделяют следующие механизмы миграции энергии:
1. Миграция энергии возбуждённого состояния по механизму Фёрстера осуществляется путём синглет-синглетного переноса энергии. На рисунке показана диаграмма энергетических уровней для соответствующего процесса.
2. Механизм индуктивного резонанса (Фёрстеровский перенос энергии или FRET от англ. Förster resonance energy transfer) был предложен в 1948 году Т. Фёрстером. Данный механизм передачи энергии не предполагает переноса электрона или излучения фотонов и последующего поглощения, т.е. является безызлучательным (несмотря на это, иногда аббревиатура FRET некорректно расшифровывается как fluorescence resonance energy transfer). Поскольку в возбужденном состоянии электрон представляет собой осциллирующий диполь, создающий переменное электрическое поле, то при выполнении условий резонанса и индукции, он может вызывать аналогичные колебания электрона в соседней молекуле. Условие резонанса заключается в равенстве энергий между основным и возбуждённым состоянием, т.е. необходимо перекрывание спектров поглощения и флуоресценции двух молекул. Также для успешной индукции необходимо близкое расположение взаимодействующих молекул (не более 10 нм). Известно, что межмолекулярное расстояние в ССК составляет от 2 до 3 нм; а существование серии различных нативных форм пигментов обеспечивает хорошее перекрывание их спектров. Всё это создает хорошие условия для передачи энергии по механизму индуктивного резонанса. Скорость передачи энергии при Фёрстеровском переносе находится диапазоне 10-9-10-12 с], что связано с передачей энергии последовательно от пигмента-донора к пигменту-акцептору].
2. Механизм миграции экситона был предложен А. Френкелем в 1931 году. Механизм миграции экситона основан также на резонансном взаимодействии молекул и не связан с переносом электрона, однако он характерен для достаточно гомогенных, упорядоченных систем, образующих зону кристаллической решётки. Под экситоном понимают квант энергии возбуждения (возбуждённое состояния, при котором электрон связан с ядром). Для экситонного механизма характерно возбуждения целого комплекса определённым образом ориентированных молекул пигментов одного типа. При этом скорость миграции энергии в таком гомогенном комплексе достигает величин порядка 10-12—10-15 c.
3. Также при условии, что переходы электрона на возбуждённый уровень оптически запрещены (характерно для перехода каротиноидов S0 → S1) и не происходит образования диполя, миграция энергии возможна путём обменно-резонансного механизма Теренина-Декстера. Для миграции энергии по механизму Теренина—Декстера необходимо крайне тесное расположение молекул (расстояние около 1 нм) и перекрывание внешних молекулярных орбиталей. При этом возможен обмен электронами, как на синглетных, так и на триплетных уровнях.
Данные механизмы переноса энергии принципиально отличаются от механизмов, реализующихся в электрон-транспортных цепях (ЭТЦ), поскольку перенос энергии на разных участках ЭТЦ, связан с переносом электронов (электронная миграция энергии). Перенос электронов между кофакторами внутри белковых комплексов ЭТЦ осуществляется по 1) полупроводниковому или 2) резонансному (основан на эффекте туннелирования электронов через энергетический барьер) механизмам. Перенос электронов на участках с подвижными переносчиками осуществляется по диффузному механизму.
Б) Примеры фотобиологических процессов:
Фототоксические эффекты – повреждение кожи, помутнение хрусталика; фотоаллергические эффекты; зрение; фотопериодизм.
Лазер. Особенности лазерного излучения и возможности их использования в медицине и ветеринарии.
Лазерная медицина, как самостоятельное направление, сформировалась в последней четверти XX века, ознаменовав огромный стиль, как в области создания лазерных медицинских установок, так и в освоении их врачами, с широким внедрением лазерных технологий в практику здравоохранения. Сегодня трудно себе представить развитие медицинской науки без лазеров, используемых для лечения и диагностики многих заболеваний.
Приоритет в разработке лазерной техники в области космических исследований и в медицине принадлежит советским учёным. Первые лазеры использовали в хирургии. За создание метода лечения ишемической болезни сердца И.М. Курочкину в 1989 г была присуждена Государственная премия. Лазеротерапия зарегистрирована Минздравом и разрешена к применению в РФ. При наружном применении лечение лазером происходит путем воздействия излучающего терминала на определенные зоны и точки тела. Свет проникает сквозь ткани на большую глубину и стимулирует обмен веществ в пораженных тканях, активизирует заживление и регенерацию, происходит общая стимуляция организма в целом [2].
Лазеры
Слово LASER (Light Amplifacation by the Stimulated Emission) с английского переводится как Усиление Света путём Стимулирования Излучения. Механизм возникновения лазерного излучения подробно рассматривается нами на аудиторных лекциях, а также можно самостоятельно изучить по учебнику проф. А.С.Белановского [?]. Само действие лазера было описано Эйнштейном в 1917 году, но первый работающий лазер был построен лишь спустя 43 года Теодором Мейманом, который работал в компании Hugрes Aircraft. Для получения миллисекундных импульсов лазерного излучения он использовал кристалл искусственного рубина как активную среду. Длина волны того лазера была 694 нм. Через некоторое время был испробован уже лазер с длиной волны в 1060 нм, что является ближней инфракрасной областью спектра. Области применения лазеров в медицине: хирургия, офтальмология, стоматология [5], нейрохирургия, косметология, урология, гинекология, кардиология. Когда-то лазер был альтернативой скальпелю, а сегодня с его помощью можно удалять раковые клетки, производить очень точные операции на различных органах, диагностировать серьёзные заболевания на самых ранних стадиях (рак), восстанавливать зрение. Сейчас лазерные технологии в медицине идут в сторону развития комбинированных методов лечения, когда наряду с лазерной терапией применяют физиотерапию, медикаменты, УЗИ (лечение гнойных ран включает лазерную обработку, использование антиоксидантов и различных биологически активных материалов). [1]
За последние 20 лет механизмы действия лазерного излучения на биологические системы во многом раскрыты и уточнены. Воздействие низкоинтенсивных лазеров приводит к быстрому стиханию воспалительных явлений, стимулирует репаративные процессы, улучшает микроциркуляцию в тканях, повышает общий иммунитет и резистентность организма. Низкоинтенсивное инфракрасное импульсное излучение изменяет активность ферментов окислительно-восстановительной цепи.
В зависимости от характера взаимодействия с биологическими тканями различают 3 вида фотобиологических эффектов:
1. Фотодеструктивный эффект, при котором тепловой, гидродинамический, фотохимический эффекты света вызывают деструктивные изменения тканей. Используется в хирургии.
2. Фотофизическое и фотохимическое воздействие, при котором поглощённый биотканями свет возбуждает в них атомы и молекулы, вызывая фотохимические и фотофизические реакции. На этом виде взаимодействия основывается применение лазерного излучения, как терапевтического фактора.
3. Невозмущающее воздействие, когда биосубстанция не меняет своих свойств в процессе взаимодействия со светом. Это такие эффекты, как рассеивание, отражение и проникновение. Этот вид используют для диагностики (лазерная спектроскопия).
Фотобиологические эффекты зависят от
· параметров лазерного излучения
· длины волны, выходной мощности и плотности её потока
· времени воздействия на биоткани.
Большое значение имеют физические характеристики самих облучаемых тканей, в частности, степень поглощения и отражения лазерного света.
В лазеротерапии чаще применяются световые потоки низкой интенсивности, в среднем, 100 – 200 мВт/см2, что сопоставимо с интенсивностью излучения Солнца на поверхность Земли в ясный день (5). Поэтому такой вид лазерного воздействия называют низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ) (в англоязычной литературе Low Level Laser Therapy – LLLT). Воздействие на живой организм низкоэнергетическим лазерным излучением с лечебной целью относится к методам физической терапии. Широкое распространение получило применение лазерного излучения в медицинской практике в качестве лазерного скальпеля, коагулятора тканей и как неспецифического стимулятора регенеративных процессов. Особенно широкое применение получил гелий-неоновый лазер (в различных модификациях), излучающий красный свет с длиной волны 0,63 мкм в постоянном режиме, что влияет на процессы регенерации при различных заболеваниях травматического и воспалительного характера. Проведенные экспериментальные и клинические исследования показали, что лазерное излучение стимулирует белково-синтетические процессы в тканях, активирует иммунную систему организма, обладает десенсибилизирующим действием, уменьшает последствия лучевой травмы. В зависимости от величины плотности потока мощности излучение гелий-неонового лазера (ИП1Л) способно вызывать различные терапевтические эффекты: противовоспалительный; анальгезирующий; стимуляцию микроциркуляции, метаболизма, пролиферативной активности клеток. Вторым важным свойством биологического действия лазерного излучения является его широкий диапазон, обеспечивающий в целом осуществление наиболее эффективного принципа патогенетической многофакторной терапии заболеваний, – сочетание общего воздействия на организм и одновременное влияние на несколько ведущих звеньев патологического процесса или заболевания [5].
Лазерное излучение обладает специфическими свойствами: направленностью, высокой монохроматичностью, обусловливающий распространение световой волны в пространстве с очень малым углом расхождения, что позволяет получить чрезвычайную высокую концентрацию энергии на минимальной площади поверхности. Кроме этого, воздействие лучом лазера на биологические ткани является практически «бескровным», что особенно важно при его использовании в глубине узких полостей. Ещё одно немаловажное свойство лазерного излучения – полная стерильность в точке воздействия энергии лазера.
Одним из маркеров функционального и структурного повреждения на субклеточном уровне при различных воздействиях, в том числе и при воздействии лазерным излучением, является нарушение оптимального уровня трансмембранной ионной асимметрии ионов кальция в клетке (9). Ион кальция Ca2+ является одним из ключевых элементов сложной системы внутриклеточного метаболизма нервных и глиальных клеток и наряду с циклическими аденозинмонофосфатом (цАМФ) и гуанозинмонофосфатом (цГМФ) участвует в процессе синаптической передачи, регуляции ионной проницаемости и возбудимости плазматической мембраны, механизмах нейрональной пластичности, окислительного фосфорилирования. Например, в механизме возбуждения фоторецепторов функцию медиатора, обеспечивающего передачу сигнала, выполняет ион кальция. Концентрация кальция в цитозоле клетки регулируется за счёт одновременной энергозависимой работы Са2+-транспортирующих систем плазматической мембраны, эндоплазматического ретикулюма и митохондрий. Биохимическими исследованиями было показано выраженное влияние лазерного излучения различного спектрального состава на окислительно-восстановительный потенциал клетки, т.е. на выработку конечного продукта биоэнергетических реакций аденозинтрифосфата (АТФ). При воздействии на митохондрии лазерное излучение может вызывать их первичное повреждение из-за абсорбции видимого света дыхательными ферментами, высвобождение из них ионов Са2+ и торможение импульсной активности в клетках.