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 (a-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 |
Основы фотомедицины.
В медицине большое значение имеют фотобиологические процессы, возникающие в результате поглощения света экзогенными веществами или эндогенными соединениями, концентрация которых резко возрастает при некоторых патологиях (протопорфирии, билирубинемии и др.). Вещества, повышающие чувствительность организма к ультрафиолетовому или видимому свету, в фотобиологии называются фотосенсибилизаторами.
По механизму действия фотосенсибилизаторы делятся на два типа.
· Фотосенсибилизаторы I типа под действием света сами химически изменяются, их эффект не зависит от присутствия кислорода. Например, в терапии псориаза широко используют псоралены, которые применяют совместно с УФА-облучением (ПУФА-воздействие). В основе терапевтического эффекта лежит реакция ковалентного фотоприсоединения псораленов к ДНК.
· Фотосенсибилизаторы II типа называются также фотодинамическими соединениями. Поглотив квант света, эти соединения переходят в триплетное возбужденное состояние, а затем взаимодействуют с молекулярным кислородом, и переводят его в супероксидный анион-радикал или в возбужденное синглетное состояние. Эти активные формы кислорода обладают большим окислительным потенциалом. Характерной особенностью реакции II типа является их зависимость от присутствия кислорода. В связи с этим целый ряд терапевтических методов основан на использовании антиоксидантов (например, b-каротин), которые инактивируют ("тушат") активные кислородные метаболиты и предотвращают их патологическое действие.
На сегодняшний день широко распространенным методом лечения является фотогемотерапия – дозированное облучение крови квантами света длиной волны от 280 до 680 нм (верхняя часть ультрафиолетового спектра и видимый свет). Вызываемое фотонами возбуждение биомолекул и структурно-функциональные изменения форменных элементов крови приводят к существенной активации лейкоцитов, факторов неспецифической резистентности организма, изменению проницаемости мембран и запуску опосредованных каскадных фотохимических реакций. Считается, что коротковолновое облучение крови (до 400 нм) обусловливает в основном иммунокорригирующий эффект, а длинноволновое облучение оптического диапазона существенно улучшает реологические свойства крови и микроциркуляцию.
Трансфузии фотомодифицированной аутокрови с успехом применяют практически во всех областях медицины, так как возникающие при этом эффекты оказывается благоприятным при многих патологиях. Кроме того, УФО-кровь способна корригировать предпатологические сдвиги у практически здоровых людей, повышая тем самым работоспособность и выносливость, что значительно расширяет сферу применения метода.
Перечисленные изменения следует рассматривать как адаптивную перестройку, которая возникла в процессе эволюции под влиянием ведущего фактора среды – солнечной радиации. Солнце, а также имитирующие его источники света, действует как физиологический регулятор процессов жизнедеятельности (обменных, иммунных, пролиферативных, гомеостатических и т.д.). Это обстоятельство особенно важно для нашей страны, большая часть которой расположена в зоне дефицита солнечной радиации.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что изучает квантовая биофизика?
2. Назовите области практического использования положений и методов квантовой биофизики.
3. Дайте характеристику электронных переходов биомолекулы при поглощении кванта света.
4. Назовите условия, необходимые для поглощения света биосистемой.
5. Что такое спектр поглощения вещества? Какое значение он имеет при анализе состояния биосистемы?
6. Назовите хромофорные группы основных органических соединений.
7. Каким закономерностям подчиняется процесс люминесценции?
8. Проанализируйте основные стадии фотобиологического процесса.
9. Дайте характеристику процессам, приводящим к инактивации белков, деструкции нуклеиновых кислот и липидов.
10. Что называют спектром фотобиологического действия?
11. Какие вещества относят к фотосенсибилизаторам? Как реализуется их механизм действия?
12. Укажите основные направления применения фототерапии в медицине.
ПРИМЕРЫЗАДАНИЙ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ
1.
Фосфоресценция сопровождает энергетический переход
а) S1 ® S0;
б) S1 ® S0 + hn;
в) S1 ® T1;
г) T1 ® S0 + hn.
2.
Время жизни молекул в синглетном возбужденном состоянии составляет
а) часы;
б) минуты;
в) секунды
г) наносекунды.
3.
Основными хромофорами в нуклеиновых кислотах являются
а) пуриновые и пиримидиновые основания;
б) рибоза и дезоксирибоза;
в) остатки фосфорной кислоты;
г) все перечисленные варианты ответов.
4.
Цепной свободнорадикальный механизм характерен для реакции
а) фотодимеризации тиминовых оснований;
б) пероксидного окисления липидов;
в) фотоинактивации белков;
г) сшивки нуклеиновых кислот с белками.
5.
Какой прибор служит для определения оптической плотности окрашенного раствора?
а) микроскоп;
б) фотоколориметр;
в) осцилограф;
г) сталагмометр.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ
1. Контроль исходного уровня знаний (компьютерное тестирование или иные формы).
2. Разбор теоретического материала занятия, коррекция усвоенного материала (устно-речевой контроль).
3. Решение типовых задач по теме занятия. Обсуждение алгоритма решения и практического значения расчетных методов в квантовой биофизике.
4. Изложение и обсуждение реферативных докладов. Обсуждение ситуационных задач.
5. Контроль конечного уровня знаний – работа с программой компьютерного тестирования по теме "Квантовая биофизика".
6. Задание на следующее занятие с выделением материала для самостоятельной работы. Согласование тем реферативных докладов.