ЛЕКЦИЯ 30 ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Поглощение света биологическими системами может сопровождаться специфическими фотохимическими реакциями, которые дают начало различным фотобиологическим процессам.

Фотобиологические процессы - процессы, которые начинаются с поглощения квантов света биологически функциональными молекулами и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией в организме или тканях.

К фотобиологическим процессам относятся:

• фотосинтез - синтез органических молекул за счет энергии солнечного света;

• фототаксис - движение организмов (например, бактерий) к свету или от света;

• фототропизм - поворот листьев (стеблей) растений к свету или от него;

• фотопериодизм - регуляция суточных и годовых циклов животных путем циклических воздействий «свет - темнота»;

• зрение - восприятие света глазом, сопровождающееся превращением световой энергии в энергию нервного импульса; помутнение хрусталика;

• изменения состояния кожи под воздействием света: эритема, эдема, загар, пигментация, ожог, рак кожи.

Стадии фотобиологических процессов

Все разнообразие фотобиологических процессов условно можно свести к реализации нескольких последовательных стадий:

• возбуждение молекулы при поглощении кванта света;

• первичные фотохимические реакции с образованием продуктов, способных участвовать в химических реакциях без участия света;

• вторичные химические реакции;

• физиологический отклик ткани или организма.

Фотохимическими реакциями называют такие химические реакции, которые протекают только под воздействием света.

Начальной стадией любой фотохимической реакции является поглощение фотона, которое переводит молекулу в возбужденное состояние. Энергия фотонного возбуждения составляет несколько электрон-вольт, в то время как энергия теплового возбуждения при обычных температурах не превышает нескольких сотых электронвольта (Е_фот >> Е_тепл). Высокая энергия фотовозбуждения и обусловливает возможность протекания таких реакций, которые в обычных условиях неосуществимы.

Фотонное возбуждение молекулы запускает один из двух возможных механизмов изменения ее химических свойств, каждый из которых затем порождает цепочку обычных химических превращений.

• Изменение донорно-акцепторных свойств молекулы

В возбужденной молекуле появляется электрон на высоко расположенной свободной орбитали. Такой электрон легко отделяется от молекулы, и она вступает в реакции фотоокисления. В этом случае возбужденная молекула становится донором электрона. Типичными донорами являются возбужденные молекулы триптофана и тирозина (ароматические аминокислоты).

C другой стороны, после перехода электрона на один из верхних энергетических уровней на основной орбитали S₀ образуется вакансия, в результате чего молекула может вступить в восстановительную реакцию с подходящим донором. В этом случае она становится акцептором электрона. Примером такой реакции служит фотовосстановление хлорофилла.

Продукты первичных окислительно-восстановительных реакций являются свободными радикалами (имеют неспаренный электрон)

• и обладают высокой химической активностью. Они вступают во вторичные реакции, которые и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией. Фотоизомеризация молекулы

Химические свойства молекулы определяются не только составом входящих в нее атомов, но и их взаимным расположением. Молекулы с одинаковым составом и разной пространственной конфигурацией называются изомерами. Их химические свойства различны.

Фотоизомеризация - изменение пространственной структуры молекулы, возникающее после ее фотовозбуждения.

Упрощенная схема фотоизомеризации показана на рис. 30.1.

Молекула поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние с сохранением первоначальной конфигурации. Взаимодействие с окружающими молекулами приводит к безызлучательному снятию части возбуждения с одновременным изменением пространственной конфигурации. Заканчивается процесс образованием изомера в основном (невозбужденном) состоянии.

Рис. 30.1. Упрощенная схема фотоизомеризации

Примером пространственных изомеров являются цис- и трансизомеры, в молекулах которых заместители у атомов углерода расположены соответственно по одну и по разные стороны плоскости двойной связи (рис. 30.2).

Переход от одного изомера к другому связан с поворотом на 180° вокруг двойной связи.

Рис. 30.2. Цис- и транс-изомеры

У человека цис-транс-фотоизомеризации пигмента ретиналя принадлежит основная роль в зрительной рецепции.

30.2. Поперечное сечение поглощения молекулы. Квантовый выход фотохимической реакции. Скорость фотохимической реакции

Вещества, молекулы которых вступают в фотохимические реакции, называют хромофорами. Количество молекул хромофора, вступивших в фотохимическую реакцию, пропорционально числу поглощенных фотонов. На макроскопическом уровне степень поглощения света раствором хромофора описывается уравнением (28.4):

где I - интенсивность падающего света; dI - изменение интенсивности вследствие поглощения; dl - толщина поглощающего слоя; χ_λ - натуральный молярный показатель поглощения.

Поперечное сечение поглощения молекулы

Первичные фотохимические превращения - это молекулярноквантовые процессы. Для того чтобы понять их закономерности, рассмотрим процесс поглощения света на молекулярном уровне. Для этого выразим молярную концентрацию хромофора C через «штучную» концентрацию его молекул (n = N/V - число молекул в единице объема):

Рис. 30.3. Геометрическая интерпретация поперечного сечения поглощения

При этом уравнение (28.4) принимает следующий вид:

Отношение натурального молярного показателя поглощения к постоянной Авогадро имеет размерность [м²] и называется поперечным сечением поглощения молекулы:

Поперечное сечение - это молекулярная характеристика процесса поглощения. Его величина зависит от строения молекулы, длины световой волны и имеет следующее геометрическое истолкование. Представим круг площади s, в центре которого находится молекула данного вида. Если траектория фотона, способного вызвать фотовозбуждение молекулы, проходит через этот круг, то происходит поглощение фотона (рис. 30.3).

Теперь мы можем записать уравнение для изменения интенсивности света в виде, который учитывает молекулярный характер поглощения:

Интенсивность фотонного потока

Молекула поглощает только один световой квант. Для того чтобы учесть фотонный характер поглощения, введем специальную величину - интенсивность фотонного потока (I_ф).

Интенсивность фотонного потока - количество фотонов, падающих по нормали на поверхность единичной площади за единицу времени:

Соответствующим образом изменяется и число фотонов вследствие их поглощения:

Квантовый выход фотохимической реакции

Для того чтобы связать число поглощенных фотонов с числом молекул, вступивших в фотохимическую реакцию, выясним, что происходит с молекулой после поглощения фотона. Такая молекула может вступить в фотохимическую реакцию или, передав полученную энергию соседним частицам, вернуться в невозбужденное состояние. Переход от возбуждения к фотохимическим превращениям - случайный процесс, реализующийся с определенной вероятностью.

Вероятность того, что молекула, поглотившая квант света, вступит в фотохимическую реакцию, называется квантовым выходом этой реакции (φ_Р).

При изучении действия света на белковые системы было установлено, что в растворах данного хромофора квантовый выход фотохимических реакций φ_р не зависит от длины волны поглощаемого света.

Количество молекул, поглощающих свет в процессе облучения ткани, огромно. Поэтому применим закон больших чисел.

Количество молекул, вступивших в фотохимическую реакцию (dN), равно произведению квантового выхода реакции на число молекул, поглотивших фотоны (dN_ф):

В правую часть этого уравнения входят две константы, характеризующие свойства молекул хромофора: квантовый выход реакции φ_р и поперечное сечение поглощения s. Их произведение

называется эффективным сечением молекулы для фотохимического превращения:

Здесь n₀ - начальная концентрация молекул, n - их концентрация после облучения в течение времени t, Iф - интенсивность падающего фотонного потока.

Уравнение (30.8) описывает динамику уменьшения концентрации фоточувствительных молекул при облучении тонкого слоя вещества.

Произведение интенсивности фотонного потока на время облучения называется дозой фотонного облучения:

30.3. Спектр фотохимического действия. Спектр поглощения. Спектр фотобиологического действия

Спектр фотохимического действия

В уравнение (30.9) входит только одна величина, зависящая от длины световой волны, - эффективное сечение молекулы для фотохимического превращения σ_р.

Поэтому

спектром фотохимического действия называют зависимость эффективного сечения молекулы от длины световой волны - σ_p(λ).

Связь между спектром фотохимического действия и спектром поглощения

Определение эффективного сечения молекулы для фотохимического превращения по формуле (30.9) требует измерения концентраций n₀ и n. Этого можно избежать, если использовать прямо пропорциональную связь эффективного сечения с натуральным молярным показателем поглощения:

Зависимость χ(λ) называется спектром поглощения и снимается методами фотометрии (см. раздел 28.4).

Квантовый выход реакции (φ_р) не зависит от длины волны поглощаемого света. Поэтому спектр фотохимического действия σ_p(λ) и спектр поглощения χ(λ) имеют одинаковый вид.

Спектр фотобиологического действия

В общем случае

спектром фотобиологического действия называют зависимость фотобиологического эффекта от длины волны поглощаемого света.

Для того чтобы получить эту характеристику, необходимо выбрать меру для количественной оценки фотобиологического действия излучения и разработать способ ее измерения.

Так, например, при исследовании гибели бактерий под действием УФ-излучения в качестве меры фотобиологического действия был выбран логарифм отношения численности колонии бактерий до и после облучения - ln(N₀/N). Определение численности колонии проводилось по количеству поглощенной «пищи». Полученный таким образом спектр гибели бактерий совпал со спектром поглощения нуклеиновой кислоты. Отсюда следует вывод, что гибель бактерий под действием УФ-излучения связана с повреждением именно нуклеиновых кислот.

Максимумы обоих спектров приходятся на длину волны 265 нм. Поэтому для обеззараживания помещений используют ртутные бактерицидные лампы, дающие УФ-излучение с длиной волны 254 нм, которая близка к максимуму спектра действия бактерицидного эффекта.

30.4. Фотосенсибилизаторы и их применение в медицине

В тех случаях когда чувствительность ткани к данному виду облучения мала, ее можно повысить введением специальных добавок - фотосенсибилизаторов.

Фотосенсибилизатор - вещество, повышающее чувствительность биообъектов к свету.

В этом случае в первичных фотохимических реакциях участвуют молекулы фотосенсибилизатора, а продукты первичной реакции реагируют с молекулами ткани.

На использовании фотосенсибилизаторов основан метод подавления доступных для света опухолей - фотодинамическая терапия (ФДТ). В организм больного вводится специально подобранный фотосенсибилизатор, способный избирательно накапливаться в опухолевых тканях. При облучении ткани соответствующим светом молекулы фотосенсибилизатора вступают в фотодинамические реакции, продуцируя активные формы кислорода и свободные радикалы. Эти реакционноспособные частицы вызывают окислительное повреждение опухолей, приводящее к их гибели.

30.5. Основные понятия и формулы

Продолжение таблицы