9 ЛЕКЦИЯ ПРЕДМЕТ - БИОФИЗИКА Фотобиологические процессы 1. 2. 3. 4. 5. 6. Основные стадии фотобиологического процесса; Квантовый выход и поперечное сечение фотохимических превращений молекул; Спектры поглощения и спектры фотобиологического действия; Действие УФ излучения на биологические объекты; Элементы реабилитологии; Действие света на человека.
Фотобиологические процессы. o Фотобиологические процессы — процессы, которые начинаются с поглощения квантов света биологически функциональными молекулами и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией в организме или тканях. o o o o Результат таких процессов может быть как позитивным, так и негативным. 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 в сетчатке глаза или в аналогичных фоторецепторах; помутнение хрусталика; световые воздействия на кожу — эритема, эдема, загар, пигментация, ожог, рак кожи.
Стадии фотобиологических процессов. Все разнообразие фотобиологических процессов условно можно свести к реализации нескольких последовательных стадий: o поглощение кванта света; o фотофизические процессы — внутримолекулярные процессы обмена энергией; o межмолекулярные процессы переноса энергии возбужденного состояния; o первичный фотохимический акт (варианты таких актов могут быть многообразными; общим для них является то, что получающиеся продукты, обычно, свободные радикалы); o «темновые» реакции, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов; o биохимические реакции с участием фотопродуктов; o физиологический отклик на свет ткани или организма. Квантовый выход и поперечное сечение фотохимических превращений молекул. o При поглощении света веществом выполняется закон Бугера: (1) где I, I 0 — интенсивность прошедшего и падающего света, k — коэффициент поглощения (зависящий от длины волны), L — толщина слоя вещества.
o Для растворов выполняется закон: (2) где n — концентрация молекул, поглощающих кванты света, σ — эффективное сечение поглощения молекулы (зависящее от длины волны). Квантовый выход фотохимической реакции - показывает, какая часть молекул, поглотивших фотоны, вступила в фотохимическую реакцию (число прореагировавших молекул): (3) где N — число молекул, которые после поглощения фотона вступили в фотохимическую реакцию; Nn — общее число молекул, поглотивших фотоны. Если бы каждый поглощенный фотон вызывал реакцию, то квантовый выход равнялся бы 100 %. Однако обычно не превышает нескольких процентов или долей процента. o o o УФ излучение — это электромагнитное излучение с длинами волн от 400 до 10 нм, находящееся между видимым фиолетовым и мягким рентгеновским излучением. УФ излучение с длиной волны менее 200 нм не представляет медицинского интереса из-за сильного поглощения даже в тонком слое воздуха. Используемый диапазон УФ излучения условно делят на три области: А (400 -315 нм), В (315 -280 нм), С (280 -200 нм).
Изменение концентрации (n) молекул под воздействием света. В процессе облучения число не прореагировавших молекул уменьшается с течением времени. Найдем правило, которому подчиняется это уменьшение. o Пусть поглощение света происходит в достаточно тонком слое разбавленного раствора, что позволяет считать интенсивность света I 0 постоянной и одинаковой во всех точках. Можно записать выражение для элементарного уменьшения концентрации молекул dn под действием света: (4) где dt — время облучения светом (знак «—» означает уменьшение числа молекул со временем). Разделим переменные и проинтегрируем: (5) где n 0 — начальная концентрация молекул, nt — их концентрация в момент времени t. o Получаем: или (6) где nt —число молекул в единице объема, не вступивших в реакцию через время t. o Таким образом, изменение концентрации молекул со временем происходит по экспоненциальному закону.
Рис. 1. Поперечное сечение фотохимических превращений молекул есть величина, равная тангенсу угла наклона прямой, отражающей зависимость: o o o Введем обозначения: — доза облучения; — площадь поперечного сечения молекулы для фотохимического превращения, или поперечное сечение фотохимических превращений молекул. Теперь формулу (6) можно записать в виде: или (7) Величина σх — эффективное сечение молекулы для фотохимического превращения. Она пропорциональна вероятности такого взаимодействия фотона с молекулой, в результате которого произойдет фотохимическая реакция.
Рис. 2. Спектры фотобиологического действия эритемы, зарегистрированные через разное время после УФ-облучения кожи. Спектр фотобиологического действия (спектр действия фотобиологических процессов) – зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света. o o Пример: для того, чтобы снять спектр действия эритемы (эритема — покраснение, обусловленное расширением кровеносных сосудов и повышением концентрации гемоглобина в коже), нужно на выбранном участке кожи выделить одинаковые сегменты (квадраты определенного размера) и облучить каждый из них УФ излучением одинаковой дозы (минимальной), но разной длины волны. Затем регистрировать степень покраснения на различных участках. В результате получится зависимость, представленная на рис. 2, которая и представляет собой спектр действия эритемы.
Изучение спектров действия, путем регистрации эритемной эффективности через разное время после ее облучения, показало, что они представляют собой сумму индукции УФ -В- и УФ-С-эритемы, так как УФ-С-эритема проходит быстрее чем, чем УФ-Вэритема. Если регистрацию проводить через 8 ч после облучения, то основной вклад дает УФ-Сэритема. Через 24 часа вклад обоих процессов примерно одинаков. Через несколько суток регистрируемый спектр соответствует спектру действия только УФ-В-эритемы. o Таким образом, анализ спектров действия эритемы подтверждает качественные отличия в действии различных диапазонов ультрафиолета. Одна из задач при изучении фотобиологических процессов состоит в определение вещества, которое поглощает действующее излучение и тем самым участвует в первичных стадиях фотобиологического процесса. Для этого изучают спектр фотобиологического действия и сравнивают его со спектрами поглощения предполагаемых участников реакции. При изучении действия света на белковые системы были установлено: o в растворах квантовый выход фотохимических реакций не зависит от длины волны, действующего света. Таким образом, спектр фотохимического действия для каждого вещества по форме соответствует спектру его поглощения. o Измерив (в разбавленных растворах) по дозовым кривым спектр действия, можно определить спектр поглощения участвующего в процессе вещества, не проводя никаких спектрофотометрических измерений. o Путем сопоставления спектра фотобиологического действия со спектром поглощения разных биохимических соединений можно определить механизм воздействия света.
Фотосенсибилизированные реакции. В некоторых случаях наблюдается резкое повышение светочувствительности биологических систем. Фотосенсибилизатор — вещество, повышающее чувствительность биообъектов к свету. o ПУФА-терапия. Совместное действие псораленов (химических соединений фурокумаринового ряда) и УФ-А-излучения в процессе лечения кожи. Псоралены, способны сенсибилизировать кожу больных к длинноволновому УФ излучению области А и стимулировать образование в меланоцитах пигмента меланина. При предварительном пероральном приеме таких препаратов с последующим УФ-А облучением они соединяется с тимидиновыми основаниями ДНК клеток дермы. Продукты такой реакции подавляют частоту митозов быстроделящихся клеток дермы и дифференцировку базальных слоев эпидермиса. В результате происходит восстановление структуры кожи и ее пигментации. . Недостатки: Часть сенсибилизаторов проникает в структуру глаза и УФ-А облучение сенсибилизированных пациентов может привести к повреждениям роговицы, вещества внутренней камеры глаза, необратимом повреждении хрусталика. Во избежание этого больные, получающие ПУФА-терапию: 1. во время УФ-А облучения обязательно надевают светозащитные очки; 2. больным, принимающим таблетки фурокумаринов, используемые при лечении кожи, запрещено в течение нескольких часов после приема находиться на прямом солнечном свету.
Рис. 3. Избирательное действие света при индукции фотобиологических процессов. Элементы реабилитологии. Действие света на человека. o Какие-либо изменения спектрального состава света или светового режима могут вызвать патологические реакции. Биологически активен весь диапазон оптического излучения (200 -800 нм), рис. 3. o Видимый свет. Важная регуляторная роль принадлежит видимому свету. В пасмурные дни у многих людей возникает синдром «осенней грусти» , сопровождающийся депрессией. o Экспериментально доказано, что подобную депрессию можно снять, если человека помещать на несколько часов в течение ряда дней в ярко освещенную комнату.
Оптические параметры кожи в области видимого света. На использовании законов взаимодействия света с веществом основаны некоторые диагностические методы в медицине. o По характеру взаимодействия видимого света с кожей можно оценить ее состояние. В процессе такого исследования регистрируются значения коэффициентов отражения, поглощения, рассеяния. Эти оптические параметры зависят от топических, возрастных и половых особенностей. По отклонению оптических параметров измененной кожи от нормы разработаны критерии для диагностики некоторых заболеваний кожи. Красный свет. Установлено, что красный свет ускоряет заживление ран. Синий свет используется в родильных домах для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание является следствием резкого повышения в организме концентрации билирубина, придающего коже желтоватый оттенок. У новорожденных содержание билирубина в крови примерно в 20 раз больше, чем у взрослых. Билирубин плохо растворяется в воде и хорошо — в жире. Поэтому он в больших количествах откладывается в тканях мозга. Желтуха у новорожденных приводит к необратимым изменениям в ЦНС. Билирубин имеет максимум поглощения в синей области спектра. Он очень легко фотоизомеризуется, и продукты его изомеризации не токсичны. Если новорожденных детей освещать синим светом, то фотоизомеризация билирубина с образованием водорастворимых фотопродуктов происходит прямо в кровеносных сосудах.
УФ-излучение. o При УФ-облучении даже в момент получения опасной дозы человек ничего не чувствует. В коже отсутствуют специализированные УФ рецепторы. Глазом это излучение не воспринимается, тепловой эффект так мал, что человек его практически не ощущает. o Установлено, что действие УФ-излучения является главным фактором, вызывающим рак кожи, а также катаракту (помутнение хрусталика). Для полярников, альпинистов УФ-излучение опасно тем, что из-за большой интенсивности этого излучения появляются солнечные ожоги кожи и глаз. o Недостаток УФ может привести к -авитаминозу. o УФ способен вызывать положительные эффекты. Так, у больных с дерматозами кожи, (например, псориаз) заболевания обостряются зимой, а летом наступает улучшение. Причина — терапевтическое действие УФ, которого летом в спектре солнечного света значительно больше, чем зимой. o Загар часто рекомендуется как реабилитационный метод при многих заболеваниях. Действие УФ-излучения вызывает гиперпигментацию кожи, которая и обусловливает загар. Загар является «замедленным» фотобиологическим процессом. Он начинается развиваться через 2 -3 суток после облучения, достигает максимума на 13 -21 день и затем угасает в течение нескольких месяцев. Спектр действия загара похож на спектр действия эритемы. Ультрафиолет запускает сложную цепь биосинтеза пигмента кожи меланина в специализированных клетках — меланоцитах. Появление меланина является защитной реакцией организма.
Рис. 4. Схема защитного действия озонового слоя (а) и процесс его разрушения оксидом азота N 0 (б); темные стрелки — тепловое излучение, светлые — УФ-излучение. Загаром нельзя злоупотреблять. Наша кожа за зиму утратила меланиновую защиту. Минимальная доза ультрафиолета, запускающая меланогенез, примерно вдвое ниже минимальной эритемной дозы. Поэтому в первые дни следует загорать очень недолго, так, чтобы эритема еще не возникла, а образование пигмента уже инициировалось. o Большие дозы УФ (особенно УФ-В), которые может получать человек, связаны с состоянием атмосферы, в частности, с озоновыми дырами в атмосфере. Стратосферный озон определяет коротковолновую границу солнечного ультрафиолета. Разрушение озона происходит, в частности, при выбросе в атмосферу фторуглеродистых соединений, широко используемых в промышленных и бытовых холодильниках, а также при изготовлении аэрозолей. Разрушение озона происходит из-за того, что атомы азота в молекулах загрязняющих газов сильно взаимодействуют с одним из атомов кислорода в молекуле озона и отрывают его от нее. В результате образуется кислород, через который беспрепятственно проходит УФ-излучение. o
Скачать презентацию 9 ЛЕКЦИЯ ПРЕДМЕТ — БИОФИЗИКА Фотобиологические процессы 1
Биофизика 6.ppt