ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ БИОФИЗИКИ Лекция 3. ФОТОБИОЛОГИЧЕС- КИЕ ПРОЦЕССЫ

ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ БИОФИЗИКИ Лекция 3. ФОТОБИОЛОГИЧЕС- КИЕ ПРОЦЕССЫ 1. ПОНЯТИЕ И СТАДИИ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ИХ ВИДЫ. 2. СЕНСИБИЛИЗИРОВАННЫЕ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. 3. БИОФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЗРЕНИЯ.

1. ПОНЯТИЕ И СТАДИИ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В основе – БЕЗИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕХОД из возбужденного состояния в основное ПУТЕМ ВСТУПЛЕНИЯ В ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ. ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ (ФБ) - ВСЕ ПРОЦЕССЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ ПОГЛОЩЕНИИ ЭНЕРГИИ СВЕТА И ПРИВОДЯЩИЕ К ИЗМЕНЕНИЮ ИХ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ

СТАДИИ ФБ ПРОЦЕССОВ С Т А Д И И ПЕРВИЧНЫЕ – СВЕТОВЫЕ ПОСЛЕДУЮЩИЕ – ТЕМНОВЫЕ Фотофизические Фотохимические

Фотофизическая и фотохимическая стадии ФОТОФИЗИКА: самый первый акт – ПОГЛОЩЕНИЕ КВАНТА СВЕТА, ПЕРЕХОД В ВОЗБУЖДЕННОЕ СОСТОЯНИЕ. ФОТОХИМИЯ: ВСТУПЛЕНИЕ ВОЗБУЖДЕННОЙ МОЛЕКУЛЫ В ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, приводящие (через ряд промежуточных этапов) к образованию УСТОЙЧИВЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

Первичные стадии Содержание первичных стадий в целом: ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭНЕРГИИ ФОТОНА В ЭНЕРГИЮ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ ПЕРВЫХ УСТОЙЧИВЫХ ФОТОПРОДУКТОВ.

Квантовый выход ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ХИМИЧЕСКУЮ оценивается КВАНТОВЫМ ВЫХОДОМ. 0 < φ  1. ОБЫЧНО КВАНТОВЫЙ ВЫХОД ЗНАЧИТЕЛЬНО МЕНЬШЕ ЕДИНИЦЫ, ТАК КАК ЧАСТЬ ПОГЛОЩЕННЫХ КВАНТОВ РАСТРАЧИВАЕТСЯ В ТЕПЛО ИЛИ ИДЕТ НА ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ. n – число вступивших в реакцию молекул, N – число поглощенных квантов φ = n / N.

МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ ПЕРВИЧНЫХ СТАДИЙ Ф/Ф RH + hν  RH (S- или T- возб. молекула) Ф/Х RH  (RH˙)+ + e- R˙ H+ R˙ + O2  ROO˙

СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ Обычные промежуточные этапы ф/х стадии – ФОТОИОНИЗАЦИЯ и образование СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ. (RH˙)+ - ион-радикал R˙- нейтральный, ROO˙ - перекисный радикалы Свободные радикалы – очень активные, чрезвычайно реакционноспособные соединения. Их определение и роль в организме рассмотрим позже.

ВИДЫ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СВЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ РАЗНОЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ПОГЛОЩАЕТСЯ РАЗНЫМИ МОЛЕКУЛАМИ.  ОДНОТИПНЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ РЕАКЦИИ РАЗВИВАЮТСЯ В РАЗНЫХ СУБСТРАТАХ И ПРИВОДЯТ К РАЗЛИЧНОМУ БИОЛОГИЧЕСКОМУ ЭФФЕКТУ. ТРИ ГРУППЫ ФБ ПРОЦЕССОВ: ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ФОТОРЕЦЕПТОРНЫЕ ФОТОДЕСТРУКТИВНЫЕ

Виды ФБ процессов ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СОЗДАНИЯ НОВОЙ, ОБЫЧНО БОЛЕЕ СЛОЖНОЙ СТРУКТУРЫ. Примеры – фотосинтез растений; образование витамина Д из провитамина, синтез пигмента меланина у животных. 2. ПРОЦЕССЫ ФОТОРЕЦЕПЦИИ – ПОЛУЧЕНИЕ ИНФОРМА- ЦИИ ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ ЧЕРЕЗ ПОСРЕДСТВО СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Наиболее совершенный вид - зрение позвоночных.

2. Особый вид ФБ процессов - 3. ФОТОДЕСТРУКТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ - ПОРАЖЕНИЕ, РАЗРУШЕНИЕ СТРУКТУРЫ (ПОД ВЛИЯНИЕМ БОЛЬШИХ ПОРЦИЙ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ). Могут играть как положительную (разрушение опухолей), так и отрицательную роль. СЕНСИБИЛИЗИРОВАННЫЕ Это ФБ ПРОЦЕССЫ, протекающие С УЧАСТИЕМ ВЕЩЕСТВ, РЕЗКО ПОВЫШАЮЩИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ СИСТЕМЫ К СВЕТУ. САМИ ЭТИ ВЕЩЕСТВА – ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРЫ.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРОВ Фотосенсибилизаторы различаются по происхождению и по механизму действия. ПО ПРОИСХОЖДЕНИЮ: ЭКЗОГЕННЫЕ и ЭНДОГЕННЫЕ. ЭКЗОГЕННЫЕ ВВОДЯТСЯ В ОРГАНИЗМ ИЗВНЕ. Пример: ПСОРАЛЕНЫ  ФОТОТЕРАПИЯ КОЖНЫХ БОЛЕЗНЕЙ .

Классификация по происхождению ЭНДОГЕННЫЕ ПРИСУТСТВУЮТ В ОРГАНИЗМЕ ПОСТОЯННО, НО КАК ФОТОСЕНСИБИ- ЛИЗАТОРЫ ПРОЯВЛЯЮТ СЕБЯ ЛИШЬ В СЛУЧАЕ РЕЗКОГО ВОЗРАСТАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ. Это бывает ПРИ НЕКОТОРЫХ ПАТОЛОГИЯХ. ЭНДОГЕННЫЕ ФОТОСЕНСИБИЛИЗАТОРЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА – главным образом, ПОРФИРИНЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ.

Классификация по механизму действия ПО МЕХАНИЗМУ ДЕЙСТВИЯ: 2 ТИПА (КЛАССА) фотосенсибилизаторов. I – САМИ ХИМИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮТСЯ под влиянием света. КАК ПРАВИЛО, ИХ ДЕЙСТВИЕ НЕ ЗАВИСИТ ОТ ПРИСУТ-СТВИЯ КИСЛОРОДА. К этому классу относятся псоралены. Совместное действие псоралена и УФ зоны А – ПУФА (PUVA) – воздействие – приводит к излечению псориаза. Механизм Псорален по структуре близок к азотистым основаниям ДНК.

ПУФА-воздействие НА СВЕТУ ОБРАЗУЕТ КОВАЛЕНТНЫЕ СВЯЗИ С 1-2 ОСТАТКАМИ ТИМИНА  ОБРАЗУЕТСЯ БЕССМЫСЛЕННОЕ СЛОВО - КОВАЛЕНТНО СОЕДИНЯЮТСЯ 2 ЦЕПОЧКИ В СПИРАЛИ ДНК  СЧИТЫВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ СТАНОВИТСЯ НЕВОЗМОЖНЫМ. Имеются механизмы РЕПАРАЦИИ (восстановления повреждений). НО КЛЕТКИ ТКАНЕЙ ПСОРИАЗНЫХ БЛЯШЕК ЖИВУТ В ОЧЕНЬ БЫСТРОМ ТЕМПЕ  МЕХАНИЗМЫ РЕПАРАЦИИ НЕ УСПЕВАЮТ СРАБАТЫВАТЬ  БОЛЬНЫЕ КЛЕТКИ ПОВРЕЖДАЮТСЯ, РАЗРУШАЮТСЯ  Выздоровление.

Фотодинамический эффект II - СОЕДИНЕНИЯ, которые под действием света САМИ ХИМИЧЕСКИ НЕ ИЗМЕНЯЮТСЯ, А ЛИШЬ ПЕРЕХОДЯТ В ВОЗБУЖДЕННОЕ, ОБЫЧНО ТРИПЛЕТНОЕ, СОСТОЯНИЕ, ПОСЛЕ ЧЕГО ОТДАЮТ ЭНЕРГИЮ ВОЗБУЖДЕНИЯ КИСЛОРОДУ. Конечный результат процесса связан С ИЗМЕНЕНИЕМ СОСТОЯНИЯ КИСЛОРОДА И ЕГО ПОСЛЕДУЮЩИМ ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ДЕЙСТВИЕМ. В целом действие этих фотосенсибилизаторов – ФОТОДИНАМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

Фотодинамический эффект ТРИ ОБЯЗАТЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТА фотодинамического эффекта: СВЕТ ХРОМОФОР (вещество- фотосенсибилизатор, поглощающее свет) КИСЛОРОД ФОТОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ В ОНКОЛОГИИ В кровь больного вводятся производные гематопорфирина (ПГП) – эндогенного порфирина, получаемого из донорской крови. Они избирательно поглощаются раковыми клетками.

Фотодинамическая терапия Эти клетки становятся чувствительными к низко- интенсивному красному излучению лазера. При облучении лазером в больных клетках накапливается синглетно возбужденный кислород О2 (S*) , ≈ в 100 раз более сильный окислитель, чем О2 (Т). Он и вызывает избирательное повреждение опухолевых клеток (резкое увеличение ионной проницаемости биомембран, инактивация белков-ферментов, …). Эти клетки разрушаются, взамен образуется здоровая ткань (фотодеструкция со знаком плюс).

А теперь… НАШ ВАЖНЕЙШИЙ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС – З Р Е Н И Е

3. БИОФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЗРЕНИЯ ЗРЕНИЕ НА РАЗНЫХ УРОВНЯХ ОРГАНИЗАЦИИ: ОРГАННЫЙ - ГЛАЗ ТКАНЕВОЙ - СЕТЧАТКА КЛЕТОЧНЫЙ – ФОТОРЕЦЕПТОРНЫЕ КЛЕТКИ (ПАЛОЧКИ И КОЛБОЧКИ) СУБКЛЕТОЧНЫЙ - ВНЕШНИЕ СЕГМЕНТЫ; ДИСКИ; ФОТОРЕЦЕПТОРНЫЕ МЕМБРАНЫ МОЛЕКУЛЯРНЫЙ - ЗРИТЕЛЬНЫЕ ПИГМЕНТЫ (РОДОПСИН И ЙОДОПСИНЫ)

Фоторецепторные клетки ФОТОРЕЦЕПТОРНАЯ СИСТЕМА ГЛАЗА – СЕТЧАТКА. ЭТО МНОГОСЛОЙНАЯ СТРУКТУРА. НАРУЖНЫЕ СЛОИ ОБРАЗОВАНЫ НЕРВНЫМИ КЛЕТКАМИ, ВНУТРЕННИЕ - ФОТОРЕЦЕПТОРНЫМИ КЛЕТКАМИ И ПИГМЕНТНЫМ ЭПИТЕЛИЕМ. ФОТОРЕЦЕПТОРНЫЕ КЛЕТКИ В СЕТЧАТКЕ ПОЗВОНОЧНЫХ- ДВУХ ТИПОВ: ПАЛОЧКИ и КОЛБОЧКИ.

Палочки и колбочки ПАЛОЧКИ: ЧЕРНО-БЕЛОЕ (СЕРОЕ, АХРОМАТИЧЕСКОЕ) ЗРЕНИЕ СУМЕРЕЧНОЕ ЗРЕНИЕ – ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К СВЕТУ НИЖЕ КОЛБОЧЕК, ВОСПРИНИМАЮТ СВЕТ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ. КОЛБОЧКИ: ДНЕВНОЕ ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ – ИМЕЕТСЯ ТРИ СОРТА КОЛБОЧЕК С МАКСИМУМАМИ ПОГЛОЩЕНИЯ В ТРЕХ РАЗНЫХ ЧАСТЯХ СПЕКТРА.

Внешние сегменты, диски В ФОТОРЕЦЕПТОРНЫХ КЛЕТКАХ – ВНУТРЕННИЕ И НАРУЖНЫЕ (ВНЕШНИЕ) СЕГМЕНТЫ. В НАРУЖНЫХ СЕГМЕНТАХ- СТОПОЧКИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ДИСКОВ. ДИСКИ - ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ ОРГАНЕЛЛЫ, ОБРАЗОВАННЫЕ ДВОЙНЫМИ МЕМБРАНАМИ. БИЛИПИДНЫЙ СЛОЙ МЕМБРАН ПРОНИ-ЗЫВАЮТ МОЛЕКУЛЫ ЗРИТЕЛЬНЫХ ПИГМЕНТОВ (ПРОШИВАЮЩИЕ БЕЛКИ).

Зрительные пигменты ЗРИТЕЛЬНЫЙ ПИГМЕНТ- СЛОЖНЫЙ БЕЛОК, СОСТОЯЩИЙ ИЗ ДВУХ ЧАСТЕЙ: БЕЛОК ОПСИН И НЕБЕЛКОВАЯ ЧАСТЬ, АЛЬДЕГИД ВИТАМИНА "А" РЕТИНАЛЬ. ОПСИН И РЕТИНАЛЬ В ТЕМНОТЕ КОВАЛЕНТНО СВЯЗАНЫ. ЗРИТЕЛЬНЫЙ ПИГМЕНТ ПАЛОЧЕК – РОДОПСИН, ПИГМЕНТЫ КОЛБОЧЕК – ИОДОПСИНЫ (ТРИ РАЗНЫХ).

МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ ФОТОРЕЦЕПЦИИ ЗРИТЕЛЬНЫЕ ПИГМЕНТЫ ПАЛОЧЕК И КОЛБОЧЕК ОТЛИЧАЮТСЯ БЕЛКОВЫМИ ЧАСТЯМИ (РАЗНЫЕ ОПСИНЫ). ХРОМОФОРНАЯ ГРУППА, ОТВЕТСТВЕННАЯ ЗА ПОГЛОЩЕНИЕ ВИДИМОГО СВЕТА, - РЕТИНАЛЬ, Р. ФОТОФИЗИЧЕСКАЯ СТАДИЯ: Р + h  Р* ФОТОХИМИЧЕСКАЯ СТАДИЯ: ИЗОМЕРИЗАЦИЯ ЗА СЧЕТ ЭНЕРГИИ ВОЗБУЖДЕНИЯ (ЭНЕРГИИ СВЕТА): Р*-цис  Р-транс

ПРИ ФОТОИЗОМЕРИЗАЦИИ РЕТИНАЛЬ ПЕРЕХОДИТ ИЗ НАЧАЛЬНОЙ, ЧАСТИЧНО СВЕРНУТОЙ ЦИС-ФОРМЫ В ПОЛНОСТЬЮ ВЫТЯНУТУЮ ТРАНС-ФОРМУ. КВАНТОВЫЙ ВЫХОД  = 0,5 - 0,7. Т.е., в среднем для изомеризации одной молекулы ретиналя необходимо поглощение двух квантов видимого света. Восстановление ретиналя в цис-форме и его соединение с опсином происходят в темноте ферментативным путем.

До продолжения встреч с биофизикой на семинарах по КВАНТОВОЙ БИОФИЗИКЕ И РАДИОБИОЛОГИИ! ВСЕ !