Фоторегуляторные и фотодеструктивные процессы в биологических средах

 

 

 

 

 

 

Р Е  Ф Е Р А Т

 

по биофизике

на тему:

«Фоторегуляторные и фотодеструктивные процессы в  биологических средах»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2011г. 

План:

 

1. Введение
2. Общие закономерности и особенности поглощения света биосистемами
3. Классификация фотобиологических реакций.
4. Фоторегуляторные процессы
5. Фотодеструктивные процессы
6. Применение управляемых фоторегуляторных и фотодеструктивных процессов в медицине
7. Заключение
8. Список литературы
9. Приложения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Свет является одним из ключевых факторов среды  обитания большинства организмов. Одной из важнейших фундаментальных проблем биофизики сегодня является изучение механизмов действия света на разные биологические системы. В соответствии с многообразием биологических реакций, индуцируемых светом, современная фотобиология разделилась на ряд самостоятельных дисциплин, изучающих определенные фотобиологические процессы. В свою очередь отдельный фотобиологический процесс представляет собой сложную последовательность различных стадий, которые по мере удаления от первичной реакции на воздействие света становятся более физиологическими, чем биофизическими. Поэтому современная фотобиология рассматривает главным образом физико-химические превращения, непосредственно связанные с поглощением света.

Целенаправленное  проникновение во внутренние молекулярные механизмы фотобиологических реакций создает возможность сознательного управления ходом фоторегуляторных процессов (), а также избирательного повреждения 

Российская школа фотобиологов известна как одна из ведущих научных  школ в мире. Фундаменталъные работы в области молекулярных механизмов фотобиологических процессов и в области взаимодействия оптического излучения с сильно рассеивающими биологическими тканями стали основой для фотомедицины, что привело к интенсивному развитию методов ПУФА терапии, фотоиммунотерапии, фотодинамической и лазерной терапии рака и других  заболеваний.

 

 

Общие закономерности и особенности поглощения света  биосистемами

 

Поглощение  света веществом – внутримолекулярный физический процесс, в результате которого молекула переходит в возбужденное состояние (М*):

М+hν → М*

 Молекула может поглощать  только те кванты, энергиям которых  соответствуют ее тождественные   энергетические емкости, т.е. кванты света с определенной длиной волны. Зависимость поглощательной способности вещества от λ называется спектром поглощения вещества [Рис.1].

При поглощении кванта света  в молекуле происходит переброска  фотоэлектрона на более высокий  энергетический уровень (орбиту) [см. Таблицу 1].  До недавнего времени считалось, что поглощение света – это одноэлектронный одноквантовый физический процесс. Однако создание лазерных источников УФ-излучения позволило наблюдать также и двухквантовые реакции (реакции в «жестких средах» под действием при низкоинтенсивном УФ-светом ртутных ламп).

Чаще всего  фотоэлектроном сложных органических молекул является π-электрон (электрон, участвующий в образовании двойных  связей). Как правило, π→π* переход не сопровождается нарушением спаренности внешних электронов: как в основном, так и в возбужденном состоянии ориентация спинов антипараллельна и суммарный спин электронов равен нулю. Поэтому основное (Sо) и возбужденное (S*) состояния синглетные (т.е одиночные).

Итак, в результате поглощения света возникает синглетное электронно-возбужденное состояние молекулы. За время порядка 10^(-11)—10^(-12) с возбужденная молекула безызлучательным путем отдает избыток электронной и колебательной энергии окружающей среде. В результате этого процесса, называемого внутренней конверсией, все молекулы, независимо от того, в какое электронно-колебательное состояние они были переведены поглощенным квантом, переходят на низший колебательный подуровень первого синглетного возбужденного состояния. От этого состояния (S*) берут начало все последующие, конкурирующие между собой фотофизические процессы, в конечном счете приводящие к дезактивации возбужденной молекулы:

 

 

 

Наряду с синглетными молекула обладает триплетными электронными уровнями, расположенными в шкале энергий ниже, чем синглетные. Триплетная молекула имеет парамагнитные свойства из-за переориентации спинов, которая проистекает при переходе синглетного состояния в триплетное. Во внешнем магнитном поле триплетный уровень расщепляется на три составляющих уровня, каждый из которых соответствует одному из трех типов ориентации суммарного спина: по полю, перпендикулярно и против поля. Так появился термин «триплетное состояние».

Триплетное состояние дезактивируется теми же путями, что и синглетное.

Вещество, ответственное за поглощение биологически активного света, выявляется с помощью метода спектров действия фотобиологических реакций. Спектр действия представляет собой зависимость величины биологического эффекта от длины волны действующего света. С расчетом на одинаковое число падающих на объект квантов спектр действия фотобиологической реакции при отсутствии процессов миграции энергии совпадает по форме со спектром поглощения вещества, ответственного за реакцию.

В биологических  системах представлены как хромофоры, выработанные в ходе эволюционного развития для улавливания и утилизации света (фотосинтетические пигменты, фитохром, родопсин), так и хромофоры, являющиеся участниками обычных метаболических реакций и вместе с тем способные претерпевать фотохимические превращения (белки, нуклеиновые кислоты, коферменты, витамины).

 

 

Классификация фотобиологических реакций

 

Огромное количество фотобиологических процессов может быть систематизировано как с энергетической, так и с биологической стороны [см. Схему 1].

Особое внимание стоит обратить на информационный тип фотобиологических реакций. При таких реакциях свет через образование фотопродуктов триггирует специализированные усилительные механизмы, в результате чего организм получает необходимую информацию о ситуации в окружающей среде. Отличительный признак этой группы реакций — сложная конструкция усилительного аппарата, достигающая самой высокой степени совершенства в органе зрения. Эта конструкция обуславливает высокую квантовую чувствительность фоторегуляторных систем. К информационной группе реакций можно отнести таксисы, тропизмы, периодизмы и морфогенетические реакции, которые будут рассмотрены далее.

Несмотря на большое разнообразие фотобиологических реакций, все они характеризуются более или менее единообразной последовательностью стадий:

 1) фотофизическая, включающая поглощение света биологически активным хромофором (акцептором), т. е. молекулой, от которой начинается цепь событий, приводящих к биологическому макроэффекту: образование электронно-возбужденных франк-кондоновских состояний, внутримолекулярные процессы перераспределения энергии, межмолекулярные процессы миграции энергии;

 2) стадия первичной фотохимии, в ходе которой образуется исходный фотопродукт, непосредственно участвующий в дальнейших химических или физико-химических превращениях;

 3) стадия вторичной фотохимии, когда первичный фотопродукт, претерпевая спонтанные химические превращения (чаще всего с участием ближайших молекул), преобразуется в стабильный, под которым подразумевается соединение, само по себе (в изолированном состоянии) устойчивое в течение достаточно длительных промежутков времени;

 4) стадия темновых превращений, которая начинается со стабильных фотопродуктов и включает цепь биохимических (ферментативных) реакций или информационных перестроек надмолекулярных структур и прежде всего биологических мембран;

 5) конечный биологический макроэффект, развивающийся вследствие биохимических и структурных изменений, в результате которых происходят биологически значимые события: синтез богатых энергией веществ, движение биообъекта, модификация генотипа и физиологических функций и т. д.

Таким образом, при всем своем разнообразии, фотобиологические реакции характеризуются внутренним единством наиболее общих механизмов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фоторегуляторные  процессы

 

Фоторегуляторные  процессы не участвуют непосредственно в запасании квантов света, как, например, при фотосинтезе, но выполняют весьма важную функцию, регулируя многие стороны жизнедеятельности организмов.

Любой фоторегуляторный процесс можно представить в  виде последовательности определенных стадий, общих для всех подобных процессов:

Первоочередной задачей при изучении фоторегуляторных реакций является идентификация фоторецептора, вызывающего комплекс реакций. На сегодняшний день наиболее изучен универсальный растительный пигмент-сенсибилизатор – фитохром. Законы, по которым происходят реакции с участием фитохрома, имеют много общего с законами функционирования других известных фоторецепторов (родопсин, хлорофилл, фототропин, криптохром), поэтому в большинстве случаев могут распространяться и на их действие.

Важная особенность  фитохрома – существование двух взаимопревращающихся форм. Одна форма обладает длинноволновым максимумом поглощения при 660 нм (Ф660), а другая — при 730 нм (Ф730) • Переход одной формы фитохрома в другую индуцируется красным (660 нм) и дальним красным (730 нм) светом.

Фитохром –  хромопротеин, т.е. сложный белок, состоящий из простого белка и связанного с ним окрашенного небелкового компонента . Таким компонентом у фитохрома является хромофор, который, взаимодействуя с белковой частью молекулы, обуславливает фотообратимость фитохрома.

Фототрансформацию фитохрома можно представиль следующей схемой:

 

 

 

 

 

 

 

 

Т.к. действие других фоторецепторов аналогично действию фитохрома, то можно обобщить данную схему для всех фотохромов. Однако каждый фотохром обладает строго индивидуальным спектром поглощения, что отличает его от других фоторецепторов.

 Чаще всего  максимум в спектре действия  света наблюдается в красной  области, но есть ряд процессов, в которых наиболее эффективен свет синей части спектра. Такими процессами являются фототропизм, фототаксис и некоторые другие.

Фототропизм – вызванное односторонним освещением искривление верхушки растений [Рис. 3]. Фототропические реакции характеризуются сравнительно высокой квантовой чувствительностью: заметные изгибы наблюдаются уже при дозах синего света, составляющих 10^(-3) Дж/м ². Фототропические изгибы обусловлены различиями в скоростях деления клеток на освещенной и затемненной сторонах растения, а это связано с возникновением бокового градиента гормона роста — ауксина :

Спектры действия фототропических реакций позволяют предполагать, что основными рецепторами биологически активного света являются флавиновые хромофоры, способные сенсибилизировать фотоокисление ауксина.

Конечное проявление фотобиологического эффекта в виде изгиба проростка:

 

По биологическому смыслу фототаксис близок к фототропизму – это тоже направленное движение биообъекта под действием света, но отличие в том, что наблюдаемый объект может свободно перемещаться (бактерии, животные). Фототаксис в зависимости от направления движения биообъекта подразделяют на топо- (к источнику света, положительный фототаксис) и фоботаксис (отрицательный). При высоких интенсивностях света топотаксис переходит в фоботаксис, таким образом позволяя биообъекту регулировать степень своей освещенности посредством перемещения относительно источника света.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотодеструктивные процессы

 

В отличие от фоторегуляторных процессов, вызывамемых светом фотодеструктивные реакции сопровождаются нарушением или полной потерей функциональных свойств клеток.

Деструктивное действие коротковолнового УФ излучения  на биообъекты связано с его поглощением  нуклеиновыми кислотами, белками и  некоторыми другими внутриклеточными компонентами. Считается, что ДНК — основная внутриклеточная мишень при летальном и мутагенном действии коротковолнового УФ-излучения. Это, в частности, подтверждается совпадением максимума в спектрах действии фотобиологических эффектов (260 — 265 нм) с максимумом в спектре поглощения ДНК.

Ультрафиолетовое облучение приводит  к блокированию или модификации всех известных функций нуклеиновых кислот. При фотоповреждении ДНК ингибируются (замедляются) трансформирующая активность и способность к репликации и транскрипции, а также происходят различные мутационные изменения, затрагивающие цистроны, кодирующие структуру всех белков, т-РНК и р-РНК. При локализации повреждения в и-РНК ингибируется процесс связывания ее с рибосомами и т-РНК, утрачивается трансляционная активность, искажается матричный смысл. Наконец, при прямом фотоповреждении т-РНК подавляется ее акцепторная активность к аминокислотам, изменяется структура антикодона и способность комплексироваться с рибосомами и кодонами и-РНК. Конечным результатом фотохимических повреждений нуклеиновых кислот являются гибель или разнообразные мутации, а также всевозможные физиологические изменения бактериофагов, клеток и организмов.