Фоторегуляторные и фотодеструктивные процессы в биологических средах

Основными хромофорами ДНК являются азотистые основания нуклеотидов. Поглощение азотистыми основаниями квантов УФ-света приводит к образованию их электронно-возбужденных синглетных и триплетных состояний, которые возникают преимущественно в результате π→π* переходов.

При относительно низких интенсивностях УФ-излучения обычных источников возбуждаются низколежащие синглетные и триплетные электронные уровни молекул за счет поглощения ими одного кванта. В таких состояниях основания ДНК вступают в различные фотохимические реакции, из которых с наибольшим квантовым выходом идут три реакции фотоприсоединения: димеризация, гидратация и образование пиримидиновых аддуктов.

Помимо одноквантовых реакций основания ДНК могут вступать в фотохимические реакции и при поглощении двух квантов УФ-света. Такие двухквантовые реакции удается наблюдать либо в «жестких» средах (замороженные до стеклообразного состояния органические растворители) при облучении уже низкоинтенсивным УФ-светом ртутных ламп, либо при импульсном высокоинтенсивном УФ-излучении лазерных источников. В последнем случае двухквантовое возбуждение оснований происходит и в жидких средах при комнатной температуре.

В «жесткой» среде вследствие увеличивается вероятность поглощения 2-го кванта света даже при низких интенсивностях УФ-излучения от обычных источников. В результате происходит заселение высшего триплетного уровня Т. В высоковозбужденном триплетном состоянии молекула приобретает способность вступать в такие фотохимические реакции, которые не наблюдаются в условиях одноквантовой фотохимии.

В жидких средах при комнатной температуре двухквантовые процессы в основаниях ДНК реализуются при использовании УФ-излучения лазерных источников. Луч лазера характеризуется чрезвычайно высокой интенсивностью (мощностью); монохроматочностью, поляризованностью, когерентностью и строгой параллельностью светового пучка. Ультракороткий период действия излучения при высокой интенсивности позволяет достигнуть заселения высшего триплетного уровня. Выходом из такого состояния могут быть, как и в одноквантовой реакции, три реакции фотоприсоединения. Рассмотри подробнее эти реакции.

1. Димеризация

В 1958 г. Бькжерс, Иильстра и Берендс обнаружили, что при ультрафиолетовом облучении замороженных водных растворов тимина образуется фотопродукт, который позднее хроматографически был выделен в чистом виде и по молекулярному весу, элементарному составу, кристаллографическим, ИК-спектроскопическим свойствам и растворимости идентифицирован как циклобутановый димер. Смысл реакции димеризации заключается в разрыве 5,6-двойной связи и образовании циклобутанового кольца:

Считают, что димеры пиримидиновых оснований, образующиеся в одной цепи ДНК, составляют 70 — 80% от всех летальных повреждений, индуцируемых коротковолновым УФ-светом. Характерная черта реакции димеризации — ее фотообратимость.

2. Гидратация

При длительном или интенсивном УФ излучении (240-270 нм) полиуридиловой кислоты практически обнаруживаются только гидраты. Это является следствием того, что, в отличие от димеризации, гидратация – необратимый процесс.

Гидратация состоит в присоединении воды к пиримидиновому кольцу у 5,6-двойной связи с ее последующим разрывом:

 

Особенность реакции фотогидратации заключается в том, что она протекает только в одноцепочечной ДНК. Поэтому гидраты пиримидинов могут вносить вклад в летальный или мутагенный эффект лишь у клеток с активными процессами репликации и транскрипции, в ходе которых появляются короткие одноцепочные участки ДНК.

3. Образование  пиримидиновых аддуктов

Квантовый выход образования пиримидиновых аддуктов в 10 раз меньше, чем циклобутановых димеров, и следовательно, в летальный эффект УФ-излучения (254 нм) они вносят незначительный вклад. Однако в УФ-мутагенезе они могут играть важную роль. В отличие от летальных повреждений ДНК, мутационные дефекты возникают намного реже, и поэтому для них требование максимального квантового выхода не имеет принципиального значения.

 

Применение  управляемых фоторегуляторных и  фотодеструктивных процессов в  медицине

 

Сегодня в медицине уже активно используются различные  методы фототерапии. Особенно радует, что это одно из активно развивающихся научных направлений в нашей стране. В последние годы много было сделано в области развития новых методов оптической диагностики и мониторинга заболеваний.

В настоящее  время низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) с успехом применяется во многих областях медицины при лечении заболеваний различной этиологии. Лечебный эффект НИЛИ реализуется на молекулярном, клеточном, тканевом и системном уровнях. Первичное поглощение энергетического кванта осуществляется фоточувствительными молекулами. Для красного света основными первичными фотоакцепторами являются свободные порфирины, или порфирины, входящие в структуру ферментных комплексов. Поглощение кванта энергии сопровождается активацией биомолекулы. В результате лазерного облучения повышается активность ферментов антиоксидантной защиты клетки (СОД, каталазы, пероксидаз) и увеличивается содержание витамина Е. Растет активность ферментов дыхательной цепи, улучшаются процессы поглощения кислорода клетками и увеличивается образование энергии, необходимой для всех видов деятельности (сокращение мышц, образование секреторных продуктов, генерация нервного импульса и т.п.).

 Биокорригирующий  эффект НИЛИ обеспечивается активацией  внутриклеточных регуляторных (сигнальных) систем: повышается активность гуанилатциклазы и стимулируется синтез цГМФ, увеличивается образование активных форм кислорода (синглетного кислорода, супероксида). Последнее служит сигналом для активации генетического аппарата клетки – стимулируются процессы репликации, транскрипции и трансляции, митотическая активность клеток и процессы клеточной дифференцировки. На тканевом уровне эффекты НИЛИ проявляются в стимуляции регенераторных и репаративных процессов. Таким образом, ускоряется заживление ран, язв, костных переломов.

Еще одним примером применения направленных фоторегуляторных и фотодеструктивных процессов может послужить аутотрансфузия  УФ-облученной крови. К настоящему времени в этой области накоплен убедительный положительный клинический опыт. При УФ-облучении (УФО) развивается каскад фотохимических процессов, сопряженных с изменениями физико-химического состояния белков и липидов плазмы и клеток крови, активностей ферментативных систем и др. При этом большое значение уделяют мембранотропному действию УФО на эритроциты, лейкоциты, тромбоциты и активизирующему влиянию на иммунокомпетентные клетки, которые способны продуцировать белки и пептиды, выполняющие в организме роль биорегуляторов. Известно, что одним из эффективных методов лечения гнойно-септических осложнений является экстракорпоральная аутотрансфузия УФ-облученной крови.

Среди оптических методов диагностики заболеваний  часто используется цистоскопия  и гистологическое исследование кусочков ткани, взятых при щипковой биопсии или резекции. Не смотря на применение современных цистоскопов, стандартная цистоскопия не всегда является полностью информативной. Например, часто не распознаются плоские формы или мелкие сателлиты опухоли. Рандомная биопсия подозрительных участков слизистой мало информативна и может вызывать реимплантацию раковых клеток. Гистологическая постановка диагноза возможна только ex vivo. Всё это заставляет проводить клинико-экспериментальные исследования по внедрению различных оптических методов, обладающих высокой разрешающей способностью и специфичностью при установке диагноза во время эндоскопического исследования. Попытки объединить такие оптические методы как фотодинамическая диагностика (ФД) и оптико-когерентная томография (ОКТ), позволяют соответственно определить локализацию опухоли и глубину её прорастания.

Таким образом, мы видим, что фотомедицина сегодня развивается по многим различным направлениям. Для дальнейшего развития методов диагностики и терапии с помощью направленных фотопроцессов необходима дальнейшая активная научно-исследовательская работа в этой области.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Фоторегуляторные  и фотодиструктивные процессы имеют важное биологическое значение в организмах живых существ, и их изучение сегодня является одной из основных прикладных задач фотобиологии. Несмотря на активное развитие данной отрасли науки, остается очень много неисследованных проблем и необобщенных экспериментальных данных, над которыми сейчас работают специалисты во многих странах, в том числе и в России. Первоочередной проблемой в исследовании именно фоторегуляторных и фотодеструктивных процессов является идентификация пигментов-сенсибилизаторов, отвечающих за развитие первоначальных стадий фотобиологического процесса.

Так как. в основе всех фотобиологических процессов  лежат схожие принципы, то исследование механизмов фоторегуляции и фотоповреждения на клеточном уровне может способствовать открытию фундаментальных законов взаимодействия света с биологическими системами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

 

1.  Рубин А.Б. Биофизика: Учебник для вузов. - М.: Книжный дом Университет, 1997.

2.  Конев С.В., Волотовский И.Д. //Фотобиология,  Изд- 2-е, перераб. и доп., Изд-во БГУ им. В.И. Ленина,  1979г.

3.  Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. Учебное пособие для медицинских и биологических спецальностей вузов. — М.: Высшая школа, 1989. —199 с.

4.  Сборник тезисов докладов на IV съезде фотобиологов России, 26–30 сентября 2005, Саратов, Россия. Саратов, 2005.

248 с.

5.  Рубин А.Б. Лекции по биофизике / А.Б. Рубин. – М.: МГУ, 1994. – 160  с.