Фотобиологические процессы

Фотобиологическими называют процессы, начинающиеся с поглощения света биологическим соединением и заканчивающиеся определенной физиологической реакцией организма. Фотохимические и фотофизические процессы являются ключевыми в жизнедеятельности биосистем. Подавляющее большинство фотобиологических реакций относятся к эндергоническим, то есть фотопродукты обладают большим запасом внутренней энергии, чем исходные вещества. По биологическому аспекту эти процессы могут быть разделены на две группы.

1. Физиологические – образующиеся фотопродукты необходимы для нормального функционирования биосистемы, являются одним из звеньев обмена веществ и энергии. Различают:

– энергетические (фотосинтез) – обеспечивают аккумулирование солнечной энергии;

– информационные (зрение, фототаксисы) – фотопродукты инициируют специализированные механизмы и организм получает информацию о состоянии внешней среды;

– фотобиосинтетические – фотохимические стадии синтеза некоторых органических соединений (витамин D).

2. Деструктивно-модифицирующие – под действием света происходит повреждение биомолекул и поражение клеток или организма (эритема, помутнение хрусталика и т.д.).

Стадии фотобиологических процессов:

1. Поглощение кванта света.

2. Внутримолекулярные процессы превращения энергии.

3. Межмолекулярный перенос энергии возбужденного состояния.

4. Первичный фотохимический процесс.

5. Темновые превращения первичных фотохимических продуктов и образование стабильных соединений.

6. Биохимические реакции с участием фотопродуктов.

7. Общефизиологический ответ на действие света.

Первичные фотохимические продукты (молекулы в электронно-возбужденном состоянии, свободные радикалы) крайне неустойчивы и быстро переходят либо в исходные вещества, либо в устойчивые фотопродукты:

где А – молекула-акцептор, А' – первичный фотопродукт, В – устойчивый фотопродукт, k₁, k₂, k₃ – константы скоростей реакций.

Очевидно, что относительную концентрацию первичного фотопродукта (А') можно увеличить двумя способами: повысить интенсивность действующего света (метод импульсного фотолиза) или замедлить скорости темновых процессов – k₂ и k₃ (глубокое замораживание образцов жидким азотом). Так было установлено, что при УФ-облучении растворов ароматических аминокислот происходит их фотоионизация, выбитый электрон захватывается растворителем (сольватируется), а аминокислоты переходят в радикальные формы:

Радикал триптофана	Радикал тирозина	Радикал фенилаланина

Основной биологический эффект действия излучения на белки сводится к фотоинактивации данных молекул (рис. 2).

Рис. 2. Общая схема процессов фотоинактивации белковых молекул:

В то же время, для ряда белков (супероксиддисмутаза, карбоксипептидаза и др.) наблюдается усиление каталитической функции при облучении УФ-светом. Это позволяет рассматривать указанный фактор как один из способов регуляции функциональной активности макромолекул.

При действии УФ-света происходит несколько фотохимических реакций повреждения нуклеиновых кислот:

1. Фотодимеризация тиминовых оснований (урацил, цитозин, тимин):

2. Фотогидратация азотистых оснований:

3. Сшивки с белками:

Эти повреждения являются причиной летальных и мутагенных эффектов УФ-излучения в клетках кожи, у микроорганизмов и растений.

Основная реакция превращений липидов под влиянием УФ-излучения – процессы пероксидного фотоокисления. В результате УФ-облучения молекул липидов образуются гидропероксиды жирных кислот (ROOH), которые относятся к первичным, относительно стабильным продуктам. Эта реакция происходит по цепному, свободнорадикальному механизму:

Гидропероксиды претерпевают дальнейшие превращения с образованием более стабильных токсичных продуктов (альдегиды, кетоны).

Фотолиз фосфолипидов может приводить к серьезным нарушениям структуры биомембран. Наблюдается повышение проницаемости мембраны для ряда веществ, в том числе для ионов Н⁺, К⁺, Na⁺. Это нарушает осмотический баланс, приводит к лизису клеток. В нормальной (интактной) мембране процессы пероксидного окисления липидов, по-видимому, заторможены за счет наличия антиоксидантов (a-токоферол или витамин Е).

Таким образом, первичными продуктами фотобиологических процессов являются свободные радикалы – молекулы, имеющие во внешней оболочке неспаренный электрон, что придает молекуле высокую химическую активность. Их взаимодействие с молекулярным кислородом может привести к образованию, так называемых, активных форм кислорода:

^1О2	– синглетный кислород
	– супероксидный анион-радикал
Н2О2	– пероксид водорода
^×ОН	– гидроксильный радикал

Синглетный кислород используют в фотодинамической терапии опухолей. После приема пациентом фотосенсибилизаторов (гематопорфирин, фталоцианин) участок опухоли облучают светом лазера. Молекула сенсибилизатора (АН) переходит в возбужденное триплетное состояние (³АН) и взаимодействует с молекулярным кислородом, находящимся в основном триплетном состоянии (³О₂). Образующийся синглетный кислород (¹О₂) участвует в повреждении раковых клеток:

АН + hν ® ³AH

³AH + ³О₂ ® AH + ¹О₂

Поскольку молекулы воды интенсивно "тушат" синглетный кислород, он практически не участвует в реакциях в отсутствии внешнего облучения.

Супероксидный анион-радикал в норме образуется за счет переноса электрона от НАДФН-оксидазного комплекса на молекулярный кислород. Этот процесс протекает в мембранах фагоцитов и обеспечивает повреждение чужеродных частиц. При развитии патологических процессов супероксидный анион-радикал генерируется митохондриями (до 30% от всего потребляемого кислорода) за счет неполного (одно-трехэлектронного) восстановления кислорода.

Патологическая роль радикала объясняется его способностью образовывать свободное двухвалентное железо и пероксонитрит – цитотоксичные соединения:

	+ Fe^3+ ® O2 + Fe^2+
	+ NO× ® ONOO^–

Данная активная форма кислорода устраняется за счет работы фермента – супероксиддистутазы, который широко представлен в клетках живых организмов.

Пероксид водорода и радикалы гидроксида приводят к окислению тиоловых групп и гистидиновых остатков (инактивация ферментов, мутации в молекулах ДНК), инициируют процессы ПОЛ мембран.

По характеру биологического действия весь спектральный диапазон электромагнитных излучений принято разделять на несколько участков:

Тип излучения	λ, нм	Биологический эффект
Инфракрасное	> 750	тепловые эффекты
Видимый свет	400-750	зрение, фотопериодизм
УФ-свет	А	315-400	загар, синтез витамина D, фотоаллергическое действие
В	280-315	эритема, загар, ожог глаз, канцерогенез, синтез витамина D
С	200-280	эритема, загар, канцерогенез, мутагенез, бактерицидное действие

Зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света называется спектром фотобиологического действия. Спектры действия позволяют выяснить, какая область спектра наиболее эффективно вызывает данный процесс и какое вещество является акцептором квантов и инициирует фотобиологические реакции. На рис. 3. показано, что спектр действия фотоинактивации трипсина близок к суммарному спектру поглощения его основных хромофоров (остатки триптофана, тирозина и цистина), следовательно, именно эти аминокислоты являются первичными акцепторами УФ-света.

Рис. 3. Спектр фотобиологического действия

Дата добавления: 2015-08-18