Фотобиология

Фотобиологические процессы можно систематизировать как с энергетической, так и с биологической стороны.
В первом случае говорят об эндергонических и экзергонических фотобиологических реакциях.
С биологической, функциональной стороны фотобиологические реакции можно условно подразделить на собственно физиологические (информационные и синтетические) и деструктивно-модифицирующие.

УФ-излучение относится к группе излучений электромагнитной природы. В спектре электромагнитных колебаний УФ-область располагается между рентгеновскими лучами и видимым светом, занимая диапазон длин волн ~2-400 нм с энергией кванта 125 ÷ 3 эВ (1 эВ = 1,6 ⋅ 10-12 Эрг = 23 ккал/моль).
Поверхности Земли УФ-свет достигает в диапазоне 287-400 нм с энергией квантов ~ 3-4 эВ. Коротковолновая часть спектра УФ-излучения Солнца, как отмечалось выше, полностью поглощается озоновым слоем атмосферы. В биологических исследованиях в настоящее время изучается преимущественно УФ-излучение в диапазоне 190 - 400 нм.

В области длин волн ниже 200 нм УФ-свет сильно поглощается всеми телами, в том числе и тонкими слоями воздуха, поэтому мало исследуется в биологии и медицине. Это вакуумный УФ-свет.
Остальную часть УФ-спектра условно делят на области:
УФ-С (коротковолновый свет, 200 – 280 нм),
УФ-В (средневолновый, 280 – 315 нм) и
УФ-А (длинноволновый, 315 – 400 нм).

Спектральная характеристика
основных биологических эффектов УФ-излучения

Действие УФ-излучения на белковые системы
Фоточувствительность аминокислот при 254 нм

Нейтральные радикалы, образующиеся при фотоионизации фенилаланина и триптофана

Первичные фотопродукты триптофана

Схема фотохимических реакций в белках

Одноударная фотохимическая реакция
Инактивация ферментов происходит по одноударному механизму. Это означает следующее:
Каждая молекула повреждается независимо от других.
Поглотив свет, молекула может быть либо полностью выведена из строя, либо останется совершенно целой. Частичного повреждения не происходит.

Одноударная фотохимическая реакция
Q – Квантовый выход инактивации = σ/ s

Кинетика инактивации фермента
(при одноударном механизме)
Определение поперечного сечения инактивации фермента:
А0 и A - активности фермента перед облучением и после облучения дозой Д.
100
Активность фермента,
% от исходной
37
0
ln (A 0 / A)

Действие УФ-излучения на нуклеиновые кислоты
Фотохимические реакции нуклеиновых кислот – совокупность типов фотохимических реакций, приводящих к различным повреждениям нуклеиновых кислот и прежде всего ДНК. Это - образование фотодимеров тимина, урацила, цитозина, смешанных димеров; гидратация цитозина и урацила; внутримолекулярные и межмолекулярные сшивки ДНК; сшивки ДНК-белок; разрывы сахарофосфатного остова нуклеиновых кислот.
Пуриновые азотистые основания более фоторезистентны, чем пиримидиновые, поэтому нуклеиновые кислоты повреждаются преимущественно в результате протекания фотохимических реакций с участием пиримидиновых оснований.
Фотодимеры тимина характеризуются максимумом светопоглощения около 240 нм. Под влиянием коротковолнового УФ-излучения (235-240 нм) димеры тимина мономеризуются: расщепляются на исходные мономеры

Фотодимеры цитозина обнаружены после УФ-облучения цитозина, цитидил-цитидина, ДНК. Фотодимеры цитозина неустойчивы и в темноте могут мономеризоваться или дезаминироваться с превращением в димеры урацила через стадию образования смешанного димера Ц-У

Реакция гидратации урацила и цитозина протекает под действием УФ-света в области 260-270 нм. Фотогидраты образуются в растворах урацила и цитозина, их ди- и полинуклеотидах (нуклеозидах), РНК и ДНК. Сущность реакции фотогидратации заключается в присоединении молекулы воды к пиримидиновому кольцу у 5,6-двойной связи с ее разрывом:

Рис. 1. Реакция, катализируемая фотолиазой. Фотон с длиной волны, соответствующей синему цвету, поглощается ферментом, и его энергия (hν) используется для расщепления тиминового димера на отдельные тимины

Ксеродерма пигментная (ретикулярный прогрессирующий меланоз) – наследственное заболевание кожи, проявляющееся повышенной чувствительностью к УФ-облучению, проявляется в возрасте двух-трех лет и постоянно прогрессирует. Является предраковым состоянием кожи. Встречается редко.

Бактерицидное действие УФ-света

Спектр действия возникновения мутаций у кукурузы
---- оптическая плотность
(о) эффективность УФ-индукции мутаций

Действие УФ-излучения на липиды
и биологические мембраны
Пероксидное фотоокисление липидов - основная реакция превращения молекул липидов под влиянием УФ-излучения. Оно имеет важнейшее значение в процессах фотоповреждения биологических мембран
Квантовый выход реакции образования пероксидов значительно превышает 1 (например, 90 для окисления этиллинолеата). Это означает, что УФ-окисление липидов происходит по цепному, свободнорадикальному механизму в соответствии с такой последовательностью реакций
где R• – первичный свободный радикал; RО2• – пероксидный радикал. Первичной фотохимической реакцией, приводящей к образованию радикала R•, является отрыв электрона или атома водорода от одного из атомов углерода жирной кислоты (RH).

Процесс образования конечных (стабильных) продуктов фотоокисления липидов осуществляется в две стадии

Фотосенсибилизатор при действии на него кванта света проявляет определенные свойства за счет своей электронной структуры. Он может либо флуоресцировать, либо выделять тепло, либо осуществлять какие-либо реакции, например, с переносом электронов на молекулярный кислород. Сегодня фотосенсибилизаторы — это целая группа веществ, которая используется для лечения раковых заболеваний, дерматологических патологий, а также применяется для антимикробной терапии резистентных к антибиотикам бактерий. Фотосенсибилизаторы могут быть химически синтезированными препаратами, например, производными хлорина Е6 или гематопорфирина; различными фототоксическими белками, например, miniSOG . В последнее время все больше внимания уделяется наночастицам, к которым можно «прицепить» фотосенсибилизатор и доставить их с грузом в любое место нашего организма

фотодинамическая терапия (ФДТ) основана на работе специальных фотохимических веществ, которые под действием светового излучения образуют биологически активные молекулы, разрушающие злокачественные клетки. Такие фотохимические вещества называют фотосенсибилизаторами