СРС по биофизике

Содержание

Слайд 2

План

 Фотохимические реакции.
Основные законы фотохимии.
Фотобиологические процессы.
Фотохимические превращения ДНК.
Люминесценция.
Люминесцентный

План Фотохимические реакции. Основные законы фотохимии. Фотобиологические процессы. Фотохимические превращения ДНК. Люминесценция.
анализ. Люминесцентные зонды и метки.
Значение и применение люминесценции в биологии и медицине.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Слайд 3

Фотохимические реакции

  Фотохимические реакции -это химические реакции, происходящие под воздействием света; имеют

Фотохимические реакции Фотохимические реакции -это химические реакции, происходящие под воздействием света; имеют
важнейшее общебиологическое значение.
По характеру биологического эффекта фотохимические реакции подразделяют на физиологические и повреждающие. - К физиологическим относятся те реакции, которые лежат в основе фотосинтеза, биосинтеза физиологически важных веществ -витаминов, пигментов и др., а также реакции обеспечивающие физиологические функции связанные с получением информации из окружающей среды, - зрение, тропизмы, таксисы.
- Повреждающие фотохимические реакции имеют в своей основе действие света, особенно УФ-излучения, на нуклеиновые кислоты и белки. В результате может наблюдаться гибель клеток, интенсивный мутагенез, инактивация ферментов и др.


КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Слайд 4

Основные фотохимические законы

Существует 2 основных закона фотохимии:
Первый закон: Химическое действие может произвести

Основные фотохимические законы Существует 2 основных закона фотохимии: Первый закон: Химическое действие
только свет, который поглощается реагирующими молекулами (закона Гротгуса – Дрепера).
Второй закон: Первичный фотохимический акт происходит под действием одного кванта света – фотона. Этот закон называют также законом квантовой эквивалентности (сформулирован Альбертом Эйнштейном и Иоганном Штарком).

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Слайд 5

Основные фотохимические законы

Второй закон фотохимии служит основой для расчета квантового выхода фотохимической

Основные фотохимические законы Второй закон фотохимии служит основой для расчета квантового выхода
реакции, который равен числу прореагировавших (или вновь образовавшихся) молекул, деленному на число поглощенных квантов. Квантовый выход, определяемый экспериментально, позволяет судить о механизме фотохимической реакции.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Слайд 6

Фотохимическая реакция протекает в 2 стадии:

Таким образом, всякий фотобиологический процесс можно представить

Фотохимическая реакция протекает в 2 стадии: Таким образом, всякий фотобиологический процесс можно
схемой: поглощение квантов- фотохимические реакции- химические и биохимические реакции- физиологическая реакция.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Слайд 7

Фотобиологические процессы

Фотобиологическими процессами называются процессы, которые начинаются поглощением света одним из биологически

Фотобиологические процессы Фотобиологическими процессами называются процессы, которые начинаются поглощением света одним из
важных соединений и заканчиваются определенной физиологической реакцией.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Слайд 8

Фотобиологические процессы

Во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационных барьеров

Фотобиологические процессы Во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационных
химических превращений. Реакционная способность возбужденной светом молекулы определяется рядом факторов. Она зависит от положения возбужденного энергетического электронного уровня, что обеспечивает преодоление энергетического барьера.

Энергетическая схема фотохимического процесса

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Слайд 9

Фотохимические превращения ДНК в живых организмах.

В основе всех фотобиологических процессов лежат фотохимические

Фотохимические превращения ДНК в живых организмах. В основе всех фотобиологических процессов лежат
реакции. К основным фотохимическим реакциям относятся следующие.
Фотовосстановление и фотоокисление – перенос электрона с одной молекулы на другую .Одна молекула при этом окисляется , а другая восстанавливается .
Фотодиссоциация – процесс распада молекулы с образованием свободных радикалов под действием кванта излучения.
Фотоизомеризация- изменение пространственной конфигурации молекулы под действием света, изменение структуры молекулы.
Фотодимеризация- образование химической связи между мономерами при действии фотонов света. Таким образом, элементарная фотохимическая реакция может быть связана либо с потерей электрона молекулой, либо с его приобретением, либо с деструкцией молекулы . Деструкция молекул приводит к изменению их химических свойств; например, белок при деструкции теряет свои ферментативные свойства.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Слайд 10

Выяснение механизма действия ультрафиолетового излучения на белки и нуклеиновые кислоты имеет

Выяснение механизма действия ультрафиолетового излучения на белки и нуклеиновые кислоты имеет важное
важное общебиологическое значение.
Биологические эффекты ультрафиолетового излучения в трёх спектральных участках существенно различны, поэтому биологи иногда выделяют, как наиболее важные в их работе, следующие диапазоны:
Ближний ультрафиолет, УФ-A лучи (UVA, 315—400 нм)

УФ-B лучи (UVB, 280—315 нм)
Дальний ультрафиолет, УФ-C лучи (UVC, 100—280 нм)

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Действие ультрафиолетового излучения на белки и нуклеиновые кислоты.

Слайд 11

Практически весь УФ-C и приблизительно 90 % УФ-B поглощаются при прохождении солнечного света

Практически весь УФ-C и приблизительно 90 % УФ-B поглощаются при прохождении солнечного
через земную атмосферу. Излучение из диапазона УФ-A достаточно слабо поглощается атмосферой. Поэтому радиация, достигающая поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний ультрафиолет УФ-A и в небольшой доле — УФ-B.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Действие ультрафиолетового излучения на белки и нуклеиновые кислоты.

Слайд 12

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Ультрафиолетовое излучение может вызвать такие фотобиологические реакции, которые

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Ультрафиолетовое излучение может вызвать такие фотобиологические реакции,
приводят к деструкции белков и нуклеиновых кислот.
Первичные изменения приводят к нарушению структуры ДНК и денатурации белков.
Вторичные изменения наступают вследствие того, что клеточные ферменты расщепляют денатурированный белок. При этом накапливаются продукты распада → продукты распада вызывают раздражение нервных окончаний → сложные рефлекторные реакции.

Фотохимические превращения ДНК

Слайд 13

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Фотохимические превращения ДНК

Mеханизм действия ультрафиолетового излучения на нуклеиновую

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Фотохимические превращения ДНК Mеханизм действия ультрафиолетового излучения
кислоту
Основное действие ультрафиолетовых лучей на нуклеиновую кислоту заключается в том, что последняя теряет биологическую активность, т. е. способность передавать заключенную в ней информацию. При этом основную роль в инактивации ДНК играют процессы димеризации тиминовых оснований. Процессы димеризации тиминовых оснований протекают раньше других фотохимических реакций. Когда еще не наблюдается заметного накопления гидрированных и окисленных оснований, инактивация ДНК уже происходит. Две молекулы тимина в двойной спирали ДНК никогда не расположены рядом. Более того, в силу комплементарности нитей в ДНК они никогда не расположены точно напротив друг друга. Под воздействием ультрафиолетовых лучей возникает местное расплетение нитей ДНК. Затем нити изгибаются таким образом, что тиминовые основания сближаются. Между ними возникает стойкая химическая связь, которая как бы стягивает двойную нить ДНК и препятствует считыванию с нее информации.

Слайд 14

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Фотохимические превращения ДНК

Ультрафиолетовое излучение оказывает сильное бактериостатическое и

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Фотохимические превращения ДНК Ультрафиолетовое излучение оказывает сильное
бактерицидное действие. При облучении ультрафиолетовыми лучами бактерий и вирусов происходит угнетение их активности, подавление способности к размножению и гибель. Механизм действия ультрафиолетового излучения на бактерии и вирусы был выявлен при изучении спектров действия инактивации этих организмов. Под спектром действия понимают зависимость величины фотобиологического эффекта от длины волны излучения. Оказалось, что спектр действия инактивации при ультрафиолетовом облучении вирусов и бактерий совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот (У. Винклер, 1962).
Следовательно, основой бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей является повреждение и инактивация нуклеиновых кислот. Для бактерий, кроме того, определенное значение имеет и повреждение ферментных систем.

Слайд 15

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Люминесцентные метки и зонды и их применение в

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Люминесцентные метки и зонды и их применение в биологии и медицине
биологии и медицине

Слайд 16

Люминесценция

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Люминесценция – это нетепловое свечение вещества, происходящее

Люминесценция КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Люминесценция – это нетепловое свечение вещества,
после поглощения им энергии возбуждения.

Физическая природа люминесценции состоит в переходах электронов атомов или молекул из возбуждённого состояния в основное. При этом причиной первоначального их возбуждения могут служить различные факторы: внешнее излучение, температура, химические реакции и др.

Слайд 17

Хемилюминесценция - свечение, использующее энергию химических реакций;
Виды:
- Митогенетическое излучение (190-320

Хемилюминесценция - свечение, использующее энергию химических реакций; Виды: - Митогенетическое излучение (190-320
нм)
- Биолюминесценция (420-710 нм)
- Сверхслабое свечение (710-800 нм)

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Типы люминесценции

Слайд 18

Электролюминесценция- возникает при пропускании электрического тока через определённые типы люминофоров.

КазНМУ им. С.

Электролюминесценция- возникает при пропускании электрического тока через определённые типы люминофоров. КазНМУ им.
Д. Асфендиярова

Типы люминесценции

Слайд 19

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Фотолюминесценция - свечение под действием света (видимого

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Фотолюминесценция - свечение под действием света (видимого
и УФ-диапазона).
1) мономолекулярная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы;
2) метастабильная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы, но с участием метастабильного состояния;
3) рекомбинационная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в разных местах.

Типы люминесценции

Слайд 20

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Выход люминесценции

Выход — одна из важнейших характеристик люминесценции.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Выход люминесценции Выход — одна из важнейших
Выделяют квантовый выход и энергетический выход. Под квантовым выходом понимают величину, показывающую отношение среднего числа излучённых квантов на один поглощённый.

Слайд 21

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Квантовые переходы между энергетическими уровнями:
с нижнего уровня на

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Квантовые переходы между энергетическими уровнями: с нижнего
верхний (возбуждение).
с верхнего уровня на нижний (релаксация).

Выход люминесценции

Слайд 22

Люминесцентный анализ

Люминесцентным анализом называют метод исследования различных объектов под действием ультрафиолетового облучения,

Люминесцентный анализ Люминесцентным анализом называют метод исследования различных объектов под действием ультрафиолетового
вызывающего люминесценцию этих объектов. При люминесцентном анализе наблюдают или собственное свечение исследуемых тел, или свечение люминофоров, которые вводят в эти тела.
Люминесцентный анализ – совокупность методов для определения природы и состава вещества по спектру его люминесценции.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Слайд 23

Люминесцентные метки и зонды

Флуоресцентные зонды. В медицине используется применение специальных флуоресцирующих молекул, добавляемых

Люминесцентные метки и зонды Флуоресцентные зонды. В медицине используется применение специальных флуоресцирующих
к исследуемым биологическим системам извне, в которых они распределяются в соответствии со своими свойствами. Такие молекулы получили название флуоресцентных зондов.Примером использования флуоресцентных зондов является метод флюоресцентной ангиографии – контрастирование сосудов флуоресцеином и их последующее фотографирование. Флуоресцеин возбуждается невидимым длинноволновым ультрафиолетовым излучением. Люминесценция его наблюдается в видимом свете. Диагностическая значимость этого метода заключается в том, что по скорости появления флуоресценции (люминесценции) в поверхностных тканях судят об участках тела с пониженным кровообращением, в них флуоресцеин появляется позже, чем в участках тела с нормальным кровообращением.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Слайд 24

Флуоресцентные метки. Флуоресцирующие молекулы можно ковалентно связывать с определенными молекулами и затем эту

Флуоресцентные метки. Флуоресцирующие молекулы можно ковалентно связывать с определенными молекулами и затем
систему ввести в исследуемый объект. Такие молекулы называются флуоресцентными метками. Примером является использование флуоресцентно-меченых антител. Если добавить такие антитела к суспензии смеси клеток, то они связываются только с теми из них, на поверхности которых находятся специфические к данному антителу антигены. Возникает яркая люминесценция определенных клонов клеток, наблюдаемая в люминесцентном микроскопе. Данная методика используется в иммунологических исследованиях крови.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Люминесцентные метки и зонды

Слайд 25

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Использование люминесценции в биологии и медицине

Проверка качества и

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Использование люминесценции в биологии и медицине Проверка
сортировка пищевых продуктов
Сортировка фармакологических средств
Диагностика кожных заболеваний (поражение кожи, ногтей, волос грибками и лишаем)

Слайд 26

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Использование люминесценции в биологии и медицине

Люминесцентный качественный и

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Использование люминесценции в биологии и медицине Люминесцентный
количественный анализ
Люминесцентные зонды и метки (флуоресцентная ангиография – контрастирование сосудов флуоресцином и их последующее фотографирование)

Слайд 27

Люминесцентная микроскопия

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Исследовательский люминесцентный микроскоп «Люмам И-3»

Рабочий люминесцентный микроскоп

Люминесцентная микроскопия КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова Исследовательский люминесцентный микроскоп «Люмам И-3»
«Люмам Р-1»

Слайд 28

Люминесцентные зонды

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Люминесцентные зонды КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова