СРС по биофизике

План
Фотохимические реакции.
Основные законы фотохимии.
Фотобиологические процессы.
Фотохимические превращения ДНК.
Люминесценция.
Люминесцентный анализ. Люминесцентные зонды и метки.
Значение и применение люминесценции в биологии и медицине.
КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

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

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

Основные фотохимические законы
Второй закон фотохимии служит основой для расчета квантового выхода фотохимической 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

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

Фотобиологические процессы
Фотобиологическими процессами называются процессы, которые начинаются поглощением света одним из биологически важных соединений и заканчиваются определенной физиологической реакцией.
КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова

Фотобиологические процессы
Во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационных барьеров 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

Фотохимические превращения ДНК в живых организмах.
В основе всех фотобиологических процессов лежат фотохимические 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

Выяснение механизма действия ультрафиолетового излучения на белки и нуклеиновые кислоты имеет 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.

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

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова
Ультрафиолетовое излучение может вызвать такие фотобиологические реакции, которые 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

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова
Фотохимические превращения ДНК
Mеханизм действия ультрафиолетового излучения на нуклеиновую 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.

КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова
Фотохимические превращения ДНК
Ультрафиолетовое излучение оказывает сильное бактериостатическое и 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.

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

Люминесценция
КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова
Люминесценция – это нетепловое свечение вещества, происходящее 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Люминесцентные зонды
КазНМУ им. С. Д. Асфендиярова