Тіманюк В.О., Животова О.М. Біофізика

Подождите немного. Документ загружается.

161

лонки біомолекул, що відповід но спричинить зміну їхньої конформації.

У цьому випадку може виявлятися ефект НВЧFопромінювання, хоча

нагрів тканини може бути зовсім несуттєвим.

Помічено, що хронічне НВЧFопромінювання викликає гіпо ксію

(знижений зміст кисню в тканинах), зниження працездатності,

підвищення стомлюваності організму, а також ряд інших порушень,

особливо в нервовій і серцевоFсудинній системах. Найбільше час-

то від подібних симптомів страждає персонал фізіотерапевтичних

кабінетів, телеF і радіостанцій, морських суден, а також військово-

службовці. Порушення стану здоров’я зростають із збільшенням стажу

роботи. Для осіб, професійно зв’язаних із НВЧFопромінюванням,

інтенсивність безупинного випромінювання протягом

8 годин не повинна перевищувати 0,1 Вт/м

. Захворювання, викликані

опроміненням у радіохвильовому діапазоні, виділяють в окрему, так

звану радіохвильову, або радіочастотну хворобу.

§ 42. Електронні переходи в атомах і молекулах

Енергія кванта електромагнітної хвилі визначається за формулою

Планка

де ν — частота світла; λ — довжина хвилі; c — швидкість світла у вакуумі;

h — стала Планка.

Якщо енергія кванта світла збігається з енергією, необхідною для

переходу електрона з одного енергетичного рівня на більш високий,

то відбувається поглинання кванта атомом. При цьому електрон пере-

ходить з основного (незбудженого) енергетичного рівня S

на збуджені

(синглетні) S

* , S

* і т.д. Так як стан атома, при якому нижчі енергетичні

рівні є незаповненими, у той час як електрони знаходяться на більш

високих рівнях, є хитливим, то електрони повертаються на свої основні

рівні. При цьому можливі кілька випадків (рис. 9.1).

Електрон може перейти зі збудженого рівня на більш низький із вип-

ромінюванням кванта електромагнітної хвилі. Такий перехід називається

випромінювальним. Якщо ж надлишкова енергія, отримана атомом

при поглинанні кванта, передається іншому атому при взаємодії з ним,

наприклад, при зіткненні, то такий перехід називається безвипроміню-

вальним. У результаті безвипромінювального переходу збуджений атом

може передати свою надлишкову енергію іншим атомам, що знаходяться

в тій же молекулі (внутрішньомолекулярний перенос енергії) або в іншій

молекулі (міжмолекулярний перенос енергії). Ці процеси називаються

162

міграцією енергії збуд-

женого стану.

Час перебування

електрона на збудже-

ному синглетному рівні

S* (час життя збудже-

ного стану) дуже малий

(порядку 10

–8

— 10

–9

с).

Випромінювальний пе-

рехід S

* → S

називаєть-

ся флуоресценцією.

Перехід S → S

* і

назад відбувається без

зміни спину електрона.

У той же час електрон,

перебуваючи на синг-

летному рівні S

*, може

змінити свій спин і перейти на так званий триплетний рівень Т, енергія

якого нижча рівня S

*, але вища рівня S. Перехід із збудженого рівня S

на триплетний рівень Т називається інтеркомбіна ційною конверсією.

Час життя триплетного стану набагато більше синглетного і складає від

–7

с до кількох годин. Тому триплетний стан називають метастабільним.

Так як електрон знаходиться на триплетному рівні енергії довгий час, то

він може встигнути поглинути ще один квант випромінювання і перейти

з рівня Т

на рівень Т

. Випромінювальний перехід електрона Т

→ S

називається фосфоресценцією (при цьому відбувається зміна спину).

Для того, щоб електрон перейшов з основного рівня на збуджений,

необхідно, щоб енергія кванта світла дорівнювала енергії між цими

рівнями. Якщо енергія кванта менша, то електронні переходи не від-

буваються (радіочастотний діапазон), якщо, навпаки, більша, то атоми

іонізуються, як у випадку γF, рентгенівського і далекого ультрафіолето-

вого (λ = 10–200 нм) діапазону. Збудження атомів відбувається у видимому

діапазоні і ближній області (λ = 200 – 400 нм) ультрафіолетового.

§ 43. Вплив на біологічні об’єкти випромінювання оптичного діапазону

Дія інфрачервоного випромінювання на організм викликає відчуття

тепла, видимого діапазону — зорові реакції, фотосинтез (утворення

органічних сполук за рахунок енергії світла), фототаксис (рух мікроор-

ганізмів до світла або від нього), фототропізм (поворот листків і стеблин

рослин до світла або від нього), ультрафіолетового — синтез вітаміну D,

еритему (почервоніння шкіри, викликане розширенням кровоносних

судин шкіри), засмага (утворення в шкірі пігменту меланіну), канце-

Рис. 9.1. Електронні рівні молекули і переходи між ними: S

– синглетний рівень; T – триплетний рівень;

f – флуоресценція; p – фосфоресценція; k – інтеркомбіна-

ційна конверсія; прямі лінії – випромінювальні переходи,

хвилясті – безвипромінювальні. Біля кожного рівня пока-

заний взаємний напрямок спинів збудженого й залишеного

електронів.

163

рогенез (утворення пухлин), чинить бактерицидний ефект. З усього

діапазону електромагнітного випромінювання людина має рецептори

тільки до інфрачервоного випромінювання (терморецептори) і до ви-

димого (зорові рецептори).

Процеси, що відбуваються в біологічних системах при впливі ви-

промінювання оптичного діапазону, називають фотобіологічними.

Виділяють наступні їхні етапи: фотофізичний — поглинання кванта

світла і перенесення енергії збудженого стану, фотохімічний — хімічні

перетворення молекул, і фізіологічний — відповідь організму на опро-

мінення.

Поглинання кванта випромінювання оптичного діапазону при-

водить до збудження молекули, а, отже, підвищення її реакційної

спроможності, у результаті чого можуть відбуватися хімічні реакції, що

були б неможливі в темноті. Такі реакції називаються фотохімічними,

а продукти, що утворюються в них — фотопродуктами. Безпосередній

вплив світла на хімічну речовину частіше усього приводить до утворення

нестабільних продуктів, що у ланцюзі наступних реакцій перетворю-

ються в стабільні. Ці реакції, як правило, вже не вимагають дії світла і

тому називаються темновими.

В ультрафіолетовому і видимому діапазонах випромінювання

відбуваються π–π*F та n–π*Fелектронні переходи. Нагадаємо, що

πFелектрон — це електрон, що бере участь в утворенні πFзв’язку, а

nFелектрон — це неспарений pFелектрон, що не утворює хімічний

зв’язок, але здатний переходити на збуджений рівень (π*) πFорбіталі.

Тому в ультрафіолетовій і видимій областях спектра добре поглинають

ті хімічні сполуки, які мають у своєму складі спряжені подвійні зв’язки

і кільцеві групи, що володіють πFелектронною системою.

Чим більше в молекулі спряжених подвійних зв’язків N, тим більша

довжина хвилі λ, на яку приходиться максимум поглинання світла.

Якісно цю величину можна визначити за наступною формулою:

де m — маса електрона; c — швидкість світла; l — довжина одного

елемента ланцюга сполучених подвійних зв’язків; h — стала Планка.

Наприклад, максимуми поглинання ненасичених жирних кислот при-

ходяться на λ < 220 нм, а максимум поглинання ретиналю, який має 11

спряжених подвійних зв’язків зрушується вже у видиму область.

Прикладом електронних переходів π–π* є ізомеризація ретиналю

під дією видимого світла (див. гл. 8). Для того, щоб 11FцисFретиналь

перетворився в цілком трансFретиналь, необхідний поворот навколо

подвійного зв’язку між 11 і 12 атомами вуглецю (рис. 8.6), що без додат-

кових витрат енергії неможливо. Поглинання кванта видимого світла

164

приводить до збудження молекули і переходу електрона зі зв’язуючої

πFорбиталі на розпушуючу π*Fорбіталь, у результаті чого πFзв’язок

розривається і площини молекули повертаються навколо σFзв’язку на

90° (рис. 9.2). З цього збудженого стану молекула може перейти як назад

в цисFконформацію, так і в трансFконформацію. З іншого боку, квант

світла здатний і цілком трансFретиналь перевести в збуджений стан, у

результаті чого деяка частина молекул перейде в 11FцисFконформацію.

Тому при освітленні буде встановлюватися певне співвідношення між

цими двома ізомерами, причому переважати буде той ізомер, що при

опроміненні даною довжиною хвилі має менше значення коефіцієнта

поглинання.

§ 44. Вплив ультрафіолетового випромінювання на біологічні молекули

У залежності від дії, що чиниться на біологічні об’єкти, в ультрафіо-

летовому діапазоні виділяють три зони: АFзона, або антирахітна, (λ =

400 – 315 нм) — викликає синтез вітаміну D; ВFзона, або еритемна, (λ =

315 – 280 нм) — викликає утворення еритеми і сприяє синтезу пігменту

меланіну, який чинить захисну дію при ультрафіолетовому опроміненні,

тому що поглинає кванти світла й одночасно є антиоксидантом

; СFзона,

або бактерицидна, (λ = 280 – 200 нм) — викликає мутації, канцерогенез,

надає бактерицидний ефект, енергія випромінювання цього діапазону

(3,1 – 6,8 еВ) достатня для дисоціації й іонізації молекул. Ультрафіолето-

ве випромінювання з λ < 200 нм дуже сильно поглинається, у тому числі

і повітрям, тому його дію на біологічні об’єкти звичайно не розглядають.

Основним природним джерелом ультрафіолетового випромінювання

є Сонце. Сонячне випромінювання в цьому діапазоні значно погли-

нається озоновим шаром, причому поглинання тим вище, чим менша

довжина хвилі. Тому поверхні Землі досягають в основному промені

зони А та довгохвильової області зони В. Цей діапазон ультрафіолету

називається екологічним. Діяльність людини за останні десятиліття

призвела до істотного зменшення озонового шару, що викликало

11[цис[ретиналь Цілком

транс[ретиналь

Рис. 9.2. Цис[транс[ізомеризація ретиналю під дією світла.

165

посилення інтенсивності випромінювання в більш короткохвильовій

області ультрафіолетового діапазону. Замічено, що зменшення на 1%

поглинаючих властивостей озонового шару приводить до збільшення

випадків захворювання раком шкіри на 2%.

Ультрафіолетове випромінювання дуже сильно поглинається жи-

вими клітинами і практично не проникає на глибину більш, ніж 1 мм.

У людини ультрафіолетові промені поглинаються в шкірних покривах.

Тому безпосередній ефект ультрафіолетового опромінення виявляється

саме на клітинах шкіри.

Так як коефіцієнти поглинання для ультрафіолету дуже великі, то

поглинена доза D приблизно дорівнює потужності випромінювання W,

що потрапило на одиницю площі шкірного покриву за час t:

D = Wt.

Випромінювання різних довжин хвиль однакового потоку

приводить

до різного ступеня ушкоджень. Залежність фотобіологічного ефекту

від довжини хвилі випромінювання називають спектром дії. Спектр дії

можна побудувати як для окремих молекул, так і для клітин (рис. 9.3).

Відповідно до законів фотобіології, фотозміни в молекулі можуть

статися тільки при поглинанні нею кванта випромінювання. Тому спектр

дії за своєю формою збігається зі спектром поглинання

тих молекул,

що відповідають за дану хімічну або фізіологічну відповідь. Наприклад,

спектр інактивації вірусу тютюнової мозаїки цілком збігається зі спект-

ром поглинання його інформаційної РНК (рис. 9.4). На підставі цього

можна зробити висновок, що інак тивуюча дія ультрафіолету на цей вірус

обумовлена саме ушкодженням нуклеїнових кислот.

Біологічний ефект ультрафіолету насамперед визначається змінами,

які він викликає в структурі білків, нуклеїнових кислот, а також біоло-

гічних мембран.

Амінокислоти, що входять до складу білків мають максимуми погли-

нання в діапазоні довжин хвиль λ = 180 – 190 нм за рахунок пептидних

зв’язків. Крім того, ароматичні амінокислоти: фенілаланін, тирозин і

триптофан мають додаткові максимуми поглинання (λ

max

= 258, 280 і 285

нм, відповідно) за рахунок ароматичних груп. Так як опромінення уль-

трафіолетом (як природне, так і штучне в експерименті) частіше усього

відбувається при λ > 240 нм, то основний внесок у фотопошкодження

білків вносять саме ароматичні амінокислоти.

Дія ультрафіолетового випромінювання на білкові молекули здатна

привести до розриву дисульфідних містків між поліпептидними ланцю-

гами, утворенню вільних радикалів

. Особливо ці ушкодження небезпеч-

Антиоксиданти – сполуки, що зв’язують вільні радикали.

Потоком енергії хвилі крізь деяку поверхню називають кількість енергії, передану крізь цю

поверхню за одиницю часу.

166

ні, якщо вони торкають

активний центр ферменту,

що може викликати його

інактивацію.

Поглинання ультра-

фіолету нуклеїновими

кислотами обумовлене

наявністю в них пурино-

вих і піримідинових основ

(λ

мах

= 260 нм). З сполук,

що входять до складу нук-

леїнових кислот, більш

чутливі до дії опромінен-

ня піримідинові основи

(цитозин, тимін і урацил),

хоча фотопошкодження

можуть виникати і в пу-

ринових основах (аденіні

та гуаніні), і в вуглеводних

компонентах.

Фотопошкодженням

ДНК, що найчастіше зус-

трічається, є утворення

димеру з двох молекул

тиміну (рис. 9.5), розта-

шованими поруч в одно-

му ланцюзі ДНК. Іноді

димери утворюються між

молекулами тиміну з двох

комплементарних ланцю-

гів. Відомо, що в нативній

ДНК дві молекули тиміну

ніколи не можуть бути розташовані навпроти один одного, тому що вони

некомплементарні. Однак під дією ультрафіолетового випромінювання

можливе локальне розплітання двоспіральної структури і переміщення

комплементарних ланцюгів один до одного, у результаті чого молекула

тиміну може виявитися навпроти іншої такої ж молекули. Тиміновий

димер у цьому випадку стабілізує виникле ушкодження.

Утворення тимінових димерів може статися не тільки при поглинанні

кванта світла саме молекулою тиміну, але і при поглинанні будьFякою

іншою азотистою основою, тому що можливий триплетFтриплетний

Відносна ефективність

280

290

300 310

320 330

340

λ, нм

Рис. 9.3. Спектри дії ультрафіолетового випромі-

нювання: 1 – розвиток еритеми шкіри в людини; 2

– ушкодження рослинної клітини; 3 – інактивація

ДНК.

Інактивація ВТМ, відн. од.

0,8

0,6

0,4

0,2

0,8

0,6

0,4

0,2

220 230 240

250 260

270

280

Поглинання, відн. од.

λ, нм

Рис. 9.4. Інактивація вірусу тютюнової мозаїки

(ВТМ): суцільна лінія [ спектр дії ультрафіолетового

випромінювання; пунктирна лінія [ спектр поглинання

інформаційної РНК цього вірусу.

Спектр поглинання – залежність оптичної густини від довжини хвилі.

167

перенос енергії від однієї основи до іншої в наступній послідовності:

цитозин, гуанін, аденін, тимін. Саме в цьому напрямку відбувається

зменшення триплетних рівнів енергії азотистих основ. З меншою

імовірністю в порівнянні з тиміновими димерами можуть утворюватися

димери цитозин–цитозин (Ц–Ц) і тимін–цитозин (Т–Ц).

Димери тиміну, що утворилися, хімічно дуже стійкі і не руйнуються

при підвищенні температури або при дії хімічних речовин. Однак процес

мономеризації можна викликати дією того ж ультрафіолетового випро-

мінювання, причому максимальний вихід мономерів спостерігається

при опроміненні в більш короткохвильовій області в порівнянні з мак-

симальним виходом димерів.

Іншими типами фотопошкоджень ДНК є: фотогідратація (утво-

рення 6FоксиF5Fгідроксипохідних, рис. 9.6), зшивки ДНК із білками

(ковалентне приєднання до молекул цитозину або урацилу по 5Fму або

6Fму атомах деяких амінокислот, наприклад серину, цис тину та інших),

зшивки ДНК–ДНК, одноF або дволанцюгові розриви ланцюгів ДНК,

але їхній квантовий вихід

нижче, іноді на кілька порядків, у порівнянні

з виходом піримідинових димерів.

Фотопошкодження нуклеїнових кислот можуть привести до появи

мутацій, канцерогенезу і навіть до загибелі клітини. Часто ці ушкод-

ження заважають нормальному проходженню процесів транскрипції і

реплікації нуклеїнових кислот, що виключає можливість нормального

ділення клітини. Так, при появі в ДНК димерів азотистих основ немож-

лива реплікація ДНК.

Іноді фотопошкодження молекул можуть бути викликані не безпосе-

реднім поглинанням випромінювання даною молекулою, а її взаємодією

з іншою молекулою, що поглинула квант світла і перейшла у збудже-

ний стан. Сполуки, що підвищують чутливість біологічних об’єктів до

світла, називаються фотосенсибілізаторами, а викликані ними реакції

— фотосенсибілізованими.

Прикладом фотосенсибілізованих реакцій є викликані ультрафіо-

Рис. 9.5. Утворення циклобутанового димеру тимін–тимін.

Вільні радикали – атоми або молекули, що мають неспарені електрони. Мають високу

реакційну спроможність, утворюються в ході біохімічних реакцій і дії іонізуючого ви-

промінювання. Здатні запускати ланцюгові хімічні реакції, наприклад, реакції перекисного

окислення ліпідів.

168

летовим опроміненням (λ >

280 нм) розриви дисульфідних

містків у молекулах білків. У

даному діапазоні ультрафіо-

лету поглинають не молекули

цистину, а триптофан і тиро-

зин. Поглинувши квант світла

і перейшовши в збуджений

стан, ці амінокислоти здатні

дисоціюватися з утворенням

катіонFрадикала і сольватованого електрона:

→

RH* → RH

· + e

–

Взаємодія сольватованого електрона з дисульфідними зв’язками

може викликати їхній розрив:

У цьому прикладі фотосенсибілізованою реакцією є розрив дисуль-

фідних містків, а фотосенсибілізаторами — амінокислоти тирозин і

триптофан.

Ушкодження мембранних ліпідів, викликані ультрафіолетовим

опроміненням, також є фотосенсибілізованими реакціями, тому що

максимум поглинання ліпідів приходиться на λ < 220 нм, а довжина

хвилі традиційного опромінення перевищує 240 нм. Ультрафіолетове

опромінення викликає появу в мембрані вільних радикалів Х· (напри-

клад, радикалів води, амінокислот і ін.), які здатні викликати ланцюгові

реакції перекісного окислювання ліпідів:

X· + RH → XH + R· (ініціювання);

R· + O

→ RO

· (окислювання радикала);

· + RH → ROОH + R· (ланцюгова реакція);

…………………………………………………

Р (обрив реакції),

де RH — ліпід; Р — стабільний продукт.

Ці реакції вимагають присутності кисню в тканині і гальмуються

антиоксидантами А (наприклад, вітаміном Е — токоферолом):

АН + RO

· → А· + ROOH;

Урацил 6[окси[5[гідрокси-

урацил

Рис. 9.6. Фотогідратація урацилу.

Квантовий вихід реакції – відношення кількості молекул, що прореагували, до кількості

поглинених квантів.

169

Руйнування ліпідів підвищує іонну проникність мембрани, порушує

її стабільність, перешкоджає нормальному функціонуванню мембран-

них компонентів.

Фотосенсибілізатори розділяють на ендогенні, синтезовані самим

організмом, і екзогенні, що потрапляють у нього ззовні. Відомі 4 класи

фотосенсибілізаторів: гіперицини, хлорофіли, порфірини і псоралени

(фурокумарини).

При деяких захворюваннях у клітинах збільшується зміст ендогенних

фотосенсибілізаторів. Наприклад, при порушенні гемопоезу (кровотво-

рення), підвищується зміст протопорфіринів, які є фотосенсибілізато-

рами окислювання ліпідів і білків.

Попадання на шкіру екзогенних фотосенсибілізаторів і одночасне

опромінення здатні викликати опіки і фотодерматити. Наприклад,

екстракти деяких представників сімейств зонтичних, рутових, бобових

містять псоралени, які є фотосенсибілізаторами ДНК і здатні спрово-

кувати фотоканцерогенез. Саме тому перед прийняттям сонячних ванн

не рекомендують користуватися косметикою, наносити на шкіру креми,

крім тих, що мають захисну проти ультрафіолетову дію.

Порушені під дією ультрафіолету молекулярні структури здатні від-

новлюватися за допомогою так званих репараційних систем клітини.

Так, спочатку з бактеріальних клітин, а потім і з клітин людини був виді-

лений фермент, що володіє фотореактивними властивостями. При його

приєднанні до димера піримідинової основи утворюється хромофорна

група, що поглинає у видимому діапазоні. Влучення кванта видимого

світла (максимум спектра дії приходиться на 380 – 400 нм, у залежності

від виду організму, із якого був виділений фермент) на такий комплекс

приводить до розпаду димера й утворенню двох молекул тиміну.

§ 45. Теорія мішені

При кількісному вивченні фотопошкоджень молекул і цілих клітин

використовується так звана теорія мішені. В ролі мішені може виступати,

наприклад, активний центр ферменту або ділянка ДНК, відповідальна

Цистин Радикал цистину Іон

цистеїну

Радикал

цистеїну

170

за синтез якогось життєво важливого білка. У цьому випадку влучення

усього лише одного кванта світла (одноударний механізм) у мішень

викликає з імовірністю Ф (квантовий вихід реакції) повну інактивацію

даної молекули. Влучення кванта в інші ділянки молекули, хоч і здат-

не викликати якіFнебудь її хімічні перетворення, але на її біологічній

функції не відбивається.

Швидкість інактивації молекул можна записати в наступному виг-

ляді:

(9.1)

де n — кількість непошкоджених молекул в одиниці об’єму; t — час;

Ф — квантовий вихід реакції; I

— інтенсивність падаючого світла; I

— інтенсивність світла, яке пройшло через розчин.

Відповідно до закону Бугера — Ламберта — Бера

де s — поперечний перетин поглинання, тобто деяка площа, при

влученні в який відбувається поглинання фотону молекулою;

l — товщина розчину. Тоді формулу (9.1) можна переписати у вигляді

Для розчинів малих концентрацій (1 – e

–snl

) ≈ snl, тоді

(9.2)

Розділимо змінні в (9.2) і проінтегруємо отриманий вираз:

де n

— початкова кількість молекул; n — кількість молекул, що залиши-

лися непошкодженими після опромінення за час t. Одержимо

(9.3)

У цьому виразі I

t = D — доза випромінювання, sФ = σ — поперечний

перетин інактивації молекули

, що визначає як імовірність поглинання

фотона молекулою, так і імовірність її хімічного перетворення в ре-

зультаті такої взаємодії. Тоді на одиницю товщини розчину вираз (9.3)

можна переписати у вигляді:

або