Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Летальная доза света с учетом потерь энергии 10 ... 10 квантов на клетку. Про- 9 !! изводные гематопорфирина имеют квантовый выход реакции об! разования синглетного кислорода 02 порядка 0,75. Таким образом, ФДЭ представляет собой «резонансное усиление» возбуждения, передаваемого от электромагнитного излучения к синглетному кислороду, за счет фотосенсибилизатора. Коэффици- 8 9 ент «резонансного усиления» составляет 1Π— 10 . Производные гематопорфирина могут быть как растворимыми, так и нерастворимыми в воде (т.
е. гидрофильными или гидрофоб- ными). От этого зависит, где локализуется фотосенсибилизатор в клетке: в цитоплазме или мембранах. При фотодинамическом воздействии (ФДВ) происходит повреждение мембраны клеток, выражающееся в окислении липидов и белковых компонентов мембраны, что ведет к увеличению проницаемости мембраны и нарушению ионного транспорта. В липидах высокую чувствительность к сенсибилизированному фотоокислению проявляют ненасыщенные жирные кислоты и холестерин. При этом имеет место свободно- радикальное перекисное фотоокисление липидов.
Оно вызывает увеличение вязкости липидной фазы мембраны, а также ее структурные изменения, что приводит к резкому снижению барьерных свойств липидных бислоев. В мембранных белках фотосенсибили- 123 зированные изменения проявляются в образовании ковалентных сшивок между различными полипептидными цепями. В основе сшивания полипептидов лежат фотодинамические процессы, инициируемые главным образом синглетным кислородом.
Фотосенсибилизированные сшивки полипептидов в мембранах являются, повидимому, причиной нарушения их транспортных свойств. Нужно заметить, что ФДВ, по всей вероятности, не влечет нарушений ДНК, хотя необходимы специальные исследования в этой области. Требования к «идеальному» фотосенсибилизатору: ° доступный способ получения и постоянный химический состав; ° устойчивость при хранении и введении в организм; ° низкая токсичность, включая нейротоксичность; ° фармакокинетическое поведение должно включать высокую селективность накопления в опухолях по сравнению с окружающими нормальными тканями и сравнительно быстро выводиться из организма; ° слабое накопление в коже; ° высокий квантовый выход триплетного состояния с энергией не меньше 94 кДж/мол для эффективного образования синглетного кислорода; ° в спектре возбуждения должен быть интенсивный максимум в диапазоне 700...900 нм.
Последнее требование основано на особенностях спектрального пропускания кожей света: УФ-излучение пропускается намного хуже, чем ИК-излучение. При обширных опухолях глубинные их участки не затрагиваются облучением, что может приводить к повторным метастазам, поэтому для увеличения эффективности ФДТ длина волны облучения должна находиться в области наибольшей прозрачности биотканей. 3.11. ФОТОСИНТЕЗ КАК ПРИМЕР ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ БИООБЪЕКТАМИ Для живых существ пригодна только световая и химическая энергия.
Те организмы, которые синтезируют все необходимые им органические вещества за счет энергии света, называются фототрофными 1фототрофами), а те, которым для этого нужна химическая энергия, — хемотрофными 1хемотрофами) [431. Для фототрофов характерно наличие пигментов, поглошающих энергию света и превращающих ее в химическую энергию в ходе 124 процесса фотосинтеза 136, 42, 44, 451, на который затрачивается энергия около 1 % лучей, дошедших до Земли, что позволяет свя- 12 зывать около 75 10 кг углерода в год. Фотосинтез в зеленых растениях определяет существование всех форм жизни, поскольку именно фотосинтез дает атмосферный кислород.
Уравнение фотосинтеза: сс н с~(сн сь+с~ 470 см! Кислород является отходом фотосинтеза, а углевод — полезным продуктом. Спектром действия' фотосинтеза называется зависимость скорости приращения количества кислорода Ю„от числа поглощенНЫХ КВаНтОВ А1И ДЛИНЫ ВОЛНЫ ), т. Е. фуНКцИя 7' 1)с) = )Уд! А1. Если 7ч'д — число молекул кислорода, выделяемых в 1 с, и†число квантов, поглощаемых в 1 с, то 1'1Х) =т)фс(Х) — квантовый выход фотосинтеза. На рис. 3.16 и 3.17 показаны спектры действия фотосинтеза для зеленых растений и хлореллы. На рис, 3.16 видно, что спектр действия фотосинтеза практически совпадает со спектром поглощения хлорофилла.
При выделении одной молекулы кислорода поглощается 8 квантов. с с с с с о 8 Я 400 500 600 700 2с, нм Рис. 3.16. Спектр поглощения 11) в спектр действия (2) фотосинтеза зеленых растений ' См, определение понятия спектр биологического действия в 3.3. 125 о,оа 0,06 фермента для зеленых растений сф = (Хл11300 ((Хл1 — концентрация хлорофилла). Тогда о = 50 — м 0,02~Хл]с [Хл~ л.300 0,04 400 440 520 600 7., км Рис.
3.17. Квантовый выход фотосинтеза для хлореллы Скорость фотосинтеза зависит от интенсивности падающего света 1 = )УЬм. Для количественного определения скорости фотосинтеза можно воспользоваться эмпирической формулой: (кф 7л)сф1 Км.1 Здесь Ьф — константа скорости ферментативной реакции (образо- вания некоего субстрата из СО2 и Н20 при участии хлорофилла с последуюшим выделением 02).
Субстрат образует слабо связанный комплекс, распадаюшнйся на углеводные фрагменты и кислород. Для производства одной молекулы 02 требуется в среднем и = 8 молекул субстрата, а на один ферментативный комплекс (неустойчивую молекулу субстрата) требуется от 50 до 300 молекул хлорофилла; сф — концентрация фермента; Км — постоянная, имеюшая смысл концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной (константа Михаэлнса). При большой интенсивности падающего света 1 » Км наступает йфсф насышение: пп,х = .
Экспериментально /сф можно опреде- п лить, измеряя зависимость выхода 02 от продолжительности интервалов времени между короткими вспышками света. Эмпирически определено среднее время превращения одной молекулы субстрата: 1д - -0,02 с. Отсюда Ьф = 1,~ = 50 с . Концентрация 126 Итак, максимальная скорость фотосинтеза при 1 = сопз1 равна одной молекуле кислорода на молекулу хлорофилла за 50 с. У эукариот (зеленые растения) фотосинтез происходит в хлоропластах, которые рассеяны в цитоплазме.
Они содержат хлорофилл и другие пигменты, локализованные в системе мембран, погруженных в основное вещество — строму. Световые реакции фотосинтеза происходят именно в системе мембран. В строме происходят темновые реакции. К фотосинтетическим пигментам высших растений относятся хлорофилл и каротиноиды. Их роль заключается в поглощении света и преврашении его энергии в химическую энергию.
Различают следующие формы хлорофилла: а, Ь, с, И; бактериохлорофилла: а, Ь, с, 1; каротиноида: каротины, ксантофиллы (кислородсодержашие каротиноиды), 15-каротин. Хлорофиллы поглошают главным образом красный и сине-фиолетовый свет (см. рис, 3.16), зеленый свет онн отражают. Этим обусловлена зеленая окраска листьев большинства растений.
Каждая форма хлорофилла отличается друг от друга по положению максимума поглошения в красной области оптического спектра: 670, 680, 690 и 700 нм. В темноте молекула хлорофилла находится на нижнем (основном) уровне 50 (рис. 3.18) Полосы поглощения хлорофилла, соответствуюшие переходам из основного состояния 50 в возбужденные 5* и 51 (50-+5 и 50 — +51), лежат в красной и синей областях спектра. Обратные переходы 5 -+ 50 и 51 -+ 50 являются соответственно флуоресцентным и безызлучательным. Возможен конверсионный переход 5 — > Т. Уровень Т вЂ” метастабильнын, поскольку излучательный переход Т -+ 50 запрешен по спину, поэтому молекула хлорофилла долго пребывает в Т-состоянии, из которого возможно поглошение с переходом на более высокий уровень Т (Т вЂ” > Т ).
Вследствие неспаренности электронов в Т-состояниях именно этот факт обусловливает возбуждение химических реакций. 127 Рнс. 3.18. Схема низших возбужденных уровней хлорофилла При поглощении света хлорофилл переходит в возбужденное состояние с потерей электрона (т. е. хлорофилл является донором электрона), который будет принят другой молекулой — акцептором электрона. Хлорофилл при этом окисляется, а акцептор восстанавливается: Хл — — + Хл -ье яу воссмановяенкая окисленная форма форма Световые реакции.
Существует два типа фотосинтетических единиц (фотосистемы 1 и П), которые состоят из набора молекул пигментов, передающих энергию одной молекуле главного пигмента (ловушке), называемой реакционным центром (Р680 и Р700 на рис. 3.19). В нем энергия используется для осуществления химических реакций. Здесь происходит преобразование световой энергии в химическую — главное событие фотосинтеза. ФСП ФС1 )я й 06 й„оД зе 03 я б 0,6 М о ну) ФС Ц ФС! Р700 луг,5 0,9 г Н20 Рве 3 20 я, схема фотосинтеза Оптимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается при определенном соотношении между количеством возбужденных фотосистем 1 и П (ФС! и ФСП), которое зависит от спектрального состава света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
