книги / Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами. Воздействие ионизирующего и оптического излучения

Рис. 3.14. Спектр поглощения одной из ПГП

При облучении тканей с накопленным фотосенсибилизатором начинается фотохимическая реакция с участием синглетного кис­ лорода, который вызывает повреждение клетки.

Квант света возбуждает первый синглетный уровень ^ фото­

где Vj, v2 - частоты флуоресценции и фосфоресценции с уровней

5] и 7] на основной уровень SQ; - константы скоростей пере­

хода. Они обратно пропорциональны времени жизни на соответст­

вующем уровне: ко ~ 10*6 1/с; к^~ 1012 1/с; kj-~ 108... 109 1/с;

*9 ~103...104 1/с.

Для большинства порфиринов квантовый выход интерконвер­ сии уик близок к единице:

К

Тик , , • kr + kf

Следовательно, большая часть возбужденных в состояние молекул переходит в состояние Т\, остальные высвечиваются в процессе флуоресценции. Излучательное время жизни уровня Т\

(фосфоресценция) достаточно велико: хт= Mkq = 10_3... Ю ^с, следовательно, возможен безызлучательный механизм передачи

121

энергии другим молекулам, в частности кислороду в основном со­ стоянии О2 (см. 3.5). При этом он переходит на один из возбуж­

денных синглетных уровней, что подтверждается наличием характерных полос люминесценции кислорода [39].

Рис. 3.15. Схема передачи энергии возбуждения от фотосенсибилизатора к синглетному кислороду

возможна аккумуляция молекул кислорода в состоянии lAg . Ха­

рактерное время жизни синглетного состояния ]Ag кислорода в

жидкой среде сильно зависит от типа среды и может меняться в пределах 1...10-5 с. При наличии в среде возбужденных молекул фотосенсибилизатора в состоянии 7], энергия которого близка к

1.

энергии состояния Ag, весьма вероятно перекрытие электронных оболочек молекул фотосенсибилизатора и кислорода с резонансным

122

Синглетный кислород весьма активно взаимодействует с внут­ риклеточными веществами. При этом возможен как физический ме­ ханизм передачи возбуждения (по типу передачи энергии от фото­ сенсибилизатора к самому кислороду без изменения химического состава), так и химический, при котором кислород вступает в реак­ цию с соответствующим веществом. Преобладание физического механизма означает отсутствие фотодинамического эффекта (ФДЭ), что имеет место в отсутствии фотосенсибилизатора, когда синглет­ ный кислород образуется под влиянием естественных факторов (на­ пример, при повышенном солнечном облучении). Для реализации же ФДЭ необходимо включение химического механизма, при кото­ ром в реакцию с возбужденным кислородом *02 вступают ненасы­

щенные соединения, входящие в состав белков и липидов. Защитные ресурсы клетки, препятствующие нарушению ее ме­

таболизма, достаточно велики. Количество молекул *02 внутри

о

клетки, вызывающее ее гибель, составляет 5,3-10 . Летальная доза света с учетом потерь энергии 109... 1011 квантов на клетку. Про­ изводные гематопорфирина имеют квантовый выход реакции об­ разования синглетного кислорода *02 порядка 0,75. Таким обра­ зом, ФДЭ представляет собой «резонансное усиление» возбуждения, передаваемого от электромагнитного излучения к синглетному кислороду, за счет фотосенсибилизатора. Коэффициент «резонансного усиления» составляет 108-10 9.

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 воз­ действии (ФДВ) происходит повреждение мембраны клеток, выра­ жающееся в окислении липидов и белковых компонентов мембра­ ны, что ведет к увеличению проницаемости мембраны и нарушению ионного транспорта. В липидах высокую чувствительность к сенси­ билизированному фотоокислению проявляют ненасыщенные жир­ ные кислоты и холестерин. При этом имеет место свободно­ радикальное перекисное фотоокисление липидов. Оно вызывает увеличение вязкости липидной фазы мембраны, а также ее струк­ турные изменения, что приводит к резкому снижению барьерных свойств липидных бислоев. В мембранных белках фотосенсибипи-

123

зированные изменения проявляются в образовании ковалентных сшивок между различными полипептидными цепями. В основе сшивания полипептидов лежат фотодинамические процессы, ини­ циируемые 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 на­ рушений 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 окружаю­ щими нормальными тканями и сравнительно быстро выводиться из организма;

•слабое накопление в коже;

•высокий квантовый выход триплетного состояния с энерги­ ей не меньше 94 кДж/мол для эффективного образования синглетного кислорода;

•в спектре возбуждения должен быть интенсивный максимум

вдиапазоне 700.. .900 нм.

Последнее требование основано на особенностях спектрально­ го пропускания кожей света: УФ-излучение пропускается намного хуже, чем ИК-излучение. При обширных опухолях глубинные их участки не затрагиваются облучением, что может приводить к по­ вторным 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 (фототрофами), а те, которым для этого нужна химиче­ ская энергия, - хемотрофными (хемотрофами) [43].

Для фототрофов характерно наличие пигментов, поглощающих энергию света и превращающих ее в химическую энергию в ходе

124

процесса фотосинтеза [36, 42, 44, 45], на который затрачивается энергия около 1 % лучей, дошедших до Земли, что позволяет связывать около 75 *1012 кг углерода в год. Фотосинтез в зеленых

растениях определяет существование всех форм жизни, поскольку именно фотосинтез дает атмосферный кислород.

Уравнение фотосинтеза:

С 02 + Н20 - - У- хло-^оф- >(СН20)„ + 0 2 +470 кДж/моль.

Кислород является отходом фотосинтеза, а углевод - полезным продуктом.

Спектром действия* фотосинтеза называется зависимость ско­ рости приращения количества кислорода NK от числа поглощен­

ных квантов N и длины волны Я., т. е. функция /(Я .) = NK/N.

Если NK - число молекул кислорода, выделяемых в 1 с, N -

число квантов, поглощаемых в 1 с, то /(Я .) = г|фс(Я.) - 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 спек­ тром поглощения хлорофилла. При выделении одной молекулы кислорода поглощается 8 квантов.

Рис. 3.16. Спектр поглощения (/) и спектр действия (2) фотосинтеза зеленых растений

* См. определение понятия спектр биологического действия в 3.3.

125

Рис. 3.17. Квантовый выход фотосинтеза для хлореллы

Скорость фотосинтеза зависит от интенсивности падающего света I = Nkv. Для количественного определения скорости фото­ синтеза можно воспользоваться эмпирической формулой:

(&ф / п)дф1

Здесь кф - константа скорости ферментативной реакции (образо­

вания некоего субстрата из СО2 и Н2О при участии хлорофилла с последующим выделением О2). Субстрат образует слабо связан­

ный комплекс, распадающийся на углеводные фрагменты и кис­ лород. Для производства одной молекулы О2требуется в среднем

п = 8 молекул субстрата, а на один ферментативный комплекс (не­ устойчивую молекулу субстрата) требуется от 50 до 300 молекул хлорофилла; Сф - концентрация фермента; Км - постоянная,

имеющая смысл концентрации субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной (константа Михаэлиса).

лить, измеряя зависимость выхода О2 от продолжительности ин­

тервалов времени между короткими вспышками света. Эмпири­ чески определено среднее время превращения одной молекулы

субстрата: td «0,02 с. Отсюда Аф ~ ~ 50 с~*. Концентрация

126

фермента для зеленых растений Сф = [Хл]/300 ([Хл] - концентра­ ция хлорофилла). Тогда

vmax *50 -^ 1 -« 0 ,0 2 Г Х л 1 с-1. тах л-300 L J

Итак, максимальная скорость фотосинтеза при I = const равна одной молекуле кислорода на молекулу хлорофилла за 50 с.

У эукариот (зеленые растения) фотосинтез происходит в хлоропластах, которые рассеяны в цитоплазме. Они содержат хлоро­ филл 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 све­ та и превращении его энергии в химическую энергию. Различают следующие формы хлорофилла: a, b, с, d\ бактериохлорофилла:

а, Ь, с, d\ каротиноида: каротины, ксантофиллы (кислородсодер­

жащие каротиноиды), Р-каротин. Хлорофиллы поглощают главным образом красный и сине-фиолетовый свет (см. рис. 3.16), зеленый свет они отражают. Этим обусловлена зеленая окраска листьев большинства растений. Каждая форма хлорофилла отличается друг от друга по положению максимума поглощения в красной области оптического спектра: 670, 680, 690 и 700 нм.

В темноте молекула хлорофилла находится на нижнем (основ­ ном) уровне So (рис. 3.18). Полосы поглощения хлорофилла, соот­

ся соответственно флуоресцентным и безызлучательным. Возможен конверсионный переход S* -> Т. Уровень Т - метастабильный, по­ скольку излучательный переход Т —> SQ запрещен по спину, поэто­ му молекула хлорофилла долго пребывает в Г-состоянии, из которо­ го возможно поглощение с переходом на более высокий уровень

Т*(Т —» Т*). Вследствие неспаренности электронов в 7’-состояниях именно этот факт обусловливает возбуждение химических реакций.

127

7”

Фотохимическая

реакция

А______

Рис. 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 восстанав­ ливается:

Хл

Световые реакции. Существует два типа фотосинтетических единиц (фотосистемы I и II), которые состоят из набора молекул пигментов, передающих энергию одной молекуле главного пиг­ мента (ловушке), называемой реакционным центром (Р680 и Р700 на рис. 3.19). В нем энергия используется для осуществления хи­ мических реакций. Здесь происходит преобразование световой энергии в химическую - главное событие фотосинтеза.

Рис. 3.19. Два типа фотосинтетических единиц

128

Оптимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается при оп­ ределенном соотношении между количеством возбужденных фо­ тосистем I и II (ФС1 и ФСП), которое зависит от спектрального состава света. Свет поглощается обеими системами одновременно, но в разной степени. При смещении к красной границе видимого спектра система ФС1 получает избыточную энергию, а ФСИ - не­ достаточную. Баланс улучшается при смещении к синей границе. При изменении интенсивности падающего света энергия перерас­ пределяется между ФС1 и ФСП.

Фотосистемы I и II взаимодействуют последовательно в так на­ зываемой Z-схеме фотосинтеза; восстановленные продукты ФСП служат донорами электронов для ФС1. Возбуждение светом, кото­ рый в основном поглощается ФСП, приводит к восстановлению промежуточных переносчиков, а возбуждение ФС1 - наоборот, к их окислению (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Z-схема фотосинтеза

Поглощение света происходит пигментами светособирающего (СС) пигмент-белкового (ПБ) комплекса (ССПБК) фотосинтетических единиц, из которого, как из резервуара, энергия возбуждения передается на антенный ПБК ФС1 и ФСП и далее непосредственно к реакционным центрам Р700 и Р680. Основной принцип работы реакционных центров состоит в том, что возбуждение фотоактивного пигмента приводит к отрыву от него электрона и восстанов­ лению первичного акцептора, который потом передает электрон к следующему акцептору и далее - в электронно-транспортную цепь Z-схемы. При этом вероятность переноса электрона с возбужден-

129

5 - 3062

ного уровня реакционного центра на первичный фотохимический акцептор намного выше, чем вероятность излучательной или безы­ злучательной диссипации энергии. Доставка энергии электрона возбуждения к реакционным центрам ФС1 и ФСП высших расте­ ний и реакционному центру бактериального фотосинтеза осущест­ вляется за счет миграции энергии в светособирающей антенне пу­ тем безызлучательного переноса. Системы ФС1 и ФСП пространственно разобщены, что затрудняет миграцию энергии электрона возбуждения между ними. Миграция происходит по ме­ ханизмам индуктивного резонанса, а в пределах одного комплекса, где расстояния между молекулами пигментов составляют 0,9... 1,4 нм, она носит экситонный характер. В таких системах делокализа­

ция экситона происходит за 10~13... 10-14с.

Функциональное биологическое назначение светособирающей антенны состоит в повышенной эффективности использования по­ глощенных квантов. Среднее время, необходимое для утилизации энергии кванта света (выделение молекулы О2), составляет

0,01...0,02 с. Время регенерации фотоактивного пигмента реакци­ онного центра намного меньше (< 10~6с). При ярком дневном свете каждая отдельная молекула хлорофилла будет поглощать не более 1... 10 квант/с, а при обычной интенсивности света - еще меньше. В этом случае реакционный центр, практически лишенный собствен­ ной светособирающей антенны и включающий в свой состав фотоактивный пигмент, будет значительную часть времени «простаи­ вать». Объединение многих десятков молекул пигменггов в фотосинтетическую единицу, обслуживающую фотоактивный пиг­ мент, предотвращает такого рода потери. Экспериментально пока­ зано, что время жизни т синглетного возбужденного состояния хло­ рофилла в растворе составляет 5 нс, а в хлоропластах оно сокращается в 20 - 30 раз (рис. 3.21). Очевидно, что при попадании возбуждения в реакционный центр происходит эффективный про­ цесс использования электронной энергии состояния S) в первичном акте фотосинтеза. Тем самым, время пребывания хлорофилла в воз­ бужденном состоянии S] в листе сокращается.

Перенос электронов приводит к образованию АТФ* (фотофос­ форилирование) и НАДФ- Н2:

* АТФ - аденозинтрифосфат

130