Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

новичем с сотр. показано, что высокий квантовый выход (около 2) сенсибилизированного пигментами фотоокисления тиомочевины (реакция Варбурга), оцениваемый по расходу кислорода, связан с двухзтапностью процесса. Оказалось, что кислород потребляется не только в ходе самой фотохимической реакции, но и на последующей темновой стадии. В результате на окисление одной молекулы тиомочевины расходуется две молекулы кислорода.

К фотодинамическому действию чувствительны практически все биологические объекты: биологические молекулы различных размеров, биополимеры, внутриклеточные органеллы, клетки, ткани, вирусы растений, фаги, микроорганизмы, высшие и низшие растения, беспозвоночные и позвоночные животные.

Следует подчеркнуть, что при фотодинамическом действии на организмы и клетки могут повреждаться любые функции и структуры, свойственные живой материи. Так, наблюдаются летальные (бактерицидное действие, инактивация фагов и т. д.), лизогенные, мутагенные, канцерогенные эффекты, нарушение и стимуляция деления клеток, хромосомные аберрации, подавление фотосинтеза, реакции Хилла, синтеза ДНК, РНК и белка, угнетение гликолиза, дыхания, окислительного фосфорилирования, деструкция ферментов и нуклеиновых кислот, нарушение проницаемости мембран, подавление двигательной активности, эритема, некрозы и эдема кожи, сенсорная стимуляция, изменение температуры и артериального давления крови, аллергия, циркулярный коллапс и т. п.

Понятно, что для каждого отдельного сенсибилизатора и биологического объекта первично повреждаются не все, а одна или несколько определенных, наиболее чувствительных жизненно важных структур (функций). Следствием первичного повреждения «слабого места» являются нарушение других структур (функций) и в пределе гибель клетки или организма. Какие молекулярные структуры клетки повреждаются в первую очередь, определяется, с одной стороны, природой красителя, с другой -—особенностями биологического объекта: проницаемостью клеток для хромофора и его микрорас* пределением внутри клетки (комплексирование с макромолекулами). Иными словами, в каждом конкретном случае (определенный краситель и определенный биологический объект) могут первично повреждаться самые различные молекулярные структуры: структурные белки мембран, различные ферменты, фосфолипиды, РНК, ДНКПрирода акцептора фотодинамически активного света очевидна. Это проникший в клетку хромофор (краситель). Поэтому спектры действия фотодинамического повреждения должны совпадать со спектрами поглощения красителя, что и наблюдается в эксперименте.

Во многих случаях фотодинамическое повреждение биологических объектов протекает по одноквантовому одноударному механизму. Однако у некоторых микроорганизмов сенсибилизация летального и мутагенного действия света имеет различные механизмы. Например, у нейроспоры фотодинамический бактерицидный эффект — одноударный, а мутагенный — двухударный процесс. Наконец, если кванты света через фотодинамический эффект адресуются ферментам, содержание которых в клетке велико (например, данный фермент представлен 1000 молекулами), то фотодинамическое действие будет протекать по многоударному механизму, поскольку инактивация одной или нескольких молекул не приведет к гибели клетки. Наоборот, гибель клеток или фагов в результате фотодинамического повреждения ДНК является, как правило, одноударным процессом.

Из сказанного ясно, что цепь событий, ведущих к биологическому эффекту, начинается с образования синглетного возбужденного состояния красителя. Однако непосредственно участвуют в первичных фотохимических реакциях не синглетные, а триплетные возбужденные молекулы. Участие триплетного состояния красителя в фотосенсибилизированном окислении доказывается следующими опытами: 1) по дезактивации триплетных и синглетных состояний различными тушителями, в которых показан параллелизм между тушением фосфоресценции и уменьшением квантового выхода фотоокисления ряда органических веществ; 2) в которых выявлена способность акцепторов, уменьшающих заселенность триплетных уровней красителя за счет три-плет-триплетной миграции, снижать концентрацию радикалов, участвующих в реакции окисления; 3) по идентификации триплетных состояний методом флеш-фотолиза при сенсибилизированном окислении яичного альбумина, аминокислот и других органических молекул, а также нуклеиновых кислот; 4) где показана способность возбужденной свободно диффундирующей молекулы красителя инактивировать белок при столкновении с ним спустя время, за которое синглетное состояние полностью дезактивируется. Действительно, рост квантового выхода сенсибилизированной инактивации пепсина и миозина прекращается после достижения концентрации белка 10-4 М, при которой среднее время между столкновениями молекул белка и красителя намного больше (около 10~5 с), чем время жизни синглетного состояния (10~9 с).

Участие триплетных состояний красителей предусматривается во всех предложенных схемах фотодинамического действия:

I. S0 + hv + Sl-+Tlt rj + flHj-^Se + flHj, *Н* + 02-*Р;

II. S0 + hv S\ -* Tlt 7\ + RH2 - S0H2 + Rt

S0H2 + o2 -+ S0 + H2O2;

III. S0 + hv^S\-^Tlt 7\ + Оа^50 + о;, RH2 + 0*2^P;

IV. Se + Av- S\ -> Tu T1 + 02^SfiOf RH2 + S0OO-»P + S0;

V. S0 + RU2 - S0/?H2, S0№2 + hv -v Sj *H2 -> 7У?Н„

7y?H2 + O2-*S0-fP,

где S0 — краситель; P —продукт; S* и ТГ— первые син-глентные и триплетные возбужденные состояния соответственно; RH2— субстрат; RHL— возбужденный субстрат;

R — окисленная форма субстрата; Ог — возбужденная реактивная форма кислорода, скорее всего синглетная; S0H2 — фотовосстановленная форма красителя; Как видно из схем, краситель выступает в роли три-плетного фотокатализатора и регенерируется в конце реакции. Для всех пяти схем обязательным является участие кислорода *), который реагирует либо с возбужденным за счет миграции энергии субстратом (V), либо с восстановленным (II), или «триплетным» (IV) красителем. Наконец, может иметь место реакция между возбужденным кислородом и субстратом (III).

Окислительные повреждения субстрата в реакциях фотодинамического действия осуществляются высокореак*> Обычное состояние кислорода триплетное. Синглетный кислород обладает повышенной реакционной способностью.

ционным синглетным кислородом, или супероксидным

радикалом 07- Синглетный кислород способен существовать в двух возбужденных состояниях, одно из которых обладает продолжительным временем жизни и возникает при переносе энергии с триплетного возбужденного состояния на кислород: SS + 302 SQ + Ю2. Затем уже синглетный кислород окисляет субстрат: Р + Ю2 Р0Кисл-Признаками участия синглетного кислорода являются усиление фотоокисления веществ после замены Н20 (Ti0i = = 20 мкс) на D20 (TIO2 = 2 мкс) и замедление реакции после добавления азида натрия.

Супероксидный радикал кислорода возникает в реакциях анионрадикала красителя и его триплетного состояния с кислородом: 'ST + 02 ~> S0 + '07 или 85 + 302 -»- "5+ + "07- Он обладает способностью эффективно окислять субстрат: Р + '07 Р0КжлСледует отметить, что (3-каротин, являющийся дезак-тиватором триплетных состояний и синглетного кислорода, резко тормозит фотодинамическое действие света.

Приведенные схемы могут быть дополнены еще одной, описывающей фотосенсибилизированные реакции в анаэробных условиях:

/ \

/ \

VI. ^QH2+X-*P;

ч /

X /

\ /

где X — семиокисленный эозин; R — семихинон эозина; L — лейкооснование эозина; QH — субстрат; QH2 и Q — восстановленная и окисленная формы субстрата соответственно. И в этом случае фотодинамическое действие реализуется через триплетное состояние красителя.

1. Общая характеристика

343

Приведенные схемы предусматривают также, что первичная фотохимическая реакция при фотодинамическом действии сводится к окислительно-восстановительным превращениям. Можно думать, что в большинстве случаев реакции идут через свободнорадикальные промежуточные состояния субстратов, как это установлено, например, для фенола, тирозина и триптофана.

В качестве партнеров по окислительно-восстановительным превращениям в парах краситель — субстрат (схемы I—V) могут выступать самые разнообразные биологически важные вещества. При этом наиболее эффективно будут разрушаться те вещества, с которыми краситель из-за повышенного сродства либо образует комплекс, либо находится в непосредственной близости. В многочисленных опытах in vitro удалось показать, что фотодинамическим путем окисляются практически все биологически важные вещества: органические кислоты, спирты, альдегиды, кетоны, амины, эфиры, фенолы, пи-роллы, индолы, азотистые гетероциклические соединения, стероиды, аминокислоты (цистеин, триптофан, тирозин и др.), пурины, нуклеиновые кислоты и белки.

В заключение коротко остановимся на фотосенсиби-лизированных фурокумаринами реакциях, протекающих без участия кислорода. К фурокумаринам относятся вещества из группы псоралена. Наибольшей фотобиологической активностью обладают псорален, 8-метилпсорален, 8 - м ето кси псо р а л ен:

сн3 осн5

AVV° AVV r-VVv0

Псорален 8- Метилпсорален 8-Метоксилсорален

оказывающие фотосенсибилизирующий эффект при введении в самые различные биологические системы. Например, в их присутствии облучение ближним УФ-светом (Я>310 нм) вызывает эритему кожи, инактивацию вирусов, бактериальных и животных клеток. Установлено, что эти эффекты не фотореактивируются.

Как показали исследования Мусайо и Г. Б. Завиль

3. БЕЛКИ

К настоящему времени опубликовано огромное количество работ, в которых исследовано фотодинамическое действие различных сенсибилизаторов на аминокислоты, пептиды и белки. В этом плане изучено уже более 100 очищенных белков. Основные результаты можно обобщить следующим образом.

Фотодинамически активные красители повреждают белок либо в адсорбированном на макромолекуле состоянии, либо в момент столкновения возбужденной молекулы красителя с белк

страница 61
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(20.11.2019)