Физико-химические основы фотобиологических процессов. Спектр фотобиологического действия

Изучение фотобиологических процессов является важной задачей современной биофизики. К области фотобиологии относится раздел биологической науки, согласно которому исследуются закономерности и механизм действия света на биологические системы, имеющие различную сложность организации.

В последнее время было получено много новой информации, благодаря которой существенно расширяется наше представление о фотобиологических процессах и возможностях их использования в терапии.

Биофизика занимается изучением преимущественно первичных стадий взаимодействия квантов света с биологическими структурами: макромолекулами, мембранами, клетками и тканями. Благодаря знанию первичных стадий фотобиологических процессов, требуемых для понимания следующих явлений – зрения, фотосинтеза, повреждающего и лечебного действия ультрафиолетового (УФ) и лазерного излучений и т. д. Без него невозможным является применение достижений фотобиологии во многих разделах медицины, которые представлены следующими: фототерапией, фотохимиотерапией, хирургией и терапией с использованием лазерного излучения, а также в лабораторной диагностике, основанной на применении спектрального и люминесцентного анализов [4].

 

Фотобиологические процессы представлены процессами, которые начинаются с поглощения кванта света биологически важной молекулой и заканчиваются какой-либо физиологической реакцией (позитивной или негативной) на уровне организма [1].

В зависимости от воздействия на организм фотобиологические процессы возможно разделить на две группы:

1) позитивные фотобиологические процессы у человека и животных представлены зрением; фотопериодизмом; образованием витамина D из его провитаминов;

2) негативные фотобиологические процессы представлены:

- фототоксическими эффектами (световыми повреждениями глаз и кожи, проявляющимися в форме помутнения хрусталика, эритемы, пигментации кожи); бактерицидным действием (имеет и положительное значение); канцерогенным действием ультрафиолетового излучения;

- фотоаллергическими эффектами – увеличением чувствительности организма к некоторым аллергенам в результате воздействия света [5].

В настоящее время широкое применение получило применение 

Условно всякий фотобиологический процесс может быть представлен несколькими стадиями:

1) поглощением кванта света молекулой;

2) внутримолекулярными процессами обмена энергией (фотофизическими процессами);

3) межмолекулярными процессами переноса энергии возбужденного состояния;

4) первичным фотохимическим актом, сопровождающимся образованием короткоживущих, нестабильных фотопродуктов;

5) темновыми реакциями, заканчивающимися образованием стабильных продуктов;

6) биохимическими реакциями с участием фотопродуктов;

7) общефизиологическим ответом на действие света.

Следовательно, для фотобиологической реакции в начале свойственен чисто физический, а в конце – чисто биологический характер [2, 3]. 

В общем случае, спектр фотобиологического действия представляет собой зависимость фотобиологического эффекта от длины волны поглощаемого света.

С целью получения этой характеристики, требуется осуществить выбор меры для проведения количественной оценки фотобиологического действия излучения и разработки способ ее измерения.

Так, например, в случае исследования гибели бактерий под действием УФ-излучения как меры фотобиологического действия был выбран логарифм отношения численности колонии бактерий до и после облучения – ln(N0/N). Численность колоний определялось согласно количеству поглощенной «пищи». Спектр гибели бактерий, который был получен таким образом, совпал со спектром поглощения нуклеиновой кислоты. На основании этого был сделан вывод о том, что гибель бактерий под действием УФ-излучения взаимосвязана с повреждением именно нуклеиновых кислот.

Максимумы обоих спектров приходятся на длину волны 265 нм. В связи с этим с целью обеззараживания помещений применяют ртутные бактерицидные лампы, которые дают УФ-излучение с длиной волны 254 нм, близкой к максимуму спектра действия бактерицидного эффекта [5].

Спектр поглощения ДНК является широкой неструктурированной полосой и расположен в области 200-315 нм с максимумом около 260 нм. Спектры поглощения других биологически важных молекул (белков, коферментов, пигментов и т.д.) также представляют собой широкие полосы, но по положению для них свойственны отличия от спектров ДНК. Способность к поглощению света и положения полосы поглощения определяются, в первую очередь, тем, каким образом связаны между собой в молекулах атомы углерода. На рисунке 3 представлены несколько примеров спектров поглощения.

В результате проделанной работы были рассмотрены физико-химические основы фотобиологических процессов, а также спектр фотобиологического действия.

Фотобиологические процессы представлены процессами, которые начинаются с поглощения кванта света биологически важной молекулой и заканчиваются какой-либо физиологической реакцией (позитивной или негативной) на уровне организма. В качестве важнейшей характеристики фотобиологического процесса в целом и его первичной стадии, в частности, выступает квантовый выход фотохимической реакции. Характеристикой светового излучения является длина волны λ, (нм, мкм, м) электромагнитные колебания, частота v (с-1) и энергия квантов света, или фотонов, Е (Дж). Экспоненциальная зависимость интенсивности прошедшего света от концентрации и толщины слоя вещества определяется вероятностным характером процесса. Выполнение закона Бугера-Ламберта-Бера происходит не всегда.

В общем случае, спектр фотобиологического действия представляет собой зависимость фотобиологического эффекта от длины волны поглощаемого света. По мере увеличения дозы наблюдается возрастание эффективности фотобиологических процессов.