Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Закон Стокса: спектр люминесценции сдвинут в длинновол­новую область относительно спектра поглощения того же соеди­нения.




На рис. 24.10приведены спектры поглощения и флуоресцен­ции антрацена. Причина сдвига спектров заключается в том, что электронный переход при поглощении происходит с нижнего ко­лебательного уровня основного состояния на любые колебатель­ные уровни возбужденных электронных уровней (рис. 23.16).При этом часть энергии возбуждения молекул переходит в теп­ло (направленные вниз волнистые стрелки), и они оказываются на нижнем колебательном уровне нижнего возбужденного элек­тронного состояния. Излучение происходит только с такого уров­ня на любые колебательные подуровни основного состояния. Дли­на стрелок, изображающих поглощательные и излучательные переходы в молекуле, пропорциональна энергии поглощенных или излученных фотонов. Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощен­ных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямые стрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превра­щение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепло­вую энергию окружающих молекул:

Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощен­ных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямые стрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превра­щение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепло­вую энергию окружающих молекул.

Форма спектра люминесценции (правило Каши) и квантовый выход люминесценции (закон Вавилова) не зависят от длины волны возбуждения люминесценции.Причина этого в том, что излучение люминесценции происходит всегда с нижнего колеба­тельного уровня нижнего возбужденного электронного состояния, независимо от того, на какой уровень молекула была возбуждена после поглощения. Спектр фотолюминесценции по форме совпада­ет со спектрами других типов люминесценции данного вида моле­кул, т. е. форма спектра люминесценции не зависит от способа воз­буждения молекулы.

Спектральное положение полосы флуоресценции (как и длин­новолновой полосы поглощения) зависит от длины системы со­пряженных двойных связей l: чем больше l, тем большей длине волны соответствует максимум флуоресценции lmах. Кроме того, на положение lmах (а также на квантовый выход) флуоресценции некоторых молекул могут сильно влиять свойства окружающей среды. Так, например, для диметиламинохалкона в гептане (ди­электрическая проницаемость гептана e = 1,9) lmах = 436 нм, а в воде (e = 81) lmах = 560 нм. Чувствительность параметров флу­оресценции молекул к особенностям среды (диэлектрической про­ницаемости, вязкости и др.), в которой они оказались, использу­ется в биологии и медицине.

Если флуоресцирующие молекулы вводятся в исследуемую систему как индивидуальные вещества, которые затем сами в со­ответствии со своими свойствами распределяются в ней, то такие молекулы называют флуоресцентными зондами. Примером применения флуоресцентных зондов может служить внутривен­ное введение пациентам флуоресцеина. Этот краситель не токси­чен, обладает очень высоким квантовым выходом флуоресценции (около 90%). Он с током крови разносится по всему организму и диффундирует в дерму и эпидермис. Флуоресцеин возбуждают не­видимым глазом ближним УФ-светом (365 нм) и наблюдают его зеленую флуоресценцию. По скорости появления флуоресценции в поверхностных тканях судят об участках тела с пониженным кровообращением, в них флуоресцеин появляется позже, чем в участках тела с нормальным кровообращением.

 

В других случаях флуоресцирующие красители ковалентно связывают с какими-либо молекулами и затем вводят их в иссле­дуемую систему. Такие молекулы называют флуоресцентными метками. Примером может служить использование флуорес­центно-меченых антител. Если добавить такие антитела к суспен­зии смеси клеток, то они связываются только с теми из них, на поверхности которых находятся специфические к данному анти­телу антигены. Возникает яркая флуоресценция определенных клонов клеток, хорошо видная в люминесцентных микроскопах, в которых в отличие от обычных источников света, как правило, используют ртутные лампы высокого и сверхвысокого давлений и применяют два светофильтра. Один из них, расположенный перед конденсором, выделяет область спектра источника света, которая вызывает люминесценцию объекта; другой, находящийся между объективом и окуляром, выделяет свет люминесценции. Подсчет таким образом меченных флуоресцирующих клеток используется в иммунологических исследованиях крови.

На основе фотолюминесценции созданы источники света, спектр которых больше соответствует дневному свету, чем у ламп накаливания. Это имеет значение как для производственных це­лей, так и для гигиенических. В таких люминесцентных лам­пах, называемых лампами дневного света, происходит электри­ческий разряд в парах ртути при низком давлении (электролю­минесценция). На внутренней поверхности лампы, сделанной из обычного стекла (рис. 24.11), нанесен тонкий слой люминофора, который фотолюминесцирует под воздействием излучения паров ртути.

 

Изменяя состав люминофора, мож­но подобрать наиболее подходящий спектр фотолюминесценции. На рис. -24.12 показан один из возможных спектров, интенсивные линии соот­ветствуют спектру паров ртути, излу­чение которых частично проходит че­рез люминофор.

 

 

§ 24.7. Хемилюминесценция

Хемилюминесценцией называют свечение, сопровождаю­щее химические реакции. Наличие такого свечения означает, что энергия, которая выделяется на одной из стадий химического процесса, протекающего в системе, оказывается достаточной для образования одного из продуктов реакции в электронно-возбуж­денном состоянии (обозначается звездочкой):

А + В -> Р* + другие продукты

Р* -> Р + hv (хемилюминесценция)

Среди огромного разнообразия химических реакций лишь еди­ничные сопровождаются излучением в видимой или ультрафиоле­товой областях спектра, которое удается измерить. Наиболее изу­чены следующие типы процессов, сопровождающихся свечением.

Биолюминесценция — яркое, видимое простым глазом свече­ние некоторых бактерий, простейших, ракообразных, червей, моллюсков, рыб. Хорошо известна биолюминесценция светляков. Биолюминесценция обусловлена определенными ферментативны­ми реакциями.

Хемилюминесценция в системах, содержащих активные фор­мы кислорода: пероксид водорода, супероксидный и гидроксидный радикалы, синглетный (электронно-возбужденный) кислород.

Хемилюминесценция сопровождает реакции цепного (свободнорадикального, пероксидного) окисления органических соедине­ний. Основной вклад в слабую хемилюминесценцию (раньше ее называли сверхслабым свечением) тканей, гомогенатов, раство­ров и суспензий полиненасыщенных жирных кислот дает свече­ние, сопровождающее пероксидное окисление липидов.

Хемилюминесценция при реакциях свободных радикалов, об­разовавшихся при действии физических факторов подразделя­ется на следующие виды: радиохемилюминесценция (при воздей­ствии ионизирующего излучения); фотохемилюминесценция (после облучения видимым или УФ-светом); электрохемилюми-несценция (при пропускании электрического тока через раство­ры); сонолюминесценция (при воздействии ультразвука); трибо-люминесценция (при перемешивании растворов) и др.

При облучении (или освещении) веществ в твердой фазе (как ча­стный случай — при облучении биологических объектов, суспен­зий или растворов, замороженных жидким азотом) подвижность свободных радикалов резко ограничивается. Их реакции и сопутст­вующая хемилюминесценция активируются при нагревании и раз­мягчении среды. Такое свечение называют термолюминесценцией.

Измерение характеристик хемилю-минесценции — удобный метод конт­роля за течением химических реак­ций, сопровождающихся свечением, и, следовательно, может использо­ваться для изучения кинетики и меха­низма реакций. Регистрация хемилю-минесценции в ряде случаев является наиболее чувствительным методом об­наружения свободных радикалов.

На рис. 24.13 показана хемилюминесценция плазмы крови при выведении в нее ионов двухвалент­ного железа. Железо инициирует пероксидное окисление липидов. Кванты хемилюминесценции излучаются триплетными возбуж­денными кетонами, образующимися при рекомбинации пероксид-ных свободных радикалов (обозначены жирными точками)

Хемилюминесценция фагоцитирующих клеток крови при до­бавлении к ним различных образцов промышленной пыли значи­тельно различается: по характеру кривых свечения клеток можно оценивать токсичность пыли. Токсичная пыль активирует фер­ментативную систему клеток, вырабатывающую супероксидные О*2 и гидроксильные *ОН радикалы и другие активные формы кислорода. Активность фагоцитирующих клеток также резко ме­няется при ишемической болезни сердца, инфаркте и других за­болеваниях, поэтому хемилюминесценция этих клеток использу­ется как диагностический метод.

 

 

§ 24.8. Лазеры и их применение в медицине

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независи­мо друг от друга. Казалось, что источники света — возбужденные частицы и генераторы радиоволн — имеют мало общего. Лишь с се­редины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики — квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генера­ции электромагнитных колебаний с использованием вынужденно­го излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике.



Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов — лазеров.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализа­ции трех фундаментальных физических идей: вынужденного из­лучения (1), создания термодинамически неравновесной инверс­ной населенности энергетических уровней атомов (2) и использо­вания положительной обратной связи (3).

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции (см. § 24.5—24.6). Такое излучение является спон­танным процессом (рис. 24.14, а). Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излуче­ние — вынужденное, или индуцированное (рис. 24.14, б) — возни­кает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии (23.31). При вынужденном (индуцированном) излучении число пе­реходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попа­дающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех от­ношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерент­ном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

 

В обычных условиях вынужденное излучение маловероятно. На рис. 24.15 показано «заселение» молекулами энергетических уровней, описываемое распределением Больцмана (24.24). На рисунке «длина» каждого уровня пропорциональна числу частиц, имеющих соответствующую энергию о — основное состояние, Е 1, Е2, ..., — возбужденные состояния, N — общее число частиц, Ni — число частиц на i-ом уровне энергии). Видно, что при «ни­зких» температурах количество возбужденных молекул чрезвы­чайно мало, при повышении температуры оно увеличивается, при «высокой» температуре практически все энергетические уровни будут заселены одинаково. В любом случае, когда система нахо­дится в тепловом равновесии с окружающей средой (наиболее час­то встречающаяся ситуация), большая часть молекул находится в основном состоянии. Поэтому фотоны будут сталкиваться, глав­ным образом, с невозбужденными молекулами и будет происхо­дить поглощение света. Для отдельной частицы равновероятны вынужденное поглощение, если частица находится в основном со­стоянии (рис. 24.14, в), и вынужденное излучение, если частица возбуждена (рис. 24.14, б). Поэтому даже если число возбужден­ных частиц в веществе равно числу невозбужденных («высокая» температура на рис. 24.15), усиления падающей электромагнит­ной волны не будет. На самом деле в обычном состоянии вещества («низкая» температура на рис. 24.15) условия для усиления вол­ны не выполняются, т. е. волна при прохождении среды поглоща­ется.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых, вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньшей энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда — активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вы­нужденные переходы на более низкий уровень с испусканием квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < 0 К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной среде интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное по­глощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера (24.3) kl < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения. Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе со­стояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положи­тельной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируе­мого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми воз­бужденными атомами. Для реализации такого процесса актив­ную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обыч­но из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превра­щая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконст­руирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басо­вым и А. М. Прохоровым и американскими — Ч. Таунсом и др.1. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном из­лучении молекул аммиака, то генератор был назван молекуляр­ным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения — лазер2 с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан га­зовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие создан­ных в настоящее время лазеров можно классифицировать по ви­дам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полу­проводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом — «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полу­проводниковых лазерах — электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазе­ра. Рубин — это кристалл окиси алюминия А12О3, содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов хрома Сг3+. Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с по­мощью импульсных источников света большой мощности.

 

В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, располо­женные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 24.16). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хоро­шо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптиче­ского отражателя заключается в том, что свет, вышедший из од­ного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, по­падает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 24.17, а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с ос­новного уровня 1в короткоживущее возбужденное состояние З3. Затем происходит безызлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанно­го излучательного перехода относительно мала. Поэтому происхо­дит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных усло­виях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и со­провождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резо­наторе лазера есть два зеркала (см. рис. 24.16), одно из которых имеет коэффициент отражения интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), дру­гое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на не­го излучения (R < 100%).

 

 


Кванты люминесценции в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверх­ности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отра­жаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь на­ибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зер­кало. Такой лазер работает в импульсном режиме.

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, са­марий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24.17, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживу-щим уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2'.

Очень распространенным газовым лазером является гелий-не-оновАй, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в со­отношении 10 : 1 и давлении около 150 Па. Излучающими явля­ются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24.17, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населен­ность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. За­селение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При элект­рическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни око­ло 10-3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с не­возбужденным атомом неона происходит передача энергии, в ре­зультате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона вре­мя жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного пере­хода его атомов в основное состояние при соударениях со стенка­ми разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверс­ная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазера (рис. 24.18) является газоразрядная трубка диаметром около 7 мм. В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда и возбуждения гелия. На концах трубки под углом Брюстера (§ 20.2) расположены окна, благодаря которым излучение оказывается плоскополяризованным. Плоскопараллельные зер­кала резонатора монтируются вне трубки, одно из них полупроз­рачное (коэффициент отражения R < 100%). Таким образом, пу­чок вынужденного излучения выходит наружу через полупроз­рачное зеркало. Это лазер непрерывного действия. Так как уровни 2 и 3 неона обладают сложной структурой (на рис. 24.17, в не показано), то гелий-неоновый лазер может работать на 30 дли­нах волн в области видимого и инфракрасного диапазонов.

Зерка­ла резонатора делают с многослойными покрытиями, и вслед­ствие интерференции создается необходимый коэффициент отра­жения для заданной длины волны. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный свет с длиной вол­ны 632,8 нм. Мощность таких лазеров небольшая, она не превы­шает 100 мВт.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: вы­сокая монохроматичность (Dl»0,01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

Узость светового пучка и малая его расходимость позволили использовать лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность — около десятков сантиметров), ско­рости вращения Венеры и Меркурия и др.

На когерентности лазерного излучения основано их примене­ние в голографии (см. § 19.8). На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изо­бражение внутренней полости желудка.

Монохроматичность лазерного излучения очень удобна при возбуждении спектров комбинационного рассеяния света атома­ми и молекулами (см. § 24.3).

Широкое применение лазеры нашли в хирургии, стоматоло­гии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от свойств биологиче­ского материала, так и от свойств лазерного излучения.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделя­ются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превыша­ет 10 Вт/см2, чаще всего составляет около 0,1 Вт/см2) — тера­певтические и высокоинтенсивные — хирургические. Интенсив­ность наиболее мощных лазеров может достигать 1014 Вт/см2, в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 102— 106 Вт/см2.

Низкоинтенсивные лазеры — это такие, которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спект­ра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим све­том, полученным от обычных, некогерентных источников (см. § 24.9). В этих случаях лазеры являются просто удобными моно­хроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лече­ния трофических язв, ишемической болезни сердца и др., а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.

Качественно новые явления наблюдаются при использовании видимого или ультрафиолетового излучения высокоинтенсивных лазеров. В лабораторных фотохимических экспериментах с обыч­ными источниками света, а также в природе при действии солнеч­ного света обычно осуществляется однофотонное поглощение. Об этом говорится во втором законе фотохимии4,сформулирован­ном Штарком и Эйнштейном: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей под действием света, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию.Однофотонность поглощения, описываемая вторым законом, выполняется потому, что при обычных интенсивностях света практически не­возможно одновременное попадание в молекулу, находящуюся в основном состоянии, двух фотонов. Если бы такое событие осу­ществилось, то выражение (23.31) приобрело бы вид:

что означало бы суммирование энергии двух фотонов для перехо­да молекулы из энергетического состояния Ек в состояние с энер­гией Et. He происходит также поглощения фотонов электронно-воз­бужденными молекулами, так как их время жизни мало, а обычно используемые интенсивности облучения невелики.

Поэтому кон­центрация электронно-возбужденных молекул низка, и поглоще­ние ими еще одного фотона чрезвычайно маловероятно.

Однако если увеличить интенсивность света, то становится воз­можным двухфотонное поглощение. Например, облучение рас­творов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излуче­нием с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации мо­лекул ДНК, подобной вызываемой у-излучением. Воздействие ультрафиолета с низкой интенсивностью ионизации не вызывало. Установлено, что при облучении водных растворов нуклеиновых кислот или их оснований пикосекундными (длительность импуль­са 30 пс) или наносекундными (10 нс) импульсами с интенсивностями выше 106 Вт/см2 приводило к электронным переходам, пока­занным на рис. 24.19, завершавшимся ионизацией молекул.

При пикосекундных импульсах (рис. 24.19, а) заселение высоких электронных уровней происходило по схеме

а при наносекундных (рис. 24.19, б) — по схеме

В обоих случаях молекулы получали энергию, превышающую энергию ионизации.

Полоса поглощения ДНК располагается в ультрафиолетовой области спектра при l < 315 нм, видимый свет нуклеиновые кис­лоты совсем не поглощают. Однако воздействие высокоинтенсив­ным лазерным излучением около 532 нм переводит ДНК в элек­тронно-возбужденное состояние за счет суммирования энергии двух фотонов (рис. 24.20).

Поглощение любого излучения приводит к выделению некото­рого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от воз­бужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается главным образом водой и вызывает в ос­новном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсив­ных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное теп­ловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интен­сивностью от 1 до 107 Вт/см2 и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся, напри­мер, газовый СО2-лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазер (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лaзep — наиболее широко исполь­зуемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осу­ществляется на переходах ионов неодима (Nd3+), введенных в кристаллы Y3A15O12 иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 °С необратимые повреждения не наблюда­ются. При температурах 60 °С и выше начинается денатурация белков, ко­агуляция тканей и некроз. При 100— 150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свы­ше 300 °С ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высоко­интенсивного сфокусированного лазе­ра, количество выделяющегося тепла велико, в ткани возникает температур­ный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях происходит обуглива­ние и коагуляция (рис. 24.21). Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуля­ции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного СО2-лазера (l = 10,6 мкм) с мощностью около 2 • 103 Вт/см2 пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10-9—10-6 с) и уве­личивать интенсивность (выше 106 Вт/см2), то размеры зон обуг­ливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01—100 Дж/см2.

При дальнейшем повышении интенсивности (1011 Вт/см2 и вы­ше) возможен еще один процесс — «оптический пробой». Это яв­ление заключается в том, что из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения (сравнимой с напря­женностью внутриатомных электрических полей) материя иони­зуется, образуется плазма и генерируются механические ударные волны. Для оптического пробоя не требуется поглощения квантов света веществом в обычном смысле, он наблюдается также в проз­рачных средах, например в воздухе.

 

1 В 1964 г. Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу за эти работы
была присуждена Нобелевская премия.

2 2 Название «лазер» является аббревиатурой от англ. Light Amplifica­
tion by Stimulated Emission of Radiation (усиление света посредством вы­
нужденного излучения).

3 3 На этой редуцированной схеме представлены только те уровни и пе­реходы между ними, которые существенны для генерации лазерного из­лучения. На самом деле схема электронных уровней гораздо сложнее. На схеме не отражена ширина энергетических уровней. Так, короткоживу-щий уровень 3 является широким и поглощает большую часть спектра излучения лампы накачки.

4 Фотохимия изучает химические реакции, протекающие под дейст­вием света.

 

 

§ 24.9. Фотобиологические процессы. Понятия о фотобиологии и фотомедицине

Фотобиологическими называют процессы, которые начина­ются с поглощения квантов света молекулами, а заканчива­ются физиологической реакцией организма.

К фотобиологическим процессам относятся фотосинтез, зре­ние, загар и эритема кожи, фотопериодизм и многие другие.

Условно всякий фотобиологический процесс можно разбить на несколько стадий:

1) 1) поглощение кванта света молекулой;

2) 2) внутримолекулярные процессы размена энергии;

3) 3) межмолекулярные процессы переноса энергии электрон­но-возбужденного состояния (важны в некоторых фотобиологических процессах);

4) 4) первичный фотохимический акт, сопровождающийся образованием короткоживущих, нестабильных фотопродуктов, в него молекула вступает из нижнего синглетного S1 или триплетного Т1 возбужденных состояний;

5) 5) реакции нестабильных фотопродуктов, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов;

6) 6) биохимические реакции с участием фотопродуктов;

7) 7) физиологический ответ на действие света.

Первые три стадии фотобиологических процессов одинаковы для фотохимических реакций и фотолюминесценции. Поэтому законы фотохимии имеют свои аналогии с законами люминесцен­ции (см. § 24.6). Первичный фотохимический акт заключается в
химических изменениях молекулы (например, присоединении или отдаче электрона или водорода).

Особенностью биологического действия ультрафиолетового и видимого излучения (200—750 нм)1 является ярко выраженная зависимость биологического эффекта от длины волны излучения. Бактерицидные эффекты вызываются волнами в диапазоне 200— 315 нм, покраснение (эритема) кожи наиболее эффективно вызы­вается излучением с длиной волн 280—315 нм, зрительный эф­фект — 400—750 нм (видимый диапазон), лечение желтухи ново­рожденных — фиолетовым светом (около 400 нм). При фотосинте­зе растения и фотосинтезирующие бактерии используют весь диапазон солнечного ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли (коротковолновая граница солнечного света, проходящего через атмосферу Земли, ~ 285 нм), видимого света, и даже ближнего инфракрасного излучения (иногда до 1000 нм).

Ме­няя длину волны, можно избирательно инициировать те или иные фотобиологические процессы2. Дело в том, что разные фотобиоло­гические процессы начинаются с поглощения квантов света раз­ными молекулами, в свою очередь положение полосы поглощения молекулы зависит от ее химической структуры (см. § 24.4).

Важной характеристикой воздействия света на биологические объекты является спектр фотобиологического действия за­висимость биологического эффекта от длины волны дейст­вующего света. Спектры действия позволяют определить, какая область спектра наиболее эффективно вызывает биологический процесс, а также определить природу молекул, ответственных за поглощение света в данном процессе.

Рассмотрим количественно начальные этапы этого процесса: поглощение света и первичную фотохимическую реакцию.

По аналогии с рассуждениями § 24.1, введем понятие эффектив­ного сечения поглощения молекулой фотона s. Отличие от вывода закона Бугера—Ламберта—Бера заключается, по крайней мере, в следующем: во-первых, будем учитывать уменьшение числа акти­вируемых молекул, так как воздействие света вызывает их хими­ческие превращения; во-вторых, рассмотрим достаточно тонкий слой разбавленного раствора, это позволит считать интенсивность света I0 постоянной и одинаковой по всей толщине слоя раствора.

Элементарное уменьшение концентрации dn молекул под дей­ствием света пропорционально:

— — концентрации п молекул;

— — эффективному сечению поглощения s;

— — времени облучения dt;

— — интенсивности света 103:

Здесь знак «-» означает уменьшение числа молекул со временем.

Коэффициент (jх называют квантовым выходом фотохимической реакции. Этот коэффициент показывает, какая часть молекул, которые поглотили фотоны, вступила в фотохимическую реак­цию. Разделим переменные и проинтегрируем (24.27):

где п0 — начальная концентрация молекул, a ni — концентрация молекул в момент i. Получаем

или

Здесь Iot = Do6 — доза облучения, a sjx = sх — эффективное се­чение молекулы для фотохимического превращения, оно пропор­ционально вероятности такого взаимодействия фотона с молеку­лой, в результате которого произойдет фотохимическая реакция.

Для нахождения sх строят график зависимости ln n0/ni = f(Do6) и

по наклону прямой [см. (24.28)] определяют эту величину (рис. 24.22, б). Можно найти sх непосредственно на дозовой кривой фо­толиза4 вещества (рис. 24.22, а)

где Do6.37% — доза облучения, при которой концентрация вещест­ва уменьшилась в е раз, другими словами, осталось неразрушен­ными 37% молекул.

 

В фотохимии спектром действия называют зависимость sх(l). Эту зависимость можно найти, используя связь sх = sjx. Дело в том, что квантовый выход фотохимических реакций (подобно квантовому выходу флуоресценции, см. § 24.6) в растворах не за­висит от длины волны действующего света, т. е. jх(l) = const. Фи­зически это означает, что независимо от энергии возбуждения hv молекула сначала израсходует часть этой энергии, пока не перей­дет в нижнее возбужденное состояние (см. § 24.6 и рис. 23.16), и только после этого сможет начать фотохимическое превращение. Учитывая это, можно заключить, что спектр действия jх(l) и спектр поглощения (см. § 24.4) — зависимость s(l) — имеют оди­наковый вид, так как различаются только постоянным множите­лем jх. Такая особенность позволяет, сопоставляя спектр дейст­вия фотохимической реакции со спектрами поглощения содержа­щихся в объекте соединений, определить, какое из них поглощает фотоны, вызывающие фотохимические превращения.

Описанная методика определения спектров действия может быть применена к исследованию бактерицидного действия света. Сходство процессов при фотолизе молекул в растворе и при фото­инактивации бактерий в суспензии заключается в следующем. Под действием поглощенного кванта молекула либо совсем не из­менится, либо превратится в фотопродукт, т. е. возможны только два исхода, причем вероятность фотолиза определяется кванто­вым выходом jх. Точно так же при поглощении кванта бактерией она либо останется живой, либо погибнет. Концентрацию жизне­способных бактерий можно определить подобно концентрации не­разрушенных молекул в растворе. Вероятность гибели бактерии при поглощении кванта определяется квантовым выходом бакте­рицидного эффекта и (так же как при фотолизе молекул) не зави­сит от длины волны действующего света. Поэтому если в формулы (24.27)—(24.29) вместо концентрации молекул подставить кон­центрацию бактерий, то можно найти ох для бактерицидного эф­фекта и построить спектр действия. Так, например, было установ­лено, что кривая гибели бактерий под действием УФ-излучения (спектр фотобиологического действия) подобна спектру поглоще­ния нуклеиновых кислот, представляющему широкую неструкту­рированную полосу в диапазоне длин волн 200—315 нм с макси­мумом при 260 нм. Это дало основание сделать вывод, что гибель бактерий обусловлена повреждением именно нуклеиновых кис­лот. На этом основано использование в медицине для обеззараживания помещений ртутных бактерицидных ламп, излучающих монохроматический свет с длиной волны 254 нм, что соответству­ет максимуму спектра действия бактерицидного эффекта.

Сложнее дело обстоит в случае таких процессов, как эритема кожи. Эритема заключается в расширении кровеносных сосудов кожи, что видно по ее покраснению. Зависимость степени покрас­нения от дозы характеризуется наличием пороговой дозы (мини­мальной эритемной дозы, МЭД), вызывающей едва различимое глазом покраснение. Подпороговые дозы эритему не вызывают совсем. При увеличении дозы облучения степень покраснения растет пропорционально логарифму дозы. Здесь отсутствуют ко­личественные показатели, подобные числу разрушенных молекул или погибших клеток, которые можно было бы использовать для расчета sх. Выход из положения был найден при введении сле­дующего предположения. Если облучать кожу разными длинами волн и при этом подбирать каждый раз дозу так, чтобы возникаю­щий эффект (степень покраснения) был одинаков, то можно ду­мать, что одинаковая степень покраснения (стандартный эффект) является результатом одинаковых фотохимических поврежде­ний. В качестве стандартного эффекта обычно выбирают мини­мальное покраснение, вызываемое МЭД. Величина МЭД являет­ся функцией длины волны действующего света. По аналогии с (24.29) было предложено определять величину эритемной эффек­тивности как 1/МЭД. Предполагается, что 1/МЭД пропорци­ональна sх, подобно 1/-Do6;37% из выражения (24.29). Спектры действия эритемы представлены на рис. 24.23, кривая 1измере­на через 8 часов после облучения, 2 — через 24 часа и 3 — че­рез 10 суток. Выяснилось, что динамика развития, длительность существования и степень покраснения кожи сильно зависят от длины волны действующего света.

На этом основании в медицине весь диа­пазон УФ-излучения принято подраз­делять на три области: УФ-А (320— 400 нм), УФ-В (280—320 нм) и УФ-С (l < 280 нм). УФ-А-излучение наиме­нее эффективно. УФ-В-излучение способно вызывать наиболее интен­сивную и длительную эритему, пере­ходящую при дозах более 10 МЭД в эдему (ожог кожи). УФ-С-излучение может вызвать только умеренное по­краснение, ни при каких дозах не

переходящее в эдему. Регистрация спектров действия эритемы по­катала, что данная реакция кожи является следствием суммиро­вания двух или трех фотохимических процессов, каждый из которых по-разному зависит от длины волны действующего света. В случае других сложных фотобиологических процессов мож­но для регистрации спектров действия использовать величину биологической эффективности света (БЭС), обратную дозе облу­чения, вызывающей стандартный биологический эффект Do6 ст

Изучение спектров действия показало, что УФ-В-излучение наиболее эффективно вызывает не только эритему, но также пиг­ментацию и рак кожи, кроме того, оно подавляет Т-клеточное зве­но иммунитета и вызывает многие другие эффекты у человека и животных. Отсюда понятно внимание, уделяемое состоянию озо­нового слоя атмосферы. Озон является естественным светофильт­ром, определяющим коротковолновую границу солнечного излу­чения, достигающего поверхности Земли. В ясный полдень на эк­ваторе на высоте моря коротковолновая граница проходит вблизи 285 нм. Суммарно УФ-В-излучение составляет менее 1,5% энер­гии солнечного света, но обусловливает наиболее острые фотоби­ологические эффекты. Уменьшение озонового слоя резко увели­чивает количество УФ-В-излучения, что крайне опасно для жи­вых организмов.

Сопоставление спектров действия со спектрами поглощения содержащихся в биологическом объекте молекул позволяет опре­делить, какие молекулы поглощают фотоны, запускающие иссле­дуемый фотобиологический процесс. Такие фотобиологические процессы, как зрительный эффект, фотомутагенез, фотоканцеро­генез, эритема и др., индуцируются под действием света, погло­щаемого нормально содержащимися в объекте молекулами, на­пример, зрительными пигментами, нуклеиновыми кислотами, белками и др. В некоторых случаях наблюдается резкое повыше­ние светочувствительности биологических систем в результате попадания в них экзогенных (посторонних) молекул, способных поглощать ультрафиолет или видимый свет. Вещества, повышаю­щие чувствительность биообъектов к свету, называют фотосенси­билизаторами, а инициируемые ими фотобиологические процес­сы — фотосенсибилизированными. Форма спектра действия тако­го процесса совпадает со спектром поглощения соответствующего фотосенсибилизатора.

Определение вида молекул, поглотивших свет, существенно потому, что свойства электронно-возбужденных молекул сильно отличаются от свойств тех же молекул в основном (невозбужден­ном) состоянии. Благодаря такому изменению свойств молекул и инициируются фотобиологические процессы.

Молекула (М) обязательно избавляется от избыточной энергии, расходуя ее либо в физических процессах, либо в фотохимических реакциях. Основные пути расходования энергии возбужденных мо­лекул (М*) показаны на рис. 24.24. Может произойти безызлуча-тельный переход энергии в тепло, либо излучение квантов люми­несценции с возвращением молекулы в основное состояние (§ 24.6).

Все многообразие фотохимических реакций электронно-воз­бужденных молекул сводится к фотоизомеризации или переносу электрона между возбужденной молекулой и субстратом.

Фотоизомеризация это изменение пространственной структуры молекул,осуществляющееся в электронно-возбуж­денном состоянии.Известно, что у органических молекул, нахо­дящихся в основном состоянии, невозможно вращение их частей вокруг двойных связей. Такие молекулы имеют плоскую цис- или торакс-конфигурацию (рис. 24.25). Это связано с особенностями перекрывания p-орбиталей при образова­нии второй связи (см. рис. 23.15, б). Для того чтобы повернуть две части молекулы вокруг двойной связи, нуж­но уменьшить области перекрывания p-орбиталей, для этого нужно затратить значительную энергию (кривая с индек­сом So на рис. 24.26), такой процесс са­мопроизвольно произойти не может. Наименьшую энергию молекула имеет при перекрывании p-орбиталей, поэто­му p-орбитали называют связывающи­ми. При поглощении фотона и переходе в возбужденное состояние молекула сразу после перехода сохраня­ет плоскую конфигурацию основного состояния. Но возбужденные p*-орбитали (S1 или Т1 состояния на рис. 24.26) являются разрых­ляющими: наименьшую энергию имеет конфигурация, в которой p-связь разрывается и две части молекулы поворачиваются вокруг s-связи на 90°. При возвращении молекулы в основное состояние она может претерпеть цис-тпранс- или транс-цис-изомеризицию; цис-транс-фотоизошеризащш пигмента ретиналя принадлежит ве­дущая роль в зрительной рецепции (см. § 24.10).

К фотохимическим превращениям молекулы, поглотившей фотон, приводят резкие изменения ее донорно-акцепторных свойств. Ввозбужденной молекуле освобождается электронная вакансия на верхней заполненной орбитали (So на рис. 23.16), в результате чего молекула становится акцептором электрона, спо­собным вступать в реакции фотовосстановления с подходящими донорами. Примером такой реакции может служить открытая А. А. Красновским (1948) реакция фотовосстановления хлоро­филла. Это открытие имело фундаментальное значение в позна­нии процесса фотосинтеза. Наряду с этим в возбужденной молеку­ле появляется электрон на сравнительно высоко расположенной нижней свободной орбитали (S1 или Т1 на рис. 23.16). В результа­те этого молекула становится донором электрона и легко вступает в реакции фотоокисления. Так, возбужденные ароматические аминокислоты триптофан и тирозин способны отдавать электрон молекулам среды, что приводит к их ионизации.

Если рядом с возбужденной молекулой находится подходящий акцептор, то энергия может быть перенесена на него. Электрон­но-возбужденный акцептор может либо сам химически модифицироваться или вступить в реакцию с субстратом. Подобные реак­ции могут быть отнесены к фотосенсибилизированным.

Механизмы фотосенсибилизированных реакций крайне раз­нообразны. Практически удобно классифицировать их на два ви­да: нуждающиеся в присутствии кислорода и не нуждающиеся в нем. Фотобиологические эффекты, для осуществления кото­рых требуется участие трех составляющих — света, кислорода и фотосенсибилизатора — принято называть фотодинамическими эффектами, а соответствующие фотосенсибилизаторы — фото­динамическими. Фотодинамические эффекты инициируются фо­тосенсибилизаторами из триплетного электронно-возбужденного состояния T1 (см. рис. 23.16).

Более детальная классификация фотосенсибилизированных ре­акций основана на природе реакционно-способных фотопродуктов, непосредственно реагирующих с субстратом. Рассмотрим этот воп­рос на примере псораленов — фотосенсибилизаторов растительно­го происхождения, повышающих чувствительность биообъектов к УФ-А-излучению.

В реакциях типа I происходит перенос электрона (или водоро­да) между электронно-возбужденным фотосенсибилизатором и субстратом, сопровождающийся образованием свободных радика­лов, которые взаимодействуют с молекулярным кислородом.

В реакциях типа II происходит перенос энергии от фотосенси­билизатора, находящегося в триплетном электронно-возбужден­ном состоянии T1 на молекулярный кислород по схеме:


— поглощение света и образование триплетного


состояния фотосенсибилизатора;


— перенос энергии и образование синглетного

электронно-возбужденного молекулярного кислорода. Образую­щийся при этом синглетный кислород 1О2 взаимодействует с суб­стратом, окисляя последний:

1О2 + субстрат -> окисленный субстрат.

В реакциях типа II фотосенсибилизатор работает подобно ката­лизатору и в реакции не расходуется. Субстратами фотоокисле­ния служат молекулы ДНК, белков, ненасыщенных липидов и другие.

В реакциях типа III участвуют электронно-возбужденные мо­лекулы псораленов, предварительно в темноте встроившиеся в двуспиральную ДНК. При этом они ковалентно присоединяются к тимину, повреждая либо одну из нитей двуспиральной ДНК, ли­бо образуя межнитевую сшивку в двуспиральной молекуле ДНК. Реакции типов I—IIIмогут осуществляться только в том слу­чае, если субстрат облучается в присутствии фотосенсибилизато­ра. Это связано с коротким временем жизни реакционно-способ­ных фотопродуктов. Так, время жизни синглетных и триплетных электронно-возбужденных состояний молекул составляет, соот­ветственно, около 10-9 и 10-6 с, синглетного кислорода — около 10-6 с, свободных радикалов — микро- или миллисекунды. Невоз­можно фотомодифицировать субстрат, сначала отдельно облучив фотосенсибилизатор, а затем после выключения света добавив к нему субстрат.

Модификация субстрата путем добавления к нему предвари­тельно облученных фотосенсибилизаторов возможна в реакциях типа IV. При облучении растворов фотосенсибилизаторов в при­сутствии кислорода в них образуются относительно стабильные продукты фотоокисления, имеющие время жизни от нескольких секунд до нескольких дней. Эти продукты фотоокисления при столкновениях с молекулами субстрата реагируют с ними, давая биологически активные конечные продукты.

Фотохимические реакции, инициируемые светом в тканях че­ловека и животных, могут иметь как положительные, так и отри­цательные последствия. Раздел медицины, посвященный лечеб­ному применению или патологическим последствиям действия оптического излучения, называется фото медициной.

Известны терапевтические эффекты оптического излучения, осуществляющиеся за счет поглощения света молекулами, содер­жащимися в биологических тканях. Так, УФ-В-облучение кожи используется для лечения кожного заболевания — псориаза. Фо­тотерапия без использования экзогенных фотосенсибилизаторов применяется для лечения желтухи новорожденных. Желтуха но­ворожденных возникает из-за накопления в крови аномально вы­соких концентраций продукта распада гемоглобина — билируби­на. Это связано с тем, что в первые дни жизни у некоторых детей наблюдается недостаток фермента глюкуронилтрансферазы, пре­вращающей плохо растворимый в воде билирубин в его водораст­воримое производное. Гидрофобный билирубин склонен накапли­ваться в клетках мозга, что может приводить к необратимым из­менениям в центральной нервной системе. Билирубин имеет максимум поглощения в синей области спектра. Под действием синего света билирубин легко фотоизомеризуется непосредственно в кровеносных сосудах, образуя водорастворимые продукты, легко выводящиеся из организма. Таким образом устраняются патологические последствия гипербилирубинемии.

Существует ряд терапевтических методов, называемых фото­химиотерапией, в которых используется совместное воздействие экзогенных фотосенсибилизаторов и света. Наиболее распростра­нены два вида фотохимиотерапии: ПУВА-терапия кожных забо­леваний и фотодинамическая терапия злокачественных новообра­зований.

В ПУВА-терапии5 в качестве фотосенсибилизаторов использу­ются псоралены в сочетании с УФ-А-облучением кожи. Она эф­фективна при псориазе, витилиго, кожной Т-клеточной лимфоме и других дерматозах. При ПУВА-терапии в коже человека проте­кают все IV типа фотосенсибилизированных реакций, наиболее важны из них реакции типов III и IV.

Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их последующем об­лучении видимым светом. Часто в качестве фотосенсибилизато­ров при ФДТ используют производные гематопорфирина, погло­щающие в красной области спектра. Ведущую роль при ФДТ иг­рают реакции типа П. Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах: 1) прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли; 2) повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводя­щее к ишемии и гибели опухоли; 3) ФДТ способно вызывать вос­палительную реакцию, мобилизующую противоопухолевую им­мунную защиту тканей организма.

 

1 Ультрафиолетовое излучение с длинами волн менее 200 нм исполь­зуется редко. Оно поглощается кислородом воздуха, поэтому его дейст­вие можно изучать только в специальных условиях, например, в ваку­уме, из-за этого ультрафиолет с X < 200 нм называют вакуумным.

2 Избирательность действия отличает биологические эффекты света от эффектов ионизирующего излучения. Поглощение квантов рентгенов­ского или у-излучения осуществляется не молекулами, а атомами и не за­висит от того, в состав каких молекул эти атомы входят (см. § 26.4). По­этому поглощение ионизирующего излучения происходит в основном те­ми элементами, которых в организме больше. Так как наш организм на 80% состоит из воды, то радиохимические процессы приводят преимуще­
ственно к появлению радикалов воды, которые в дальнейшем поврежда­ют белки, нуклеиновые кислоты, липиды и др.

3 Здесь интенсивность выражена в числе фотонов, падающих на 1 м2
за 1 с.

4 Фотолиз — химическая модификация вещества под действием света.

5 Русское название этой терапии возникло путем транслитерации анг­лийской аббревиатуры PUVA, произошедшей от Psoralens + UVA-radia-tion.

 

§ 24.10. Биофизические основы зрительной рецепции

В этом параграфе описаны процессы, протекающие от момента поглощения кванта света молекулой зрительного пигмента до возникновения рецепторного потенциала на клеточной мембране палочки.

Сначала рассмотрим, как устроен зрительный рецептор. На рйс. 24.27 показаны: 1 — разрез глаза; 2 — колбочка; 3 — палоч­ка (М — скопление митохондрий); 4 — диск наружного сегмента палочки; 5 — фрагмент мембраны диска со встроенной в нее моле­кулой родопсина; 6 — хромофорная группировка родопсина — ретиналь в 11-цис- и полностью-трамс-конформации. Свет, попав­ший в глаз (см. § 21.4), фокусируется оптической системой на слой светочувствительных клеток сетчатки — палочек и колбо­чек. Палочки (их около 125 млн) располагаются по всей поверх­ности полусферической сетчатки и отвечают за черно-белое, или сумеречное, зрение. Колбочек значительно меньше (примерно 6,5 млн). Они, главным образом, сконцентрированы в централь­ной части сетчатки, на прямой, проходящей через центры рогови­цы и хрусталика, и отвечают за цветовое зрение при достаточно ярком освещении.

 

 

 

Строение сетчатки человека и позвоночных животных на пер­вый взгляд может показаться парадоксальным.

Светочувствительные клетки находятся в заднем слое сетчатки. Прежде чем свет попадет на них, он должен пройти через несколько слоев нервных клеток. Мало того, сами палочки и колбочки ориентиро­ваны к свету своим внутренним сегментом, не содержащим зри­тельного пигмента (см. рис. 24.27). Однако такая организация не снижает существенно чувствительности глаза к свету, так как нервные клетки и внутренние сегменты самих светочувствитель­ных клеток прозрачны для видимого света.

Самые ранние исследования зрения касались порога чувстви­тельности глаза. Абсолютный порог чувствительности зре­ния человека (т. е. минимальная еще обнаруживаемая энергия светового импульса при отсутствии светового фона и в условиях полной световой адаптации) равен 2,1 • 10-17 — 5,7 • 10-17 Дж на поверхности роговицы глаза, что соответствует 58—148 квантам сине-зеленого света. Однако из них только 5—15 квантов погло­щаются собственно молекулами зрительного пигмента в палочках сетчатки, а остальные теряются. Около 4% света отражается от роговицы, около 50% поглощается оптическими средами глаза, при этом около 80—85% света, дошедшего до сетчатки, проходит сквозь нее и поглощается в клетках пигментного эпителия. Бла­годаря пигментному эпителию, подстилающему сетчатку, резко уменьшается количество отраженного и рассеянного от задней стенки глаза света, и тем самым улучшается острота зрения. Так как в сетчатке содержится 125 млн палочек, все кванты при поро­говой интенсивности (а их всего 5—15) поглощаются разными па­лочками.

Рассмотрим строение и функции палочек (см. рис. 24.27). Зри­тельный пигмент палочек родопсин сосредоточен в наружных сег­ментах палочек, где он встроен в зрительные диски. Диски пред­ставляют собой замкнутые бимолекулярные липидные мембра­ны, напоминающие собой расплющенные воздушные шары, уложенные в стопку. Наружный сегмент соединен с внутренним сегментом тонкой соединительной ножкой. Во внутреннем сег­менте рядом с ножкой сосредоточено большое количество мито­хондрий, в нем же располагается ядро клетки. В конце внутрен­него сегмента, повернутого к свету, находится синаптический контакт с нервным волокном.

Молекулы родопсина пронизывают липидный бислой мембран зрительных дисков. Для нормальной фоторецепции очень важно, чтобы молекулы пигмента могли совершать быструю латераль­ную диффузию и находились в очень «мягком» окружении в мембране, так как молекулы пигмента после поглощения фотона претерпевают значительные конформационные перестройки. Ни­зкая вязкость липидного слоя обусловлена очень высоким (до 50%) содержанием полиненасыщенной докозагексеновой жирной кислоты (22 : 6 — она содержит 22 атома углерода и 6 ненасыщен­ных двойных связей). Однако по этой же причине в липидах мембран могут легко активироваться процессы пероксидного окисления, что, по-видимому, лежит в основе ряда заболеваний глаз.

Зрительный пигмент родопсин — сложный белок. Он состоит из гликопротеидной части — опсина и хромофорной группы — ре-тинальдегида, или просто ретиналя. Ретиналь может иметь не­сколько пространственных изомеров, например 9-цис-ретиналь, 11-цис-ретиналь, полностью-транс-ретиналь и др. Вся совокуп­ность фотохимических превращений родопсина зиждется на двух фундаментальных явлениях. Во-первых, ретиналь под действием света способен переходить в различные цис-транс-изомеры, наи­более важные из которых (11-цис- и полностью-транс-ретиналь) изображены на рис. 24.27. Во-вторых, только одна из этих изо­мерных форм, а именно 11-цис-ретиналь, структурно соответству­ет центру связывания ретиналя на опсине и образует с ним проч­ный комплекс. Другие изомеры таким соответствием не обладают и комплекс хромофор-белок непрочен.

Единственной фотохимической реакцией, которая приводит к появлению ощущения света, в зрительном рецепторе является фотоизомеризация (см. §24.9) 11-цис-ретиналя в полностью-транс-конформацию. После образования транс-формы простран­ственное соответствие хромофора и опсина нарушается, а это при­водит к целой серии конформационных перестроек в молекуле белка, которые сопровождаются изменениями в спектре поглоще­ния зрительного пигмента. Перестройки родопсина завершаются его распадом на опсин и полностью-яузамс-ретиналь. Далее фер­мент изомераза переводит полностью-транс-ретиналь в 11-цис-ретиналь, после чего происходит его присоединение к опсину и реге­нерация родопсина.

Фотопревращения родопсина приводят к электрическому отве­ту рецепторной клетки. За этим процессом можно проследить пу­тем регистрации электроретинограмм (экстраклеточного отведе­ния потенциалов от сетчатки). Сразу после освещения палочки короткой вспышкой света наблюдается продолжающийся при­мерно 1 мс ранний рецепторный потенциал (РРП), амплитуда ко­торого растет с увеличением интенсивности вспышки, но не превышает 5 мВ (рис. 24.28). Затем через 1 мс развивается поздний рецепторный потенциал (ПРП). Обращают на се­бя внимание несколько особенностей рецепторных потенциалов. Во-первых, в отличие от всех других известных кле­ток на цитоплазматической мембране наружных сегментов палочек потенци­ал имеет знак (+) внутри и знак (-) сна­ружи. Под действием света происходит развитие некоторого подобия потенциала действия нервных клеток, но с противоположным знаком. Во-вторых, индуцированный светом сигнал состоит из двух фаз: РРП и ПРП, природа которых совершенно различна. По-видимо­му, РРП связан с перемещением молекул родопсина во время конформационных перестроек, вызванных освещением. На молекуле этого белка имеются фиксированные заряды, положение которых относительно бислоя липидов после поглощения квантов света меняется, что и является причиной РРП. Следует подчеркнуть, что в возникновении РРП не участвуют никакие процессы изме­нения ионной проницаемости мембран. После РРП начинаются процессы совершенно иной природы, в которых решающую роль играет движение ионов через клеточную мембрану.

Особенностью наружных сегментов палочек сетчатки является то, что в покое (в темноте) их цитоплазматическая мембрана име­ет высокую проницаемость для ионов натрия, тогда как в покое мембраны нервных и мышечных клеток имеют высокую проница­емость для ионов калия. Асимметрия распределения ионов в па­лочке по сравнению с внешней средой такая же, как и для других клеток: внутри мало натрия, но много калия. Ведущую роль в от­крывании натриевых каналов цитоплазматических мембран па­лочек играет циклический гуанозинмонофосфат, на свету его кон­центрация падает. Поэтому после поглощения света родопсином натриевые каналы проницаемости закрываются и главным потен­циал-образующим ионом становится калий. В результате разви­вается поздний рецепторный потенциал со знаком (-) внутри клетки.


Поможем в написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой





Дата добавления: 2015-08-30; просмотров: 2593. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.145 сек.) русская версия | украинская версия
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7