Фотобиология. Основные фотобиологические процессы
 Скачать 31.09 Kb.
|
450 нм) приводит к образованию водорастворимого изомера билирубина.Фотобиоло́гия — наука о биологических процессах, инициированных в живых системах действием света, поглощённым одним или несколькими хромофорами (фоторецепторами) этих систем. Основные фотобиологические процессы. Использование фотобиологических процессов в лечебных целях -Процедура способствует заживлению трофических язв и ран. -Процедура находит широкое применение в индустрии красоты. Используется для фотоэпиляции, омоложения кожи, удаления морщин, пигментных пятен, для коррекции сосудистых дефектов кожи. С помощью специальных ламп для фототерапии удаляют татуировки. -Кроме того, процедура оказывает воздействие на сетчатку глаза и может быть использована для лечения депрессий, расстройств сна и психических расстройств. -Светотерапию рекомендуют, как средство восстановления режима организма при смене часовых поясов. -Фототерапия оказывает благотворное действие при лечении рака кожи. - В настоящее время в фотомедицине применяются лазерные установки. Лазерный луч удаляет опухоли, сваривает ткани, останавливает кровотечение, дробит почечные камни, разрушает атеросклеротические бляшки в кровеносных сосудах. - Фотогемотерапия - лечебное применение фотомодификации крови, то есть воздействия на кровь больного вне организма или циркулирующую кровь квантами ультрафиолетового и видимого света. Таким образом, улучшается кровообращение, снимается отечность тканей, активизируются регенераторные процессы и восстанавливаются пораженные системы организма. - Профилактика рахита осуществляется на двух этапах: до рождения ребенка и после его появления на свет. Дородовой профилактикой рахита у женщин, проживающих в районе крайнего севера рекомендуется проведение ультрафиолетового облучения кожи, чтобы стимулировать выработку собственного витамина Д. Влияние ультрафиолетового излучения на биомембраны и биополимеры Фотоповреждение клеток и клеточных структур ультрафиолетовым излучением Наиболее фоточувствительными молекулами из элементов биомембран являются ненасыщенные жирнокислотные цепи фосфолипидов, содержащие двойные связи, главным образом, остатки олеиновой кислоты. Они могут спонтанно окисляться кислородом, но ультрафиолетовое излучение значительно ускоряет этот процесс, инициируя появление свободных радикалов и цепное перекисное окисление липидов. Сами жирные кислоты практически не поглощают свет с длиной волны более 220-230 нм, и он вызывает превращения липидов не прямо, а косвенно. В этом случае ультрафиолетовое излучение сперва поглощается каким-нибудь другим хромофором, который под действием ультрафиолета превращается в свободный радикал, способный инициировать цепное перекисное окисление мембранных липидов. В качестве такого первичного хромофора могут выступать как нелипидные хромофорные группы (порфирины, флавины, триптофан, тирозин или -S-S-мостики в белках), так и собственные продукты окисления липидов, прежде всего гидроперекиси (ROOH). В результате окисления ненасыщенных кислот могут образовываться сопряженные системы двойных связей: диеновые: (m 233 нм), триеновые: (m 260-280 нм) и др. Чем длиннее цепочка сопряженных связей, тем дальше в красную область смещен спектр поглощения света. Процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) могут начинаться спонтанно, независимо от облучения. Инициаторами служат свободные радикалы воды или биомолекул, небольшое количество которых всегда образуется в тканях в результате фоновой радиации или некоторых биохимических реакций. Например, при нарушении электронного транспорта в митохондриях электроны могут переноситься не на цитохромы, а прямо на кислород с образованием весьма активного супероксид-аниона О2. При взаимодействии первичного радикала Х с молекулой RH приводит к переносу на нее радикального состояния: R. Его окисление кислородом рождает перекисный радикал ROO, который, взаимодействуя с другой липидной молекулой R1H, продолжает цепочку, рождая новый радикал R1, а сам превращается в гидроперекись ROOH. Таким образом, в результате ПОЛ первичная энергия одного радикала приводит к появлению многих новых радикалов и новых молекул перекисей липидов ROOH. Окисление происходит по месту двойных связей в жирных кислотах. Ультрафиолетовое излучение или двухвалентные ионы железа Fe2+ вызывают разветвление цепи, при котором генерируются два радикальных продукта, способных инициировать появление двух новых цепочек, что резко ускоряет процесс. Цепь ПОЛ может обрываться в результате (а) рекомбинации радикалов или (б) с помощью антиоксидантов, радикалы которых неактивны и не способны продолжать рождение новых радикалов. О цепном характере ультрафиолетового повреждения биомембран свидетельствует аномально высокие квантовые выходы, достигающие 10-100. Кроме нарушений липидной фазы, ультрафиолетовое излучение вызывает инактивацию мембранных белков в результате разрыва дисульфидных мостиков и фотолиза ароматических аминокислот: триптофана, тирозина и фенилаланина. Также возможна фотодеструкция других важных биомолекул, присутствующих в липидной фазе мембраны или в составе мембранных белков: флавинов, пиридиннуклеотидов, порфиринов, коферментов А, Q и других. Фотоинактивация белков и нуклеиновых кислот, в отличие от фотоокисления липидов, почти не зависит от наличия кислорода. В действии коротковолнового излучения на живой организм интерес представляет влияние УФ-излучения на биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты. Молекулы биополимеров содержат кольцевые группы молекул, содержащие углерод и азот, которые интенсивно резонируют, т.е. поглощают излучение с короткой (около 300 нм) длиной волны. Поглощенная энергия может передаваться по цепи атомов в пределах молекулы без существенной потери, пока не достигнет слабых связей между атомами и не разрушит связь. В течение такого процесса, называемого фотолизом, образуются частицы (осколки) молекул, оказывающие сильное действие на клеточные структуры. Под действием ультрафиолетовых лучей в белках происходит денатурация. При облучении светом определенной длины волны электрический заряд молекул уменьшается, они соединяются (слипаются) и теряют свою активность — ферментную, гормональную и антигенную. УФ-излучение, взаимодействуя с веществом, в том числе и с органическим, часто вызывает его ионизацию (так называемый фотоэлектрический эффект). Длительность состояния электронного возбуждения составляет миллиардные доли секунды, и в дальнейшем энергия возбуждения целиком или частично переходит в тепловую энергию колебания и взаимодействия атомов. Порция энергии, соответствующая разнице уровней основного и возбужденного состояния атома, передается соседним атомам и молекулам малыми квантами дальнего инфракрасного излучения. Именно фотохимический путь разрядки возбужденных электронных состояний играет решающую роль в механизме биологического действия УФ-излучения. Физиологические эффекты ультрафиолетового излучения Ультрафиолетовое излучение является наиболее активно действующей частью спектра. При облучении оно поглощается самыми поверхностными слоями кожи, не вызывая ощущения тепла. Наибольшее его количество поглощается эпидермисом (глубже 0,5 мм ультрафиолетовое излучение проникает в незначительном количестве). Наличие в коже пигмента увеличивает поглощение ультрафиолетовых лучей. При их поглощении увеличивается просвет капилляров кожи, изменяется ее окраска. При достаточной интенсивности излучения на коже после облучения появляется покраснение (через 2-6 ч) — световая эритема. Эритема, достигнув максимума, держится от 12 ч до нескольких дней (в зависимости от дозы и чувствительности организма). Через 4-5 дней после ультрафиолетового облучения, вызвавшего воспаление кожи, появляется шелушение, при котором часть рогового слоя отпадает. На месте облучения постепенно появляется более или менее выраженная пигментация (так называемый загар). Интенсивность реакции кожи на воздействие ультрафиолетового излучения зависит от ряда причин, в основном от состояния нервной системы. Так, выключение чувствительных нервов сопровождается снижением интенсивности ультрафиолетовой эритемы. При заболеваниях спинного мозга чувствительность кожи к ультрафиолетовому излучению понижается. Эритемные дозы ультрафиолетового излучения заметно снижают болевую чувствительность. Под влиянием ультрафиолетовых облучений в коже и крови образуются продукты расщепления белковой части клеток (гистамин и другие), что имеет лечебное значение. Антирахитическое действие ультрафиолетового излучения заключается в том, что под влиянием этого излучения в облученной коже образуется витамин Б. Поэтому ультрафиолетовое облучение (УФО) является специфической лечебно-профилактической процедурой у детей, страдающих рахитом. Широко используют бактерицидное действие ультрафиолетового излучения, механизм которого обусловлен его влиянием на протоплазму бактерий, в результате чего прекращается обмен веществ в бактериальной клетке, и она гибнет. Особо сильно выражено бактерицидное действие излучения с длиной волны в пределах 260-250 нм. Различные виды бактерий гибнут под влиянием света в разные отрезки времени. Различают прямое и непрямое бактерицидное действие ультрафиолетового излучения. В результате прямого действия облучаются микробы, находящиеся на поверхности раны, слизистой оболочке, а также в воздухе; при этом воздействуют непосредственно на бактерии. В живом же организме бактерии существуют на такой глубине, куда ультрафиолетовое излучение проникнуть не может. Непрямое бактерицидное действие связано с усилением иммунобиологических свойств организма под влиянием ультрафиолетового излучения. Под влиянием ультрафиолетового излучения размножаются клетки кожного эпителия, что ведет к утолщению рогового слоя; усиливается и рост волос. Чувствительность кожи к ультрафиолетовому излучению. Наиболее чувствительна к ультрафиолетовому излучению кожа верхней части спины, нижней половины живота и пояснично-крестцовой области, затем следует кожа грудной клетки, лица и нижней части спины. Кожа на сгибательной поверхности конечностей более чувствительна, чем на разгибательной. Кожа ладоней и подошв отличается наименьшей чувствительностью. Чувствительность кожи к ультрафиолетовому излучению зависит от ряда причин, она повышается, например, в периоды беременности и менструации. У детей, особенно раннего возраста, эта чувствительность выражена сильнее, чем у взрослых; у них реакция покраснения кожи появляется и исчезает быстрее, чем у взрослых. Повышенная чувствительность кожи имеется и при некоторых заболеваниях, например, при экземе, базедовой болезни. На чувствительность кожи влияют некоторые лекарства и раздражение соответствующих участков кожи, например водой или электрическим током. Чувствительность кожи к ультрафиолетовому излучению у разных людей неодинакова; при этом имеет значение возраст и пол. Более нежная, светлая и влажная кожа отличается большой чувствительностью; у людей с сухой кожей чувствительность к ультрафиолетовым лучам понижена. Весной чувствительность кожи к ультрафиолетовому излучению достигает максимума, летом она снижается, вновь повышаясь к осени. После облучения ультрафиолетовым излучением чувствительность кожи к нему понижается. Пигментация кожи. Кожный пигмент меланин расположен в коже неравномерно. Под влиянием света содержание его увеличивается. Наиболее интенсивный и стойкий характер имеет пигментация, обусловленная воздействием всего спектра. Под влиянием интенсивного ультрафиолетового облучения получается равномерная пигментация, которая обусловлена скоплением в коже клеток, содержащих пигмент. Эритему с последующей пигментацией наблюдают у большинства лиц с розовой, нормально функционирующей кожей. Пигментированная кожа менее чувствительна к ультрафиолетовому излучению, и она поглощает это излучение в большей степени, чем непигментированная. Неумеренное пользование ультрафиолетовым излучением далеко не безвредно. Так, некоторые больные и здоровые лица стараются дольше подвергаться облучению солнцем, чтобы получить хорошо выраженный загар. Однако через некоторое время после облучения это может привести к ухудшению их общего состояния и обострению затихших процессов. При дозированных облучениях всегда предварительно устанавливают порог индивидуальной чувствительности к ультрафиолетовым лучам, т. е. биодозу. Инфракрасное излучение и его применение в медицине. Инфракрасное излучение -- электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с частотой 430 ТГц) и микроволновым радиоизлучением (частота 300 ГГц). Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приёмниками, а также специальными фотоматериалами. Весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих: · коротковолновая область: л = 0,74--2,5 мкм; · средневолновая область: л = 2,5--50 мкм; · длинноволновая область: л = 50--2000 мкм. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. История открытия Инфракрасные лучи открыты Ф. Гершелем в 1800 г. Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действия разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения. Гиппократ писал о способе применения инфракрасных лучей для обработки различных ран, кожных повреждений, обморожений и т.д. Еще с античных времен инфракрасные лучи используются в медицине, в те времена врачи применяли для лечения болезней нагретые соль, глину, железо, песок и даже горящие угли. Таким способом излечивались ушибы, кровоподтеки, обморожения, язвы и фурункулы. Раньше лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскалённые тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. В 1984г. Благодаря доктору Келлогу, который ввел в медицину электрические лампы накаливания, были с успехом применены инфракрасные лучи в лечении заболеваний печени и желчного пузыря, суставов, лимфатической системы, плевритов, органов брюшной полости. Применение инфракрасного излучения в медицине Инфракрасные лучи благотворно воздействуют на человеческий организм в целом, способствуют лечению и профилактике многих заболеваний. Инфракрасные лучи оказывают лечебные эффект при лечении переломов, активизируют обмен в парализованных органах, улучшают обмен веществ, стимулируют работу эндокринных желез, способствуют заживлению ран, улучшают метаболизм и помогают в борьбе с ожирением. С помощью инфракрасных лучей были созданы аппараты для создания испарины, принятия солнечных ванн, загара. Также были созданы простые излучатели, в которых используются лампы при высоких температурах: инфракрасные лампы, солнечные концентраторы. Раньше считали, что инфракрасные лучи не оказывают никакого действия на ткани, ни физического, ни биологического или химического. Считали, что эффект, производимый инфракрасными лучами, имеет в основном тепловую роль. Инфракрасные лучи оказывают благотворное воздействие на растения, животных и культур клеток. У человека и животных улучшались процессы обмена вследствие активизации кровотока. Опытными врачами и учеными было подтверждено, что инфракрасные лучи оказывают на организмы стимулирующее, болеутоляющее, противовоспалительное и антиспазматическое действие. Болеутоляющее действие на организм оказывает гиперемия, вызванная инфракрасными лучами, а также инфракрасное излучение способствуют улучшению циркуляции крови. Врачи подтверждают тот факт, что при операциях, проведенных под инфракрасным излучением, гораздо легче переносятся послеоперационные боли и ускоряется процесс регенерации клеток. Инфракрасные лучи помогают почти полностью исключить возможность внутреннего охлаждения во время операции открытой брюшной полости. Также при использовании инфракрасных лучей во время хирургического вмешательства понижается вероятность возникновения операционного шока. Применение инфракрасных лучей у пациентов с ожоговыми повреждениями кожи создает благоприятные условия для удаления некроза и проведения аутопластики. Также такая терапия снижает время лихорадки, гипопротеинемии и анемию. Уменьшается вероятность осложнений и внутрибольничную инфекцию. Инфракрасное излучение значительно улучшает состояние суставов и мышц. Оказывает отличный эффект разогрева мышц перед физическими нагрузками, уменьшает риск возникновения травм и растяжений, снижает боли неврологического характера. Также ИК- лучи снижает боль при травмах, способствует притоку крови к мышцам, снижает спазматическое сокращение мышц, судороги. Также использование инфракрасных лучей значительно улучшает подвижность соединительной ткани и суставов. Заключение Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время инфракрасные лучи применяются в физиотерапии. И показаны для лечения многих заболеваний. Лечебный эффект инфракрасного облучения определяется механизмом его физиологического действия - он ускоряет обратное развитие воспалительных процессов, повышает тканевую регенерацию, местную сопротивляемость и противоинфекционную защиту. Нарушение правил проведения процедур может привести к опасному перегреву тканей и возникновению термических ожогов, а также к перегрузке кровообращения, опасной при сердечно-сосудистых заболеваниях. Абсолютными противопоказаниями являются опухоли (доброкачественные или злокачественные) или подозрение на их наличие, активные формы туберкулеза, кровотечение, недостаточность кровообращения. Опасность для здоровья Очень сильное инфракрасное излучение в местах высокого нагрева может высушивать слизистую оболочку глаз. Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. В таких ситуациях необходимо надевать специальные защитные очки для глаз. Инфракрасное излучение с длиной волны 1.35 мкм, 2.2 мкм при достаточной пиковой мощности в лазерном импульсе может вызывать эффективное разрушение молекул ДНК, более сильное, чем излучение в ближнем ИК-диапазоне Излучение света возбужденными молекулами: фотолюминесценция, хемилюминесценция и фосфоресценция. Фотолюминесценция делится на флуоресценцию (кратковременное послесвечение) и фосфоресценцию (сравнительно длительное послесвечение) (не менее 10-3 сек). Фотолюминесценцию жидкостей и твердых тел можно наблюдать при освещении их видимым или ультрафиолетовым светом. Примером может служить свечение обыкновенного керосина, серной кислоты, раствора флуоресцеина, зеленое свечение стекол с примесью солей урана, красное свечение стекол с примесью солей марганца, синей - с примесью солей церия. Светятся также различные краски и особые неорганические составы и минералы, которые называют фосфорами (люминофорами). Спектр люминесценции в целом и его максимум всегда оказывается в области более длинных волн по сравнению со спектром поглощенного излучения, способного вызвать эту люминесценцию (рисунок). Это правило называется правилом Стокса. Энергия падающего фотона hn0 расходуется на излучение (hn1) и безизлучательные процессы (A) внутри вещества: hn0 = hn1 + A. (1) В жидких и твердых веществах спектр люминесценции не зависит от спектра возбуждающего света (или от длины волны поглощенного излучения, если оно является монохроматическим). Если в пределах спектра поглощения изменять частоту возбуждающего света, то спектр люминесценции при этом не меняется. Он характеризует люминесцирующее вещество и обусловлен природой его молекул, а не энергией возбуждающего фотона. Энергия, затраченная на возбуждение молекул вещества, превращается в энергию излучения не полностью, а часть энергии рассходуется на различные безизлучательные процессы в веществе. Процессы, приводящие к рассеиванию энергии, называются тушением люминесценции. Хемилюминесценция – излучение тел в видимом диапазоне при протекании химической реакции. Основывается данный эффект на том, что в результате некоторых химических взаимодействий может выделяться энергия, причем выделяется она в виде света. Связано это с переходами электронов между энергетическими уровнями. По закону сохранения, электрон, переходя с более высокого энергетического уровня на более низкий должен отдать часть своей энергии, равную разности энергий этих уровней. Отдача может происходить как в виде выделения тепла, так и в форме испускания кванта света. Рассмотрим весь процесс в целом более подробно. Процесс хемилюминесценции разделяют на 2 этапа: 1) Образование продукта в электронном возбужденном состоянии (хемилюминесцентная реакция); Это означает, что в получившемся веществе электроны молекул или атомов занимают не все нижние уровни, и существуют пустые незаполненные места. A + B -> C* 2) Испускание кванта света (люминесценция); Электронам энергетически выгоднее перейти на более низкие уровни, если там есть незаполненные места. C* -> C + фотон Важно отметить, что биолюминесценция является частным случаем хемилюминесценции. Основное отличие состоит в том, что реакции проходят в живых организмах. Как правило, с помощью хемилюминесценции определяют составы веществ, наличие различных радикалов, металлов, окислов, проводят анализ нанотрубок, квантовых точек, биологических объектов и т.п. Поскольку свечение происходит в видимом спектре, то это автоматически открывает возможность использовать видео- и фото камеры стандартного диапазона длин волн. Однако зачастую излучение имеет очень слабовыраженный характер, и, следовательно, регистрирующая техника должна обладать высокой чувствительностью. |