БТ - 2024 - Лекция - Фотобиофизика-1 PDF

Kатедра Биофизика и радиобиология Лекционен курс по Биофизика и радиобиология Раздел: Лекция 1 Лектор: проф. В. Голцев  ОСНОВИ НА ФОТОБИОФИЗИКА  Фотобиология – раздел от биологичната наука, който изучава закономерностите и механизмите на действие на светлината въ...

Kатедра Биофизика и радиобиология Лекционен курс по Биофизика и радиобиология Раздел: Лекция 1 Лектор: проф. В. Голцев  ОСНОВИ НА ФОТОБИОФИЗИКА  Фотобиология – раздел от биологичната наука, който изучава закономерностите и механизмите на действие на светлината върху биологични системи с различна степен на организацията.  Фотобиофизика изучава предимно първичните стадии на взаимодействие на светлинните кванти с биологичните структури: макромолекули, мембрани, клетки и тъкани. Основен предмет – фотобиологичен процес. Биологични процеси, протичащи със задължителното участие на светлинните кванти се наричат фотобиологични. ФБП включва 4 последователни стадия:  фотофизичен - поглъщане на светлинните кванти, вътрешно- молекулни процеси на трансформация на възбудната енергия, междумолекулен пренос на енергията.  ~ 10-16  10-8 s; следва... Първична фотохимия  Последователни стадии на ФБП :  първична фотохимия - образуване на първични фотопродукти, притежаващи висока химична активност. Често това са съединения със свободнорадикална природа.  ~ 10-8  10-2 сек; следва... тъмнинен Последователни стадии на ФБП :  тъмнинен - образуване и превръщания на междинни фотопродукти - първите устойчиви химични съединения.  ~ 10-2  100 сек;  краен биологичен макроефект - молекулни механизми на реализация на настъпилите промени и използуване на синтезираните фотопродукти.  Класификация на фотобиологичните процеси. Според термодинамичен критерий: ендергонични G > 0 екзергонични G < 0  Класификация на фотобиологичните процеси. Според биологичен макроефект: функционално-физиологични деструктивно-модифициращи луминесцентни  Фотобиологични процеси Функционално- Деструктивно- физиологични модифициращи Луминесцентни Енергетични Информационно- регулаторни Биосинтетични Енергетичните ФБП физичната енергия на светлинните кванти се трансформира в химичната енергия на новосинтезирани органични съединения; – фотосинтезата (хлорофилна, бактериородопсинова) – пигментите (хлорофил, бактериохлорофил, бактериородопсин и др.) не се изразходват в процеса на тези реакции, а играят ролята на фотокатализатор Информационни ФБП светлинните кванти тригерират (пускат) специализирани усилващи механизми, в резултат на които организмът получава информация за ситуацията в околната среда. Към тази група спадат: – зрителната рецепция; – таксиси; тропизми; периодизми; – регулаторни ФБП – фоточуствителни хормони (фитохром). Биосинтетични ФБП синтезътна някои биологично важни молекули само след поглъщане на светлинни кванти.  хлорофил: протохлорофилид хлорофилид;  провитамин D витамин D;  биосинтезата на пигментите (флавини, цитохроми, каротиноиди): индукция на синтезата на специфични белтъци.  Фотобиологични процеси Функционално- Деструктивно- физиологични модифициращи Луминесцентни Енергетични Информационно- регулаторни Биосинтетични Пато- физиологични Деструктивнo-модифициращи светлината и електронно-възбудените състояния на молекулите модифицират някои биомакромолекули, след което те не могат да изпълняват свойствените им функции в организма. Летални реакции гибел на организма или загубата на размножителната му способност обикновено са резултат на действие на високоенергетичното ултравиолетово лъчение върху такива биологично важни макромолекули като ДНК и РНК. Мутационни реакции УВ светлина + ДНК мутантни форми на организмите. Патофизиологични реакции временни нарушения на метаболизма и физиологичното състояние на клетката. Хромофори: белтъци, нуклеинови киселини, липиди, витамини и др. ФБП, протичащи в кожните тъкани под действие на УВ светлина – еритема, едема, канцерогенезис. Фотодинамично действие на светлината – реакции с участие на ROS Репарационни механизми за премахване на модифицираните молекули или възстановяването им.  Фотобиологични процеси Функционално- Деструктивно- физиологични модифициращи Луминесцентни Енергетични Био- луминесценция Информационно- регулаторни Биосинтетични Пато- физиологични Луминесцентни ФБП светлината не е субстрат, а продукт на протичащи в биологичния обект реакции. Биолуминесценция достатъчно интензивно светене на живите организми, образуващо се при функциониране на специализирани ензимни системи. за осъществяване на тези екзотермични химични реакции се изразходва енергията на високоенергетични метаболити на клетката (такива, като АТФ, НАД-Н и др.). Биохемилуминесценция представлява слаба светлина, съпровождаща реакции на прекисно окисление на органични съединения (например, липиди). Тя е резултат на рекомбинацията на образуващите се при тези реакции свободни радикали.  Фотоиндуцирана хемилуминесценция продължителното излъчване на светлинните кванти след прекратяване на осветяването на обекта. то се дължи на излъчването на хлорофилните молекули, възбудени в резултат на рекомбинация на разделените заряди във фотосинтетичните реакционни центрове.  Взаимодействие на светлинните кванти с растителните тъкани Отразена светлина Падаща светлина Разсеяна светлина Процеси на излъчването: Флуоресцения Забавена флуоресценция Фосфоресценция Преминаваща светлина Пътищата за използването и разсейването на светлинната енергия Понятието за цвят Цветът на оцветените обекти е резултат от избирателното поглъщане от багрилото на определени участъци от непрекъснатия спектър на бялата светлина. Цвят – смесена светлина с  непогълнати от веществото. Погълнатата + непогълнатата бяла Допълнителни цветове. Електронни преходи в биологично важни молекули.  Електронни преходи в биологично важни молекули Енергията на молекула в дадено електронно състояние зависи от относителните координати на нейните атоми и по този начин от вътрешните трептения. Вибрационната вълнова функция i,v може да бъде изразена като произведение на електронна вълнова функция i (включително и спинова) и вибрационна вълнова функция v: i,v  i(q,Q) v(Q), където q представлява координатите на електрона и неговия спин; Q - ядрени координати; i и v – номера на електронно и вибрационно състояние, съответно. Криви на потенциалната енергия за хармоничен осцилатор За реални молекули се използва приближението на анхармоничен осцилатор Принцип на Франк - Кондон Оптически индуцираните електронни преходи протичат толкова бързо, че за това време ядрените координати остават непроменени. Затова на диаграмите на потенциалните енергии те са изобразени чрез вертикални линии. Принципът на Франк-Кондон обяснява формирането на спектрите на поглъщане и излъчване на отделните молекули и присъсътвието в тях на изразени вибрацонни ивици с различен интезитет. Най-висока вероятност ще имат преходите, за които положението на атомите не се нуждае от значителна промяна. Това са v=0 v'=0 и v=0 v'=2, съответно за двата случая, като тези преходи отразяват главните максимуми на адсорбционните спектри.  Франк-Кодонови профили на вибрационните преходи 0 → 0’ 0 ← 0’ F A 0 → 0’ Á 0 ← 0’ A, F, î òí. åä. A, F, rel.u. F A F A F , í ì , í ì А – адсорбция; F – флуоресценция; F – флуоресцентно изместване. А) re=re* – re  0; Б) re  0.  Спектър на поглъщане зависимост на един от параметрите, характеризиращи поглъщателната способност на молекулата (коефициента на екстинкцията , оптическата плътност D или пропускането Т на пробата) от дължината на вълната  (или честотата на трептенията ) на светлинните кванти. Всеки спектър на поглъщане – сума от индивидуални ивици на поглъщане, всяка от които съответствува на прехода между две определени електронни състояния.  Индивидуалните ивици на поглъщане в спектъра  max – максималното max поглъщане или интензитета на поглъщането; max  1/2 max – положението на максимума на спектралната ивица; 1/2 – полуширината max на ивицата.  max или max – E; 1/2 или 1/2 – 0, агрегация, взаимодействие с разтворители, температура.  хипер- хипсо- бато- хипо-  S2 T2 вск вк a икк S1 T1 a фл вк фф S0  S0S1 и S0S2 *   103  105 М-1см-1;  n*  102 М-1см-1; S 0 Т1   10-3М-1см-1.  Атоми или групи атоми, определящи електронните абсорбционни преходи в молекулата се наричат ХРОМОФОРИ. ХРОМОФОРИ За спектралната област 200-800 нм хромофорите задължително съдържат n или  електрони.  Ауксохроми  групи атоми, които са прозрачни в областта от 200 до 1000 нм, но присъединени към дадения хромофор, променят неговия спектър на поглъщане:  хидроксилнагрупа (-ОН) – бато- ;  амино (R-NН или H-NR ) – бато- ; 2 2  метилова група (-СН3).