Тобы: 05 а курс: курс Мамандығы: Жалпы медицина Қабылдаған: Өтеуова Ұлдана Алматы,2023 Жоспары
жүктеу/скачать 49,03 Kb.
|
Биофизика 11
| Фотохимиялық реакциялар: фотодимерлену, фотоконденсаттану, фотоиондану, фотототықтыру, фотогидролиз, т.б. болып бөлінеді. Бұл реакциялардың практикалық маңызы зор. Күн сәулесі энергиясын пайдаланатын өсімдіктердегі фотосинтез процесі және фотография процестер Фотохимиялық реакциялардың қатысуымен жүреді.
Фотохимиялық реакциялар деп химиялық реакцияға түсетін заттардың бірі сәуле квантын өзіне сіңіріп, нәтижесінде өзі активті бөлшекке айналып онан әрі жүретін реакцияларды айтады. Фотохимиялық процестерді екі топқа бөлуге болады. Бірінші процестерде сәулелену себепші болады. Бұлар сәуле әсерінсіз де жүре алады . Сәуле энергиясы тек активті бөлшектердің пайда болуына себепші болып , процесс ағымын катализдейді . Екінші топқа берілген жағдайда өздігінен жүре бермейтін процестер жатады. Ол үшін сырттан жұмсалатын жұмыстың болуы шартты нәрсе. Бұған қажетті энергия сәуле толқынындағы электромагнит түрінде жеткізіледі. Затқа сіңген сәуле, бұл системадағы энергия қорын арттырып , тепе - теңдік константасын өзгертеді. Фотохимиялық реакцияларға өсімдіктегі фотосинтез, бояулардың оңуы, сәуле әсерінен ыдырау реакциясы, суретке түсіру құбылысы және тағы басқа процестер мысал болады. Фотохимиялық реакциялар газдарда да, сұйықта да, катты заттарда да жүре береді. Алғашқы рет 1817 жылы К. Гроттус тек системаға дарыған сәуле ғана химиялық өзгеріс туғызатынын анықтады. Ал, 1855 жылы Р. Бунзен хлор мен сутек арасындағы реакциядан шығатын өнімнің мөлшері әрекеттесетін газ қоспасына түсетін сәуле жарықтығы мен сәуле түскен уақытқа пропорционалдығын көрсетеді. К. А. Тимирязев (1875) және Вант-Гофф (1904) сәуле әсерінен жүретін реакциялардағы химиялық өзгерістерге тап болатын заттардың және осы тұста жаңадан түзілетін өнімнің мөлшері оларға дарыған сәуле энергиясына тура пропорционал болатынын ашты. Сәуле табиғатының (1910) кванттык құрылымын анықтаған жаңалық фотохимиялық процестердің негізгі теориялық жағдайын қалыптастыруға мүмкіндік туғызды. 1912 жылы А. Эйнштейн ашқан фотохимиялық эквиваленттік заңы аса маңызды бетбұрыстың бірі: алғашқы фотохимиялық айналу актісіне кезіккен молекула саны осында дарыған сәуле квантының санына тең. Фотохимиялық реакциялардың бастапқы өнімдері өте тұрақсыз болып олар бастапқы күйіне қайтадан өтуі немесе тұрақты фотоөнімдердің таралымы өте аз болып , оларды қарапайым физико – химиялық әдіспен анықтау мүмкін болмайды. . Бастапқы фотоөнімді анықтауға арналған әдістеме ол – импульсты фотолиз әдістемесі . Бұл әдістемеде үлгі күшті жарықпен жарықталынады . Ол үлгі молекулаларының көпшілігін бір уақытта қозған күйге өткізеді . Пайда болған қозған фотоөнімдердің спектрін анықтауға болады . Олар бірнеше микро немесе миллисекунд аралығында жоғалып кетеді . Осындай өнімдерін анықтау және оларды талдау олардың жарықты жұту спектрін және “өмір сүру” уақытын өлшеу арқылы жүргізіледі . Импульстік фотолиз әдісі қалыпты температурада ерітіндіде триплетті молекулалардың жойылуын тікелей бақылауға мүмкіншілік береді . Фотобиологиялық процесстерге биологиялық маңызды қосылымдардың жарықты жұтуынан басталатын және физиологиялық реакциямен аяқталатын процесстер жатады. Барлық фотобиологиялық процесстерде жарықтың энергиясы химиялық түрлендірулердің активациялық тосқауылдарынан өту үшін қолданылады. Жарықтын әсерінен қозған молекуланың реакциялық қабілеттігіне бірқатар факторлар әсерлерін тигізеді. Реакцияға түсу қабілеті қозған электронның энергетикалық деңгейінің қалпына тәуелді.Бұл деңгей энергетикалық тосқауылдан өтуді қамтамасыз етеді. Фотохимиялық рекцияның орындалуында қозған қалыптың өмір сүру уақытының маңызы аса зор, өйткені бұл уақыттың ішінде молекула артық энергияны сақтайды. Сондықтан көптеген фотохимиялық реакцияларға триплетті қозған қалыптағы молекулалар қатысады, өйткені мұндай молекулалардың синглетті қалыппен салыстырғанда өмір сүру уақыты анағұрлым көп болады. Оның үстіне мұндай молекула бирадикал болып табылады. Барлық фотохимиялық реакциялар біркванттық механизм бойынша жүреді (реакцияға түсетін молекула тек қана жарықтың бір квантын жұтады). Тек қана күшті лазерлі сәулеленудің әсерінен молекула екінші квантты жұтуға үлгере алады да бір молекуланың екіфотонды қозуы пайда болады және молекула жоғары қозған деңгейлерге көшеді. Бірақ тек қана фотосинтез кезінде жарық сәулелердің энергиясы өнімдердің (глюкоза) химиялық байланыстарының энергиясы түрінде жинақталады, өйткені бастапқы заттармен (СО2 және Н2О) салыстырғанда олардың еркін энергиясының қоры молдау болады. Басқа фотобиологиялық процесстерде жарық фотохимиялық реакцияларға әкелетіндігіне қарамастан, реакцияның өнімдерінде артық еркін энергияның молшері бастапқы заттармен салыстырғанда көп болмайды. Бірақ фотохимиялық кезеңнен кейін жүретін жарық шығарусыз кезеңдерде күрделі физиологиялық-биохимиялық түрленулердің нәтижесінде биоқұрылымдарда энергияның мөлшері жоғары болуы мүмкін. Ондай түрлендірулердің (жарықтың морфогензге, пигменттердің синтезіне, дем алуға фотостимуляциялық әсері) жалпы энергиялық эффектісі өте жоғары болғанымен тікелей жарық сәулелерінің энергиясы жинақталмайды. Фотобиологиялық процесстердегі айналымдардың тізбегі: хромофорлық топпен жарықты жұту және электрқозған қалыптардың пайда болуы – электронды қозудың энергиясының миграциясы ® бірінші фотофизикалық акт және бірінші фотоөнімдердің құрылуы – аралық кезеңдер ® бірінші тұрақты химиялық өнімдердің құрылуы ® физиологиялық-биохимиялық процесстер ® ақырғы фотобиологиялық өнім. Барлық белгілі фотобиологиялық процесстер екі топқа бөлінеді: негативті (деструктивтік) және позитивтік (реттеуші) фотобиологиялық процесстер. Негативті фотобиологиялық процесстердің ағзадағы екі түрі болады: фототоксикалық және фотоаллергиялық. Фототоксикалық эффекттерге аллергиялық реакциялармен қатар жүрмейтін, терінің не көздің зақымданулары жатады. Олардың клиникасынка эритема, эдема, пигментация, көз жанарының бұлдырауы және т.б.жатады. Фотоаллергиялық эффекттерге аллергиялық сенсибилизацияның бірінші иммунологиялық механизмі кіреді. Позитивті фотобиологиялық эффекттерге көру қабілеті, фотопериодизм (тәулік және жыл ішіндегі тіршілік циклдерін жарық-қараңғы фазаларының ауысуы арқылы реттеу). Адам мен сүтқоректі жануарларда фотопериодизмнің рецептор көздері бар, кейбір құстарда - гипоталамус, балықтарда - эпифиз, жәндіктерде - ми. Тағы бір позитивті механизм – ультракүлгін әсерінен провитаминдерден Д витаминнің құрылуы. Өсімдіктерде маңызды фотобиологиялық процесстер - фотосинтез, фототаксис, фототропизм және фотопериодизм. Сонымен, фотобиологиялық процесстердің көптігіне қарамастан олардың әр қайсысының құрамына келесі кезеңдер кіреді: Жарық квантын жұту Энергия алмасуының молекула ішіндегі процесстері Энергияның көшуі Бірінші фотохимиялық акт. Фотохимиялық өнімдердің жарықсыз өзгерулері, тұрақты өнімдердің құрылуымен аяқталады Фотоөнімдердің қатысуымен жүретін биохимиялық реакциялар Жарық әсеріне жалпыфизиологиялық жауап. Биофизиканы тек қана бірінші бес процесс қызықтырады. Әр түрлі толқынды жарық сәулелерінің әсер ету сипаттамалары ерекше. Адамға көбінесе жарық аймағының үлкен жиынтығы өз әсерін тигізеді. Адамның ағзасына тигізетін биологиялық әсерінің сипаттамасына сәйкес барлық спектралды аймақты былай етіп бөледі: Инфрақызыл аймақ (толқындардың ұзындығы 750 нм астам) жылулық эффекттер үшін жауапты. Көрінетін аймақ (400-750 нм) көру, фотопериодизм. Ультракүлгін аймақ (200-400 нм) үш аймаққа бөлінеді: а) қысқатолқынды УК-C (200-280 нм) б) ортатолқынды - УК-В (280-315 нм) в) ұзынтолқынды - УК-A (315-400 нм) Күннің сәулелерінің экологиялық УК компонетіне 290 нм. ұзын толқындар жатады, қысқатолқынды УК сәулелері жерге дейін жетпейді, өйткені олар атмосфераның озонында жұтылады. Әр түрлі УК сәулелерінің биологиялық әсері әртүрлі. УК-А – күннің көзіне күю, провитаминдерден Д витаминнің синтезі, фотоаллергиялық және сенсибилизацияланған фототоксикалық эффекттер. УК-В- эритема, эдема, күннің көзіне күю, көздің күйігі, канцерогенез, Д витаминнің синтезі УК-С- эритема, күннің көзіне күю, канцерогенез, мутациялар, бактерицидті эффект. 1.2.Фотобиологиялық әсерлердің спектрлері Фотобиологиялық әсерлердің спектрі дегеніміз фотобиологиялық эффекттің әсер ететін жарықтың толқынының ұзындығынан тәуелдігі. Фотобиологиялық әсерлердің спектрлері биологиялық процесті тиімді түрде шақыратын спектр аймағын анықтау үшін ғана емес, сонымен бірге бұл биологиялық процессте қандай зат жарық кванттарының акцепторы болатындығын анықтауға мүмкіндік береді. Әсер ететін жарықтың сандық сипаттамасы болып фотохимимиялық реакцияның көлденен кесіндісі деп аталын шама саналады. Бұл шама кванттық шығуының кюветаның ауданына көбейтіндісіне тең болады. Фотохимияда әсер етудің спектрі болып ферменттің инактивациясының көлденең кесіндіcінің әсер ететін жарық толқынының ұзындағына тәуелдігі саналады. О. Варббургтың жұмыстарымен дәлелденген заң: ерітінділердегі фотохимиялық реакциялардың кванттық шығуы әсер ететін жарықтың толқынының ұзындығына тәуелсіз. Бұл заңның физикалық маңызы люминисценциядағы Вавиловтың заңына сәйкес келеді – фотохимиялық реакцияға қозған қалыптың ең төменгі деңгейіндегі молекулалар қатысады. Бұл заңның салдары: s =sjx болғандығынан s (l) әсер ету спектрінің формасы жеке зат үшін оның S(l) жұту спектріне сәйкес келеді. Биологиялық жүйедегі дозалық қисық сызықтар бойынша әсер етудің спектрін өлшеу ешқандай спектралдық өлшеусіз фотолизге ұшыраған заттын жұту спектрін, ақырғы фотобиологиялық эффект үшін күрделі жүйенің қай компонентінің фотолизі жауапты екендігін табуға болады. Қарапайым оқиға. Трипсиннің фотобиологиялық әсер ету спектрінің және сол ферменттін жұту спектрінің қисық сызықтарын қарастырайық (сурет 3). Трипсинде 3 бас хромофорлар болады: триптофанның, тирозиннің және цистиннің қалдықтары. Олар трипсиннің жұту спектрі үшін жауапты. Әсер ету спектрі бұл спектрді толығымен қайталайды, сондықтан ақуыздың инактивациясы үшін барлық үш аминоқышқылдардың инактивациясы керек деп айтуға болады. Күрделі фотобиологиялық процестерде ақырғы эффект алдында жартылай қайтымды фотохимиялық процесстер мен жарық шығарусыз кезеңдер жүреді. Онда: кинетикалық тепе-теңдік орындалмауы мүмкін және әсер ету спектрін анықтау үшін s қалай анықтауға болатындығы белгісіз. Көбінесе мұндай жағдайда ордината осі бойынша барлық толқындар ұзындықтары үшін бірдей фотобиологиялық эффектті шақыратын Дс дозасына теріс Э «жарықтың тиімділігі» шамасы салынады. Эритеманың әсер ету спектрінде ордината осінде «эритемалық тиімділік» деп аталатын шаманы салады, ол шама минималды эритемалық дозасына (МЭД) теріс пропорционалды. МЭД- минималь эритемдік доза ,яғни ең минималь байқалатын эритеманың пайда болуын туғызатын сәулелену дозасы. Мұндай шама адамның күннің көзіне күю, өсімдіктердің фототропизм және фототаксис ,көздің сезімталдығы т.б спектрлерін салу үшін алынады. Күрделі биологиялық жүйелердің әсер спектрлерін қарасыруда жоғарыда айтылған салыстырмалы түрде қарапайым саналатын суреттеме экранировка эффекттісі кезінде шамасынан ауытқуы мүмкін. Экранировканың мәні объектіге түсірілген жарық сол объектінің жоғары беткі қабаттарында жұтылуы мүмкін.Және оның терең қабатында әсер етуші жарық интенсивтілігі түсетін жарық интенсивтілігінен төмен болып шығады. Бұл интенсивтілік бізге белгілі. Зерттеліп жатқан фотобиологиялы процессте квант акцепторларының табиғаты нақтыланған кезде бұл рецепторда қандай нақты фотохимиялық реакция жүретінін айқындап білуге болады. Димеризацияның пиримидиндік негіздердегі электрондық қозу жағдайының қалай жүретінін , тиминдік сұйықтарда , ДНҚ – ның өшіретін триплеттік негіздермен және фотосинсебилизация әдісімен зерттеген . Тиминді триплеттік сөндіргіштермен шағылыстырғанда циклобутандық димерлердің шығуының азаюы , тиминдік димерлердің триплеттік негіздердің жағдайы арқылы өтетіні айқындалады . Бірақ та дәл сол триплеттік негіздер ДНҚ – ның тиминдік димерлерінің түзілуіне ешқандай әсері жоқ . Сол себепті де ДНҚ – дағы тиминдердің димеризациясы негіздердің синглетті қозу жағдайында жүреді деп есептеуге болады . Алайда триплеттік сөндіргіштердің ДНҚ – лардың димерінің шығуының әсерінің жоқтығы , тимин молекулаларының жақын және қолайлы орналасуы триплеттік деңгейдегі димеризация жылдамдығының константасынан жоғары . Егер осы тұжырымдама дұрыс болса , онда ДНҚ тиминдерінің димеризациясы триплеттік жағдай арқылы жүзеге асады . Бұл реакция алғаш рет тиминді сұйықтықтарды ультракүлгін сәулелерімен шағылыстарғанда табылған . Ол 5,6 екіреттілік көміртек байланысымен түзілген циклобутанның сақинасынан тұратын екі негіздіболып табылады. Қысқа ультракүлгін сәулелері әсерінен 70 – 80 % летальды зақымдануы бар ДНК бір тізбегінде тимин димерлері түзіледі . Димеризация реакциясының негізгі белгісі болып оның фотоқалпына келуі . Пиримидиндік негіздер 200 – 300 нм қашықтықтағы сәулелерді жұтады , ал олардың димерлері ультракүлгін сәулесінің 200 – 285 нм диапазонында . Сол себепті де ДНК немесе негіздерді ультракүлгін сәулелермен шағылыстарған кезде әрбір толқын ұзындығына қоздырылған жарықтың димерлер мен негіздердің арасында динамикалық тұрақтылық орнатады. ДНК дағы тиминдік негіздердің негізгі фотохимиялық реакцияларының бірі болып табылады . Пиримидиндік сақинаға су молекуласының көміртектік байланысты бұзып қосылуының айтамыз . Димеризация реакцияларына қарағанда фотогидратация фото қайтымды процесске жатпайды . Алайда гидраттар жоғары температура , сұйықтың иондық күшінен және рһ өзгерісінен бұзылуы мүмкін . Фотогидратацияның жылдамдығы H2O ның D2O ге айналысында азаяды . Триплеттік өшіргіштер фотогидратацияға әсер етпейді . Реакцияның кванттық шығуы ультракүлгін сәулесінің толқын ұзындығына тәуелді емес . Фотогидратация процессінің бір ерекшелігі ол тек бір ДНК молекуласында болады. Сол себепті пиримидин гидраттары тек ұдайы репликацияланатын және транскрипцияланатын жасушаларға әсерін тигізеді . Тірі клеткаларды зерттеуде флуресценттік микроскопия әдісі мен флуоресценттейтін бояулар кеңінен қолданылады. Оның мәні бір заттардың жарық энергиясын жұтылуындажарықтандыру қасиетіне ие болуымен қорытындыланады. Флуоресценттік сәулелендіру қоздырғышының қатынасы бойынша флуоресценттік спектр әрқашан үлкен ұзындықтағы толқындар жағына ауытқиды. Мысалы, бөлініп алынған хлорофилл ультракүлгін сәуле көмегімен қызыл түспен жарықтанады. Бұл принцип флуоресценттік микроскопияда қолданады: қысқа ұзындықтағы толқын аймағындағы флуоресценттік объектіні қарастыруда. Әдетте мұндай микроскопта көк-күлгін облысында жарық беретін фильтрлер қолданылады. Ультракүлгін толқында толқында жұмыс істейтін люминесценттік микроскоптар ғылыми зерттеу жұмыстарда көп қолданылады. Өзіндік флуоресценцияда кейбір пигменттер бар (хлорофиллдер, бактериалды пигменттер, витаминдер (А және В2), гормондар. Егер флуоресценттік микроскоппен өсімдік клеткасын қараған кезде күңгірт-көк фонда клетка ішінен қызыл дәндер ашық көрінеді - бұл хлоропласттар. Флуоресценттік микроскопия әдісінде тірі клеткаларға флуорохромдарды қосуға болады. (флуоресценциялы заттар). Бұл әдіс витальді бояумен ұқсас, яғни бұл жерде өте төмен концентрациясы бар бояу қолданылады (1x10-4-1х10-5) Көптеген флуорохромдар белгілі бір таңдаушы клетка құрылысымен байланысып, оларды екіншілік люминесценцияға шақырады. Мысалы, сарғыш акринді флуорохром нуклеин қышқылымен таңдаулы байланысады. ДНҚ мономерлік түрдегі ДНҚ-мен байланысқанда жасыл түске флуоросценциаланады, ал димерлік түрдегі РНҚ-да қызыл түске жарықтанады. Сарғыш акриндинмен боялған тірі клеткаларды бақылауда, олардың ядроларында жасыл түсті жарық болады, ол цитоплпазмамен ядрошықта қызыл түс жарқырайды. Осы тірі клеткаларды осы әдістің көмегімен немесе басқа химиялық заттардың шоғырлануын көруге болады (кейбір жағдайда мөлшерін санау). Липидпен, шырыш және керотинмен және т.б. таңдаулы байланысатын флуорохромдар болады. Таңбаланған флуорохромдық антиденені тірі клеткаға инъецирлеуге болады. Мысалы, тубулин белоктық флуорохроммен байланысқан антиденелерін клеткаларға енгізсе, олар микротүтікшелермен косылады. Осының нәтижесінде мұндай тірі клеткаларды флуоресценттік микроскоптың көмегімен бақылауға болады. Соңғы кезде тірі клеткаларды немесе олардың компоненттерін зерттеу үшін бейнелерді өңдеуде жарық микроскоптың электронды-компьютермен үйлесімі кеңінен қолдана бастады (әсіресе фазасы қарма-қарсы). Бейнелерді электронды өңдеуде бейнетаспа қолданады, сонымен бірге бақылап отырған құрылымды қарама-қарсы етіп, фондық деңгейді "алып" және белгілейді. Мұндай әдістеме микротүтікше сияқты құрылымды телеэкраннан көруге мүмкіндік береді, жарық микроскоптың рұқсат етілген күнінен (20 нм) аз мөлшерде. Мұндай жүйені қолдануда тек цейтраферлі кино түсірілімді алмастырмайды, сонымен бірге бейнетаспаны қолданады, бейнелерді компьютерлік өңдеуде рұқсат етіледі: құрылым тығыздығының мәліметі туралы, сонымен бірге үш өлшемді ұйымдасу. Тірі клеткаларды зерттеуде бұл әдістің флуоресценттік микроскоппен үйлесімділігі үлкен жетістікке әкеледі. Жарық микроскоптағы жай әдіс микроскоптың терең еместігінен қаралып жатқан объекттің суреті үш өлшемде өңделуі өте қиын. әдетте клеткалар оптикалық кесілім ретінде берілген фокус тереңдігінде қаралады. Объектінің толық үш өлшемді реконструкциясын алуда арнайы конфокальді сканирлік жарық микроскопы қолданылады. Бұл прибордың көмегімен әр түрлі тереңдіктен және компьютерде жинақталған бейнелерден алынған тізбектердің кесілімі алынады. Сонымен бірге үш өлшемді, көлемді бейнеленген объектіні арнайы бағдарламамен құрастырады. Әдетте флуорохроммен боялған объекттер қолданады. Көптеген органикалық қосылыстар қалыпты жағдайда немесе ультракүлгін сәулемен әсер еткенде өзіне тән люминесценттік жарық шығарады . Мәне осы жарықтың спектрлік құрамын талдай келіп тағамдардың , дәрі дәрмектердің , тіннің , терінің және т . б қоспаларын анықтайды . Ульракүлгін сәуленің әсерінен ағзаның көптеген тіндері , мысалы тырнақ , тіс , боялмаған шаш , көз бұршағы флюоресценттік жарық шығарады. Сол жарықтың спектрін анықтау дианостикада қолданылады . Осы мақсатта қолданылатын құралды флюорометр дейді . Флюорометрдің басты бөлігі сынапты шам деп те атайды . Сынапты шам – ішінен ауасы жоғарғы вакуумға дейін сиретілген кварц түтігінен тұрады . Түтіктің іші аргон газымен толтырылып кварц оған бірнеше тамшы сынап қосады . Түтіктің екі басына Э электрод орналастырылған . Осындай шамды тоқ көзіне қосқанда ,аргонның жеке иондары мен электрондарының әсерінен солғын разряд пайда болады. Газдың иондары мен электрондары түтіктің ішіндегі электродтармен соқтығысып , оларды қыздырады . Қызған электродтардың бетінен электрондар бөлініп шығады . Шам қызады да оның ішіндегі сынап буланады . Сынап буларының арасында доғалық разряд пайда болып , түтіктің ішіндегі газ қысымы артады – шам ультракүлгін сәуле шығарады . Рефлектордың ішкі беті жарықты толық шағылатын айна бетпен қапталғандықтан жарық сәулесі бір бағытта таралады . Осындай сынапты шамның жұмыс нәтижесінде алынған ультракүлгін жарықпен адамның денесін сәулелендіруге болады . Флюорецесценттік заттарды немесе флюоресценттік бояумен боялған гистологиялық препараттарды зерттеу үшін люминесценттік анализ кеңінен қолданылады. Ол үшін люминесценттік микроскоп қолданылады . Ол сынапты шамы бар арнайы жарық көзінен ,толқын ұзындығы ,толқын ұзындығы 320 – 400 нм ультракүлгін сәулені ғана өткізетін жарық сүзгішінен , кварц призмасынан және кварцты линзасы бар конденсордан тұрады . Препарат ультракүлгін сәуле өткізетін арнайы шынының үстіне қойылады . Микроскоптың оптикалық жүйесі – қарапайым оптикалық жүйеден тұрады . жүктеу/скачать 49,03 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|