Фотобиологические процессы, их основные стадии. Квантовый выход и поперечное сечение фотохимических превращений молекул. Спектры поглощения и спектры действия. Понятие о фотомедицине.
Фотобиологический процесс – это процесс, который начинается с поглощения квантов света молекулами и заканчивается физиологической реакцией организма.
Виды:
- Фотосинтез – синтез органических молекул растениями или бактериями за счет энергии солнечного света.
- Фототропизм - поворот листьев или стеблей растений к источнику света.
- Фототаксис - движение микроорганизмов, например бактерий, к свету или от света.
- Зрение – превращение световой энергии в энергию нервного импульса в сетчатке глаза.
- Эффекты УФ-излучения: загар(потемнение кожи за счет синтеза в ней
пигмента меланина под действием света), эритема(стойкое воспалительное покраснение кожи, возникающее вследствие расширения кровеносных сосудов), синтез витамина D в коже (витамин D необходим для усвоения организмом кальция), инактивация вирусов и бактерий (используют для стерилизации крови), мутагенное и канцерогенное действие, угнетение иммунитета.
Свет обладает избирательнымд ействием (в отличие от рентгеновского и гамма-излучения). Это обусловлено тем, что кванты света поглощаются молекулами, тогда как кванты рентгеновского излучения и гамма излучения поглощаются атомами. Меняя длину волны, можно избирательно запускать те или иные фотобиологические процессы.
Стадии фотобиологических процессов:
Поглощение фотона света молекулой-акцептором.
Внутримолекулярный перенос энергии.
Меж-молекулярныйперенос энергии.
Первичный фотохимический акт (образование нестабильных фотопродуктовиз возбужденных состояний S1 или T1).
Темновыереакции, приводящие к образованию стабильных фотопродуктов.
Биохимические реакции с участием стабильных фотопродуктов.
Физиологический ответ организма на действие света.
Квантовый выход фотохимической реакции (не зависит от длины волны падающего света):
Эффективное сечение для фотохимического превращения (зависит от длины волны):
Где
– квантовый выход фотореакции,
– эффективное сечение поглощения.
Спектр поглощения – это зависимость эффективного сечения поглощения (или коэффициента поглощения) от длины волны света .
Спектр действия – это зависимость:
a) эффективного сечения фотохимических превращений от длины волны действующего света.
б) зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света.
Сравнивая спектры поглощения и спектры фотобиологического действия можно определить молекулы, отвечающие за данный фотобиологический процесс.
Фотомедицина – это раздел медицины, в котором световое излучение применяют для диагностики и лечения.
Фототерапия - применение излучения (УФ, красного, ИК) для лечения кожных, аутоиммунных, онкологических заболеваний. Свет, который применяется при фототерапии, поглощается специфическими хромофорами в тканях.
Эндогенные хромофоры: ДНК, белки, гемоглобин.
Экзогенные хромофоры: фоточувствительные красители (фотосенсибилизаторы).
Фотоферез – экстракорпоральное УФА-облучение белых клеток крови в присутствии псораленов с последующей их реинфузией в организм пациента.
Фотодинамическая терапия (ФДТ) — метод лечения онкологических, опухолевых заболеваний, некоторых заболеваний кожи или инфекционных заболеваний, основанный на применении светочувствительных веществ — фотосенсибилизаторов (в том числе красителей), и, как правило, видимого света определённой длины волны.
Сенсибилизатор вводится в организм чаще всего внутривенно, но может применяться аппликационно или перорально. Вещества для ФДТ обладают свойством избирательного накопления в опухоли или иных целевых тканях (клетках). Затем поражённые патологическим процессом ткани облучают светом с длиной волны, соответствующей максимуму поглощения красителя. В качестве источника света в настоящее время используются лазерные установки, позволяющие излучать свет определённой длины волны и высокой интенсивности. Поглощение молекулами фотосенсибилизатора квантов света в присутствии кислорода приводит к фотохимической реакции, в результате которой молекулярный триплетный кислород превращается в синглетный, а также образуется большое количество высокоактивных радикалов. Синглетный кислород и радикалы вызывают в клетках опухоли некроз и апоптоз (два варианта гибели клеток). ФДТ также приводит к нарушению питания и гибели опухоли за счёт повреждения её микрососудов.
Лазеры (оптические квантовые генераторы). Вынужденное излучение и инверсная заселённость энергетических уровней. Принцип действия лазера. Основные свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине.
Опти́ческий ква́нтовый генера́тор — устройство, преобразующее энергию накачки в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Оно возникает при взаимодействии фотонас возбужденной молекулой(атомом), если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном излучении падающийна возбужденную молекулу фотон сохраняется, а молекула переходит на более низкий энергетический уровень с испусканием фотона,тождественного первоначальному
(т.е. происходит дублирование фотона).
Число вынужденных переходов, совершаемых в секунду, зависит от:-числа падающихв секунду на вещество фотонов(т.е. от интенсивности падающего света) -числа возбужденных молекул(атомов).
Инверсная заселенность энергетических уровней - это состояние среды, когда на более высоком энергетическом уровненаходится больше частиц(молекул, атомов) среды, чем на более низком.
Создать инверсную заселенностьможно только выведя среду из состояния термодинамического равновесия путем удаления частиц с меньшей энергией или специально возбуждая частицы (методы накачки). Активная среда - среда, приведенная в состояние с инверсной населенностью энергетических уровней.
Оптический резонатор - обеспечивает положительную обратную связь – многократное движение фотонов в активной среде, превращая среду в генератор когерентного вынужденного излучения. Обычно состоит из двух зеркал.
Лазер состоит из:
Рабочее тело – среда (газ, твердое тело), которая внешним воздействием переводится в активное состояние.
Система накачки – устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (с инверсной заселенностью уровней):
а) оптическая накачка –возбуждение светом (рубиновый лазер).
б) возбуждение путем электрического разряда (гелий-неоновый лазер).
Оптический резонатор – два плоско параллельных зеркала, обращенных друг к другу.
Особенности лазерного излучения (ЛИ):