книги / Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами. Воздействие ионизирующего и оптического излучения

Здесь ф - электронная часть волновой функции; х - ядерная; S - спиновая. Тогда интеграл переходного момента Rmn распадается на орбитальный, колебательный и спиновый компоненты:

Rmn =*(фт l * k „ ) ( X m |x n) ( 5 J 5 *)-

Смысл приближения Борна - Оппенгеймера заключается в сле­ дующем: с одной стороны, сложная задача нахождения молеку­ лярных спектров сводится к совокупности трех классических задач квантовой механики, которые хотя бы приближенно, но всегда можно решить: о водородоподобном атоме, гармоническом осцил­ ляторе и плоском ротаторе; с другой стороны, применяется тради­ ционный прием решения уравнений математической физики, сво­ дящий уравнение в частных производных к совокупности обыкновенных дифференциальных уравнений. В результате появ­ ляется возможность вычисления молекулярных спектров во вроде бы совершенно безнадежной изначально ситуации. Сформулируем общие правила запрета, которым подчиняются не полностью раз­ решенные и запрещенные переходы.

1. Симметрия. Переход будем считать запрещенным, если про­ изведение симметричных частей срт и срЛ дает интеграл, являю­ щийся нечетной функцией координат.

2. Перекрывание. Переход считается пространственно запре­ щенным, если две орбитали ц>т и <рл, которые участвуют в пере­ ходе, не имеют больших амплитуд, находящихся в фазе, в одной и той же области пространства. Степень перекрытия характеризует­ ся фактором Франка - Кондона.

3. Спин. Переход, в котором Sm * Sn, запрещен по спину.

Последнее правило самое строгое, однако, поскольку для больших молекул приближение Борна - Оппенгеймера выполняет­ ся неточно, т. е. факторизация волновой функции неполная, абсо­ лютного запрета нет.

Основное взаимодействие между электроном и ядром атома - кулоновское взаимодействие их зарядов. Но, так как электрон движется относительно атомного ядра, возникает дополнительное взаимодействие, обусловленное спином электрона и зарядом ядра. Его называют спин-орбитальным взаимодействием. Переход, за­

прещенный по спину, в 104 - 106раз менее вероятен, чем разре­ шенный. По перекрыванию это отношение вероятностей составля­

21

ет 1 0 - 103,по симметрии - 1 0 - 10 2.Указанные запреты отража­

ются на времени жизни соответствующих состояний молекулы относительно рассматриваемого перехода.

Расщепление энергетического уровня в результате спинорбитального взаимодействия называют тонкой структурой уровня (см. выше). Совокупность подуровней, на которые расщепляется рассматриваемый уровень, называется мультиплетом. В зависимо­ сти от числа подуровней, на которые расщепился мультиплет, раз­ личают дублеты, триплеты, квартеты и т. д. Простые уровни, не расщепляющиеся на подуровни, называют синглетами.

Синглетное состояние - основное состояние большинства мо­ лекулярных систем. Это состояние, в котором все электроны спа­ рены.

Триплетное состояние - состояние с одним неспаренным элек­ троном. Непосредственный переход синглет - триплет запрещен по спину. Триплет может быть заселен вследствие переворота спина электрона в возбужденном синглетном состоянии за счет спин-орбитальных взаимодействий. Такой переход из синглета в триплет называется интеркомбинационной конверсией (ИКК).

В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход с испусканием фотона, различают спонтанное (внутренние причи­ ны) и вынужденное, или индуцированное (вызванное взаимодей­ ствием фотона с возбужденной частицей), излучения. Вероятность спонтанного перехода обратно пропорциональна времени жизни системы в данном квантовом состоянии.

Все тела испускают электромагнитные волны, интенсивность и степень поляризации которых в различных участках спектра опре­ деляется температурой тела и его поглощательной способностью в соответствии с законом Кирхгофа (см. далее 3.14). Такое излуче­ ние является спонтанным и называется тепловым, или равновес­ ным. Помимо этого многие тела под влиянием внешних возбуди­ телей дают избыточное излучение, которое не определяется температурой тела (свечение экранов, живых организмов и др.). Оно называется люминесценцией.

Люминесценция имеет длительность излучения, значительно

превышающую период колебаний (1 0 15 с) излучаемых световых волн. Различают несколько типов люминесценции по типу возбу­ ждения, в том числе:

• фотолюминесценцию (при освещении вещества видимым светом или ультрафиолетом);

22

•рентгенолюминесценцию (при облучении рентгеновскими или у-лучами);

•хемолюминесценцию (свечение тел при химических реак­ циях).

Вещества, в которых возбуждается люминесценция, называют­ ся люминофорами.

Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая - спектр поглощения. Более подробно явление люминесценции будет рассмотрено в гл. 3.

Существуют также безызлучательные переходы. Они происхо­ дят при взаимодействии атома или молекулы с другими частица­ ми, например в процессе столкновения. Различают неупругие столкновения, при которых изменяется внутреннее состояние ато­ ма и осуществляется безызлучательный переход, и упругие - с из­ менением кинетической энергии атома или молекулы, но с сохра­ нением внутреннего состояния.

ВЗ. ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

ОДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ И СИСТЕМЫ

В зависимости от частоты v или длины волны X в вакууме, а также от способа излучения и регистрации различают несколько видов электромагнитных волн: радиоволны, оптическое излуче­ ние, рентгеновское излучение и у-лучи (рис. В4).

					Видимый		Рентгеновское
					свет
							излучение
					г	_____л_____
	Радиоволны						у-излучение
	____л____						Г____ А____
10б	104 102	1	10~2	1(Г4	1(Гб	ИГ8	Ю~10	1<Г12 X, м
3102	3 105	3108	3	10м	3 1014	3	1017	3-1011 v, Гц

Рис. В4. Шкала электромагнитных волн

23

В табл. В1 представлены основные характеристики, механизмы излучения, виды взаимодействия излучения с биологическими объектами и применение в медицине электромагнитных волн ука­ занных диапазонов. В табл. В2 и ВЗ приведено воздействие элек­ тромагнитных излучений на биологические объекты и системы, использование излучений в биологических исследованиях.

На рис. В5 [8 ] показана степень прозрачности организма с по­ перечным сечением 20 ... 25 см для различных длин волн.

Рис. В5. Степень прозрачности организма, имеющего поперечное сечение 20...25 см, для различных длин волн

Белки выполняют в живой клетке многочисленные функции, входят в состав всех клеточных органелл, их содержание составля­ ет 50 % и более сухого веса живых организмов. Следовательно, при действии света и ионизирующих излучений белки принимают на себя основную лучевую нагрузку и являются в этом смысле главной химической мишенью действия излучений. Основную биологическую мишень представляют собой молекулы ДНК* бла­ годаря ее ключевой роли в функционировании клетки в целом. Для очистки ДНК от повреждений существует система репарации (вос­ становления поврежденных участков биоструктур силами самой

* ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота.

24

клетки). В то же время поврежденная ДНК в клетке подвергается атаке ферментных систем, усугубляющих действие излучений, и системы репарации оказываются неконкурентоспособными, по­ скольку не успевают восстановить нативную структуру ДНК. Именно повреждение ДНК и приводит в большинстве случаев к конечным биологическим эффектам.

Дадим краткую характеристику видов электромагнитного из­ лучения и его действия на объекты.

Радиоволнами называют волны с длиной волны А>5-10_5м

(частотой v<6 -10 Гц). В связи с особенностями распростране­ ния и генерации весь диапазон радиоволн принято делить на 9 поддиапазонов. Основным источником естественного фона радио­ волн на Земле являются атмосферные электрические явления (гро­ зы и т. п.), радиоизлучение Солнца и звезд. Интенсивность фона

составляет порядка 10“ п Вт/см2.
Оптическим		излучением	называют ЭМИ		с длиной	волны
А = 10... 106 нм.		Оно включает		инфракрасное	излучение	(ИК-
излучение,	А = 760...Ю6		нм),	видимое	излучение	(свет,

А = 400...760 нм, характеризует диапазон длин волн, воспринимае­ мых органами зрения) и ультрафиолетовое излучение (УФ-излуче- ние, А= 10...400нм).

Сами диапазоны УФ- и ИК-излучения в свою очередь делятся на области длин волн менее 280 нм (вакуумное, УФ-С); 280...315 нм (жесткое, УФ-В); 315...400 нм (мягкое, УФ-А); 760... 1400 нм (ближнее ИК); 1400...3000 (среднее ИК) и более 3000 нм (дальнее ИК). Такие границы диапазонов приняты международной класси­ фикацией согласно решению SPIE (International Society for Optical Engineering) и привязаны к поглощению электромагнитного излу­ чения тканями живых организмов.

Основным природным источником оптического излучения яв­ ляется Солнце. Вплоть до оптического диапазона энергия кванта может считаться пренебрежимо малой по сравнению с энергией связи атомов и молекул, составляющих биообъект. Поэтому ника­ ких превращений на микроуровне от непосредственного воздейст­ вия излучений вплоть до микроволнового диапазона не происхо­ дит. При этом наблюдаются только вторичные эффекты. В оптическом диапазоне картина качественно меняется, потому что именно здесь сосредоточены полосы поглощения молекул и ато­ мов, входящих в состав биообъекта.

25

Вид

излучения

Микроволновое

Инфракрасное

Видимый свет

Ионизирующее:

Длина	Энергия
волны, нм	излучения, эВ
ю 1210б	1,2-10-9 —
	1,2-КГ4
106 -760	1,2-10-4 - 1,6
760-400	1,6-3,3

ультра­
фиолетовое	400-10	3,3- 120
рентгеновское	8 0 - КГ4	10 - 0,5-10е
гамма-	0,1 и меиее	0,2-106
излучение

и более

			Таблица ВI
	Механизм	Действие на вещество	Применение в медицине
	излучения

	Движение	Поляризация диэлектри­		УВЧ-терапия,
	зарядов с	ков, возникновение токов		СВЧ-терапия,
	ускорением	проводимости в биологи­		Эндорадио­
		ческих жидкостях		зонды
			Активация	Тепловое ле­
	Излучение		терморе­	чение
	молекул и	Фотобио-	цепторов
	атомов
		логические	Активация	Светолечение.
		процессы	зрительных	Лазерная тера­
			рецепторов	пия
			Фотохими­	Светолечение,
			ческие ре­	УФ-терапия.
	Излучение		акции на	Синтез вита­
	атомов		поверхно­	мина D
			сти кожи
				Рентгенотера­
		Когерентное рассеяние		пия
	Излучение	Ионизация, фото-
	возбужден­			Гамма-терапия
	ного ядра	и комптон-эффекты,

образование пар

Диагностика с помощью картирования тепловых полей орга­ низма

Люминесцентные методы диагностики

Рентгенодиаг­

ностика

Радионуклид­ ная диагнос­ тика

1

Вил излучения

Длина волны, нм

Ионизирующее:

у-лучи 0,03 и меньше

рентгеновские лучи

0,03-10

Ультрафиолетовое 10-400

Видимое 400 - 760

		Таблица В2
Энергия	Излучение как инструмент исследования структуры и свойств молекул
излучения, эВ	Метод исследований
		Получаемая информация

Больше 40103	Рентгеноструктурный
	анализ
	Лучевая
40-0,12- 103	ультрамикрометрия
	Радиационно-химический
120-3	Спектроскопия
	в ультрафиолетовой
	и видимой областях
3 -1 ,7	Лазерная	спектроскопия,
	исследования электронно­
	вращательных спектров

Изучение структуры молекул, расположе­ ния атомов в кристалле, формы молекул, измерение межатомных расстояний

Определение размеров макромолекул, фагов, вирусов, внутреннего строения бактериальных спор, размеров генов, кон­ формации белков, ДНК и т. д.

Исследование процессов радиолиза молекул

Изучение переходов валентных электро­ нов, электронной структуры, молекулярных колебаний и вращения молекул, внут­ реннего врашення

Фотохимический	Исследование фотохимических
	процессов

Вил	Длина
излучения	волны, нм

Инфракрасное 0.76-200-10*

0,2 —10 -106

1- 15 107

1 ,5 -3 0 -108

Радиочастотное

(микроволновое)

3 - 100ю9 (УВЧ)

0,1 - ю- ю '2 (ВЧ)

Более 1013 (НЧ)

Энергия излучения, эВ

2 - 0,006

6 10~J -1,2-10^*

1,2• 10“4 -6 ,2 - 10-6

б.г-ю^-^мо-7

4,1 -10'7 - 1,2-10'*

1,2-10'*-1,2-Ю'10

Ниже

1,2-Ю'10

	Окончание табл. В2
Излучение как инструмент исследования структуры и свойств молекул		i
Метод исследований	Получаемая информация

Инфракрасная спектро­ скопия

Микроволновая спек­ трометрия

•

Спектроскопия ЭПР

Спектроскопия ядерного магнитного резонан­ са; диэлектрическая спектроскопия; методы электропроводности

Колебания атомов внутри молекул

Вращение поляризованных молекул и групп

Резонанс неспаренных электронов, ис­ следование радикалов, ион-радикалов и парамагнитных центров

Резонансное поглощение ядерными спи­ нами, характеристика химического ок­ ружения атомов и молекул, изучение строения молекул по химическим сдви­ гам и спин-спиновому расщеплению сигнала; определение диэлектрлческой проницаемости и проводимости биоло­ гических систем, исследование свойств надмолекулярных структур и межмоле­ кулярных взаимодействий

ЭПР - электронный парамагнитный резонанс

Вид

излучения

Ионизирующее:

у-лучи

рентгеновские

лучи

Ультрафиолетовое

Видимое

Инфракрасное

Предмет

исследования

Радиобиология

Фотобиология

Таблица ВЗ

Биологическое действие излучений

Некоторые особенности действия

Эффект облучения

Ионизирующая радиация облада­ ет высокой проникающей спо­ собностью, фотоны излучения поглощаются всеми атомами и молекулами независимо от их химической структуры и локали­ зации в клетке

Избирательное поглощение срав­ нительно невысокой энергии квантов строго зависит от моле­ кулярной структуры вещества

Образование ионов, радикалов, возбужденных и сверхвозбужденных атомов и молекул, стабильных пораженных структур; усиление во времени пер­ вичных радиационно-химических изменений за счет метаболических процессов и нарушение всех биохимических и физиологических процессов в клетке и организме в зависимости от дозы, способа и времени облучения

Эффект определяется фотохимическими реакциями с участием возбужденных молекул (или других, по которым передается энергия); в зависимости от типа молекул-рецепиентов и условий облучения реакции носят либо полезный приспособительный характер (фототаксис, фотосинтез, зрение), либо приводят к разрушению и денатурации структур (бактерицидное действие, фотодинамический эф­ фект и др.)

			Окончание табл. ВЗ
Вид	Предмет	Биологическое действие излучений
излучения	исследования	Некоторые особенности действия	Эффект облучения

Радиочастотное	Электромагнитная	Область у-дисперсии электропроводно­
(микроволновое)	биология	сти; энергия	электромагнитного поля
		поглощается за счет колебания ионов и
		релаксации дипольных молекул, в зна­
		чительной мере переходит в тепловую;
		в дециметровом		диапазоне	возможно
		избирательное	поглощение молекулами
		воды в биомембранах, а также резонанс­
		ное поглощение водородными атомами;
		релаксация внутриклеточных			органелл
		Максвелла - Вагнера (p-дисперсия элек­
		тропроводности)		и дипольных молекул
		белка; релаксация зарядов на мембранах
		(а-дисперсия электропроводности)

Поглощение энергии электромагнитного поля может приводить к разрыву водород­ ных и межмолскулярных связей, наруше­ нию гидрофобного белок-липидного взаи­ модействия в биомембранах, изменению гидратации молекул, внутримолекуляр­ ным перестройкам, денатурации; в зави­ симости от интенсивности воздействия тепловой эффект может вызывать повреж­ дения структур, нарушение физиологиче­ ских процессов и даже гибель клеток и организма; в области УВЧ-диапазона воз­ можно избирательное поглощение энергии дипольными молекулами белка и поляри­ зация надмолекулярных структур