Влияние физических факторов на живые организмы

У природних умовах вслід за еритемою розвивається пігментація шкіри - загар. Еритема і пігментація не є стадіями одного процесу, хоча вони і йдуть одна за одною. Це прояв різних, пов'язаних один з одним процесів. У клітинах самого нижнього шару епідермісу –меланобластах – утворюється шкірний пігмент меланін. Вихідним матеріалом для утворення меланіну служать амінокислоти і продукти розпаду адреналіну. Меланін – не просто пігмент або пасивний захисний екран, що відгороджує живі тканини. Молекули меланіну представляють собою величезні молекули з сітчастою структурою. У ланках цих молекул зв'язуються і нейтралізуються осколки зруйнованих ультрафіолетом молекул, не пропускаючи їх в кров і внутрішнє середовище організму. Гранули меланіну - темно-коричневого, майже чорного пігменту – поглинають випромінювання в широкій області спектра, захищаючи від перегріву ніжні, що звикли до постійної температури, внутрішні органи.

Оскільки коефіцієнти поглинання для ультрафіолету дуже великі, то поглинена доза D приблизно дорівнює потужності випромінювання W, що потрапило на одиницю площі шкірного покриву за час t:

D = Wt

Випромінювання різних довжин хвиль однакового потоку призводить до різного ступеня пошкоджень. Залежність фотобіологічного ефекту від довжини хвилі випромінювання називається спектром дії. Спектр дії 
можна побудувати як для окремих молекул, так і для клітин

1 - розвиток еритеми шкіри у людини; 2 - пошкодження рослинної клітини; 3 – інактивація ДНК

Рис. 2.1 – Спектри дії ультрафіолетового випромінювання

Відповідно до законів фотобіологіі, фотозміни в молекулі можуть відбутися тільки при поглинанні нею кванта випромінювання. Тому спектр дії за своєю формою збігається зі спектром поглинання тих молекул, які відповідають за дану хімічну або фізіологічну дію. Наприклад, спектр інактивації вірусу тютюнової мозаїки повністю збігається зі спектром поглинання його інформаційної РНК:

Суцільна лінія – спектр дії ультрафіолету; пунктирна лінія – спектр поглинання інформаційної РНК цього вірусу

Рис. 2.2 – Інактивація вірусу табачної мозаїки

На підставі викладеного можна зробити висновок про те, що інактивуючу дію ультрафіолету на цей вірус обумовлено саме пошкодженням нуклеїнових кислот. Біологічний ефект ультрафіолету насамперед визначається змінами, які він викликає в структурі білків, нуклеїнових кислот, а також біологічних мембран.

Амінокислоти, що входять до складу білків, мають максимуми поглинання в діапазоні довжин хвиль (180 ... 190 нм) за рахунок пептидних зв'язків. Крім того, ароматичні амінокислоти: фенілаланін, тирозин і триптофан мають додаткові максимуми поглинання (max = 258, 280 і 285 нм відповідно) за рахунок ароматичних груп. Так як опромінення ультрафіолетом (як природне, так і штучне) найчастіше відбувається при> 240 нм, то основний внесок в фотопошкодженні білків вносять саме ароматичні амінокислоти. Дія ультрафіолетового випромінювання на білкові молекули здатна привести до розриву дисульфідних містків між поліпептидними ланцюгами, утворення вільних радикалів. Катіон-радикал триптофану може зазнати окислення, що призводить до утворення кінуреніна або інших стабільних продуктів фотолізу цієї амінокислоти. Особливо ці ушкодження небезпечні, якщо зачіпають активний центр ферменту, що може викликати його інактивацію. Фотоінактивація ферментів зазвичай обумовлена фотохімічними перетвореннями триптофану і цистину. Деякі білки не містять залишків триптофану, і їх інактивація обумовлюється фоторозкладом тирозинових і цистинових залишків. Поглинання ультрафіолету нуклеїновими кислотами обумовлено наявністю в них пуринових і піримідинових основ (max = 260 нм). З сполук, що входять до складу нуклеїнових кислот, більш чутливі до дії опромінення піримідинові основи (цитозин, тимін і урацил), хоча фотопошкодження можуть виникати і в пуринових основах (аденін, гуанін), і в вуглеводних компонентах.

Найбільш часто фотопошкодження ДНК зв’язано з утворенням димера з двох молекул тиміну, розташованих поруч в одному ланцюзі ДНК

 

Рис. 2.3 – Утворення циклобутанового димеру тимін-тимін

 

Іноді димери утворюються між молекулами тиміну з двох комплементарних ланцюгів. Відомо, що в нативній ДНК дві молекули тиміну ніколи не можуть бути розташовані навпроти один одного, так як вони некомплементарні. Проте під дією ультрафіолетового випромінювання можливе локальне розплітання двоспіральної структури і переміщення комплементарних ланцюгів відносно один одного, в результаті чого молекула тиміну може виявитися навпроти іншої такої ж молекули. Тиміновий димер в цьому випадку стабілізує виникле пошкодження. Утворення тимінових димерів може відбутися при поглинанні кванта світла не тільки саме молекулою тиміну, але і будь-якою іншою з азотистих основ, тому що можливе триплет триплетне перенесення енергії від одної основи до іншої в такій послідовності: цитозин, гуанін, аденін, тимін. Саме в цьому напрямку відбувається зменшення енергії триплетних рівнів азотистих основ. З меншою ймовірністю в порівнянні з тиміновими димерами, можуть утворюватися димери цитозин-цитозин (Ц-Ц) і тимін-цитозин (Т-Ц).

Утворені димери тиміну хімічно дуже стійкі і не руйнуються при підвищенні температури або при дії хімічних речовин. Однак процес мономеризаціі можна викликати дією ультрафіолетового випромінювання іншого діапазону, причому максимальний вихід мономерів спостерігається при опроміненні в більш короткохвильовій області в порівнянні з максимальним виходом димерів. Іншими типами фотопошкоджень ДНК є: фотогідратація (утворення 6-окси-5-гідроксипохідних

 

Рис. 2.4 – Фотогідратація урацила

, 
зшивання ДНК-білок (ковалентне приєднання до молекул цитозину або урацилу по 5-му чи 6-му атомам деяких амінокислот, наприклад, серину, цистину та ін), зшивання ДНК-ДНК, одно-, або дволанцюгові розриви ланцюгів ДНК. Фотопошкодження нуклеїнових кислот можуть призвести до появи мутацій, канцерогенезу і навіть до загибелі клітини. Часто ці ушкодження перешкоджають нормальному проходженню процесів транскрипції і реплікації нуклеїнових кислот, що виключає можливість нормального поділу клітини. Так, при появі в ДНК димерів азотистих основ неможлива реплікація ДНК.

Іноді фотопошкодження молекул можуть бути викликані не безпосереднім поглинанням випромінювання даної молекули, а її взаємодією з іншою молекулою, що поглинула квант світла і перейшла в збуджений стан. Сполуки, що підвищують чутливість біологічних об'єктів до світла, називаються фотосенсибілізаторами, а викликані ними реакції - фотосенсибілізованими. Прикладом фотосенсибілізованих реакцій є викликані ультрафіолетовим опроміненням (> 280 нм) розриви дисульфідних містків в молекулах білків. У цьому діапазоні ультрафіолету поглинають не молекули цистину, а триптофан і тирозин. Поглинувши квант світла і перейшовши в збуджений стан, ці амінокислоти здатні дисоціюватися з утворенням катіон-радикала і сольватованого електрона:

Взаємодія сольватованого електрона з дисульфідними зв'язками може викликати їх розрив. У цьому прикладі фотосенсибілізованою реакцією є розрив дисульфідних містків, а фотосенсибілізаторами - амінокислоти тирозин і триптофан.

Пошкодження мембранних ліпідів, викликані ультрафіолетовим опроміненням, також є фотосенсибілізованими реакціями, так як максимум поглинання ліпідів припадає на <220 нм, а довжина хвилі традиційного УФ-опромінення перевищує 240 нм. Ультрафіолетове опромінення викликає появу в мембрані вільних радикалів (наприклад, радикалів води, амінокислот та ін), які здатні викликати ланцюгові реакції перекисного окиснення ліпідів (RH – ліпід, Р – стабільний продукт):

 
Ці реакції вимагають доступ кисню до тканин і гальмуються антиоксидантами А (наприклад вітаміном Е - токоферолом):

Руйнування ліпідів підвищує іонну проникність мембрани, порушує її стабільність, перешкоджає нормальному функціонуванню мембранних компонентів. Крім того, продукти окиснення ліпідів є токсичними для живих організмів.

Фотосенсибілізатори поділяються на ендогенні, синтезовані самим організмом, і екзогенні, що потрапляють в нього ззовні. Відомі чотири класи фотосенсибілізаторів: гіперицини, хлорофіли, порфірини і псоралени (фурокумарини).

При деяких захворюваннях в клітинах збільшується вміст ендогенних фотосенсибілізаторів. Наприклад, при порушенні процесу кровотворення підвищується вміст протопорфірину, що є фотосенсибілізатором окислення ліпідів і білків.

Попадання на шкіру екзогенних фотосенсибілізаторів і одночасне опромінення здатне викликати опіки і фотодерматити. Наприклад, екстракти деяких представників сімейств рутових, бобових містять псоралени, які є фотосенсибілізаторами ДНК і здатні спровокувати фотоканцерогенез. Саме тому перед прийняттям сонячних ванн не рекомендують користуватися косметикою, наносити на шкіру креми, за винятком тих, які володіють захисною антиультрафіолетовою дією. Порушені під дією ультрафіолету молекулярні структури здатні відновлюватися за допомогою так званих репараційних систем клітини. Так, спочатку з бактеріальних клітин, а потім із клітин людини був виділений фермент, що володіє фотореактивними властивостями. При його приєднанні до димеру піримідинової основи утворюється хромофорна група, що поглинає світло у видимому діапазоні. Попадання кванта світла (максимум спектра дії припадає на 380-400 нм, залежно від виду організму, з якого був виділений фермент) на такий комплекс призводить до розпаду димера і утворення двох молекул тиміну.

При дії ультрафіолетових променів на проліферуючі клітини основною пошкоджуючою мішенню є ДНК. Якщо пошкоджені нуклеотиди входять до складу ділянок ДНК, які кодують життєво важливі гени, то клітина може загинути в результаті попадання тільки одного кванта. Сукупність таких нуклеотидів в геномі і являє собою мішень променевої інактивації клітини. Попадання кванта в цю мішень характеризується певною ймовірністю, і за аналогією з законом ослаблення світла при його поглинанні, коли в якості мішені виступають хромофорні групи речовини, процес інактивації клітин, обумовлений попаданням кванта ультрафіолетового випромінювання в ДНК, можна описати за допомогою рівняння:

N_D=N_oe^-σD

Де No –вихідне число клітин, N_D  - число клітин, які зберегли проліферуючу здатність після опромінення в дозі D. Константа σ залежить від площі поперечного перерізу поглинання випромінювання і квантового виходу. Не можна не відзначити і бактерицидну функцію УФ-променів. Вплив ультрафіолету на клітини бактерій, а саме на молекули ДНК, і розвиток у них подальших хімічних реакцій призводить до загибелі мікроорганізмів. Забруднення повітря пилом, газами, водяними парами має шкідливий вплив на організм. Ультрафіолетові промені Сонця посилюють процес природного самоочищення атмосфери від забруднень, сприяючи швидкому окисленню  пилу, частинок диму і кіптяви, знищуючи на порошинках мікроорганізми. Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 253 - 267 нм найбільш ефективно знищує мікроорганізми. Якщо взяти максимум ефекту за 100%, то активність променів з довжиною хвилі 290 нм складає 30%, 300 нм - 6%, а променів що лежать на межі видимого світла 400 нм, - 0,01% максимальної. Мікроорганізми мають різною чутливістю до ультрафіолетових променів. Дріжджі, цвілеві грибки і спори бактерій набагато стійкіше до їх дії, ніж вегетативні форми бактерій. Спори окремих грибків, оточені товстою і щільною оболонкою, добре себе почувають у високих шарах атмосфери і, не виключена можливість, що вони можуть подорожувати навіть у космосі. Чутливість мікроорганізмів до ультрафіолетових променів особливо велика в період поділу і безпосередньо перед ним. Криві бактерицидного ефекту, гальмування і росту клітин практично збігаються з кривою поглинання нуклеїновими кислотами. Отже, денатурація і фотоліз нуклеїнових кислот призводить до припинення поділу і росту клітин мікроорганізмів, а у великих дозах до їх загибелі. Бактерицидні властивості ультрафіолетових променів використовуються для дезинфекції повітря, інструменту, посуду, з їх допомогою збільшують термін зберігання харчових продуктів, знезаражують питну воду, інактивують віруси при приготуванні вакцин.

Оптичне випромінювання широко використовується при лікуванні і діагностиці ряду захворювань. Наприклад, тепловий ефект інфрачервоного випромінювання ближньої області (= 0,76 ... 2,5 мкм) використовують для прогрівання поверхневих шарів тіла (на глибині близько 2 см). Як джерело випромінювання використовуються спеціальні лампи. Терморегулююча система організму для охолодження нагрітої ділянки посилює кровообіг в ньому, що і викликає терапевтичний ефект. Невеликі дози ультрафіолетового опромінення мають сприятливу дію на серцево-судинну, ендокринну, нейрогуморальну, дихальну системи. Проте молекулярний механізм такого впливу ультрафіолету в більшості випадків точно невідомий. Комбінована дія фотосенсибілізаторів псораленів і ультрафіолетового опромінення А-зони (так звана ПУФа-терапія) широко використовується, іноді як єдиний ефективний метод, при лікуванні ряду шкірних захворювань, наприклад псоріазу, вітіліго, деяких форм облисіння (гніздова плішивість). Однак ПУФа-терапія має ряд побічних ефектів, наприклад, призводить до утворення еритеми, едеми. Випромінювання гелій-неонового лазера (= 632 нм) застосовується для прискорення загоєння ран. У хірургії використовуються лазерні скальпелі, здатні викликати високотемпературне руйнування тканини з одночасною коагуляцією білка. Такі операції протікають безкровно і широко практикуються при лікуванні відшарування сітківки, глаукоми (лазером проколюються мікроско пічні отвори діаметром 50-100 мкм, що викликає відтік внутрішньоочної рідини і, отже, зниження внутрішньоочного тиску).

Фотосенсибілізатори гематопорфірин і його похідні використовують при лікуванні злоякісних пухлин, так як виявлено, що ці сполуки накопичуються виключно в пухлинних клітинах і відсутні в здорових. Сенсибілізатори підвищують чутливість пухлини до дії видимого світла, опромінення яких призводить до їх знищення. Даний метод фотохіміотерапії використовують при лікуванні пухлин, як шкіри, так і внутрішніх органів.

Деякі речовини, наприклад, лікарські препарати промазін, сульфаніламіди, прометазин та інші, в поєднанні з ультрафіолетовим випромінюванням викликають фотоалергічні реакції. Поглинаючи ультрафіолет А-зони, ці речовини зв'язуються з білками, утворюючи антиген. При першому утворенні такого комплексу «речовина - білок» в результаті імунної відповіді організму утворюються сенсибілізовані лімфоцити, а при повторному - спостерігаються алергічні реакції і, навіть, анафілактичний шок.

ВПЛИВ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ЖИВІ ОРГАНІЗМИ

До іонізуючих випромінювань відносять ті, які при проходженні через речовину здатні викликати іонізацію і збудження атомів і молекул. До іонізуючого випромінювання не відносять ультрафіолетове випромінювання і випромінювання видимого діапазону світла, яке в окремих випадках також може бути іонізуючим.