Фотохимические превращения ДНК

Размещено на http://www.allbest.ru/

АО «Медицинский университет Астана»

Кафедра медицинской биофизики и основы безопасности жизнедеятельности

РЕФЕРАТ

Фотохимические превращения ДНК

Астана, 2015

Содержание

фотохимический аминокислотный люминесцентный микроскопия

1. Фотохимические реакции

2. Первичный фотохимический акт

3. Изучение продуктов первичных фотобиохимических реакций

4. Фотохимические реакции при электронно-возбуденных состояниях пиримидиновых оснований

5. Реакция фотодимеризации

6. Реакция фотогидратации

7. Сшивки с белками

8. Люминесцентная микроскопия

9. Люминесцентные метки и зонды и их применение в медицине

Заключение

Введение

В современной фотохимии выделяют следующие разделы: фотохимию малых молекул, позволяющую выяснить динамику элементарного акта в возбужденных электронных состояниях молекул; орг. и неорг. фотохимии, изучающие фотопревращения соответствующих хим. соединений и методы фотохимического синтеза; механистич. (физ.) фотохимию, изучающую механизмы и кинетические закономерности фотохимических реакций и тесно связанная с фотофизикой, химической кинетикой, квантовой химией, теорией строения молекул и др. разделами физ. химии.

Важные практические применения фотохимии связаны с фотографией, фотолитографией и др. процессами записи и обработки информации, пром. и лаб. синтезом орг. и неорг. в-в (фото-нитрозирование циклогексана с целью получения капролактама, синтез витаминов группы D, напряженных полициклич. структур и др.), синтезом и модификацией полимерных материалов (фотополимеризация, фотомодификация и фотодеструкцияполимеров), квантовой электроникой (фотохим. лазеры, затворы, модуляторы), микроэлектроникой (фоторезисты), преобразованием солнечной энергии в химическую.

Фотохим. процессы играют очень важную роль в природе. Биол. фотосинтез обеспечивает существование жизни на Земле.

Подавляющую часть информации об окружающем мире человек и большинство животных получают посредством зрения, основанного на фотоизомеризации родопсина, к-рая запускает цепь ферментативных процессов усиления сигнала и тем самым обеспечивает чрезвычайно высокую чувствительность вплоть до регистрации отдельных фотонов.

Озон образуется в верх. слоях атмосферы из кислорода под действием коротковолнового (<180 нм) излучения Солнца по реакции:

1. Фотохимические реакции

Фотохимическими реакциями называются реакции, которые происходят под действием света - видимого, а также инфракрасного и ультрафиолетового излучений. Эффективность воздействия света зависит от его энергии: чем короче длина волны, тем выше энергия излучаемых фотонов и тем сильнее воздействие кванта света на облучаемую частицу - атом, ион или молекулу.

Еще в античные временя мастера красильного производства знали, что некоторые краски на прямом солнечном свету обесцвечиваются - выцветают. В средние века алхимики знали, что соли серебра чернеют со временем, но это связывали с действием воздуха. Лишь в 1727 Иоганн Генрих Шульце установил, что почернение хлорида серебра происходит под действием света. В 1802 немецкий физик Иоганн Риттер исследовал химическое действие различных участков светового спектра. Используя призму, он установил, что почернение хлорида серебра возрастает при переходе от красного к фиолетовому концу спектра и становится максимальным за его пределами. Таким образом, в солнечном спектре было обнаружено новое излучение, которое получило название ультрафиолетового. Эти исследования были особенно важны для разработки фотографических процессов.

В 1818 прибалтийский физик и химик Теодор Гротгус сформулировал один из основных законов фотохимии: химическое действие может произвести только свет, который поглощается реагирующими молекулами. Например, водород не поглощает видимый свет, а хлор поглощает только фиолетовые и синие лучи. Поэтому красный свет не может вызвать реакцию в смеси водорода с хлором. К такому же выводу пришел американский ученый Джон Уильям Дрепер. Этот первый фотохимический закон получил название закона Гротгуса - Дрепера.

2. Первичный фотохимический акт

После поглощения кванта света в молекуле могут происходить разнообразные процессы. В начале 20 в. Альбертом Эйнштейном и немецким физиком Иоганном Штарком был сформулирован второй закон фотохимии. В соответствии с этим законом, первичный фотохимический акт происходит под действием одного кванта света - фотона. Поэтому этот закон называют также законом квантовой эквивалентности.

Молекула, поглотившая в первичном процессе квант света, приобретает избыточную энергию, поэтому такую молекулу называют возбужденной. В отличие от теплового воздействия, когда возбуждаются колебательные движения молекулы и возрастает ее кинетическая энергия, при поглощении фотона энергия передается электронам. С электронно возбужденной молекулой могут происходить самые разнообразные процессы. Некоторые из них не связаны с химическими превращениями и называются фотофизическими процессами. Так, возбужденное состояние может за очень короткое время (порядка 10-⁹ с) вернуться в основное состояние, отдавая избыточную энергию в виде кванта света (как правило, с меньшей энергией). Этот процесс называется флуоресценцией. Если же в результате столкновения возбужденной молекулы с другими молекулами происходит передача избыточной энергии, то интенсивность флуоресценции снижается - частично или полностью. Такие процессы с потерей энергии называются тушением флуоресценции. Возбужденное состояние может также перейти в более долгоживущее (от 0,001 с до нескольких минут) триплетное состояние, энергия которого ниже. Испускание света из этого состояния называется фосфоресценцией.

Возбужденная светом молекула может также вступать в различные химические реакции. Свойства электронно-возбужденного состояния могут сильно отличаться от свойств основного состояния молекулы. Так как у каждой молекулы существует лишь одно основное, но несколько возбужденных состояний, фотохимия данного соединения может быть существенно богаче его химии в основном состоянии. В результате появляется возможность осуществлять необычные химические превращения, не свойственные веществам в основном состоянии.

Если после поглощения фотона преобладают фотофизические процессы, число химически прореагировавших молекул, приходящихся на один поглощенный квант, то есть квантовый выход реакции, будет меньше единицы. Например, при облучении красным светом водного раствора ферриоксалата калия (комплекса трехвалентного железа с анионом щавелевой кислоты - оксалатом состава К₃[Fe(C₂O₄)₃]) квантовый выход фотохимической реакции 2Fe(C₂O₄)₃^3- ? 2Fe²⁺ + 5C₂O₄^2- + 2CO₂ равен всего 0,01, но возрастает с увеличением энергии кванта света. Еще меньшие квантовые выходы наблюдаются при фотохимическом разложении (фотолизе) твердых тел. Например, даже на ярком солнечном свету полимерные пленки разрушаются довольно медленно, в течение многих недель, месяцев и даже лет.

В большинстве фотохимических реакций получаемая молекулой энергия превышает типичные энергии активации темновых (термических) реакций и может даже превосходить энергию разрыва химических связей. Все же многие фотохимические реакции отличаются высокой избирательностью, что связано с особенностями электронного строения возбужденного состояния

3. Изучение продуктов первичных фотобиохимических реакций

Продукты первичной реакции (собственно фотохимической) часто участвуют в различных вторичных реакциях (т. н. темновые реакции), приводящих к образованию конечных продуктов. С этой точки зрения фотохимию можно определить как химию возбуждённых молекул, образовавшихся при поглощении квантов света. Часто более или менее значительная часть возбуждённых молекул не вступает в фотохимическую реакцию, а возвращается в основное состояние в результате различного рода фотофизических процессов дезактивации.

Первичные продукты фотохимической реакции - радикалы, ионы, ион-радикалы и электроны - быстро вступают в дальнейшие темновые реакции за время, не превышающее обычно 10-3 сек.

Один из наиболее эффективных методов исследования механизма фотохимических реакций - импульсный фотолиз, сущность которого заключается в создании высокой концентрации возбуждённых молекул путём освещения реакционной смеси кратковременной, но мощной вспышкой света. Возникающие при этом короткоживущие частицы (точнее - возбуждённые состояния и названные выше первичные продукты фотохимической реакции) обнаруживаются по поглощению ими "зондирующего" луча. Это поглощение и его изменение во времени регистрируется при помощи фотоумножителя и осциллографа. Таким методом можно определить как спектр поглощения промежуточной частицы (и тем самым идентифицировать эту частицу), так и кинетику её образования и исчезновения. При этом применяются лазерные импульсы продолжительностью 10-8 сек и даже 10-11-10-12 сек, что позволяет исследовать самые ранние стадии фотохимического процесса.

4. Фотохимические реакции при электронно-возбуденных состояниях пиримидиновых оснований

Раскрытие механизмов мутаций в таких биологически важных молекулах, какими являются молекулы нуклеиновых кислот, исключительно важно и не нуждается в особых обоснованиях. Облучение ДНК УФ-светом приводит к мутациям. В целях выяснения механизма реакций фотодимеризации пуриновых и пиримидиновых оснований, происходящих в ДНК проведены исследования более простых модельных систем. В работе изучали механизм образования димеров тимина в замороженных до температуры жидкого азота водных растворах при их облучении УФ-светом. Фотохимические превращения оснований нуклеиновых кислот, в том числе и тимина, зависят от присутствия добавок в замороженных растворах, механизм действиякоторых до конца не ясен. Например, в присутствии нафталина (1,5-10-4 М) наблюдается увеличение выхода димеров на 15% и снижение на 75% в присутствии ацетона (5-10 4 М) в замороженном водном растворе тимина(3-10 3 М). По мнению авторов, в процессе фотодимеризации тиминаучаствует синглетное состояние тимина, а наблюдающиеся сенсибилизацияи ингибирование выхода димера обусловлены влиянием нафталина и ацетона на это состояние.

В отличие от белков, в нуклеиновых кислотах фотоионизация азотистых оснований происходит только при поглощении двух квантов УФ-света. Такие двухквантовые реакции удается наблюдать при использовании высокоинтенсивного импульсного лазерного УФ-излучения. При относительно низких же интенсивностях УФ-света основными фотохимическими реакциями, в которые вступают основания нуклеиновых кислот, являются реакции фотоприсоединения -- димеризация, гидратация и образование (6-4) пиримидиновых аддуктов.

При облучении фагов и плазмид биологически активный свет поглощается преимущественно нуклеиновыми кислотами. Основная фотохимическая реакция, приводящая к их гибели,-- образование пиримидиновых димеров и в первую очередь димеров тимина. У РНК-со-держащих вирусов определенный вклад в и нактивацию вносят также фотогидраты оснований. Вероятность образования димеров между пиримидиновыми основаниями ДНК зависит от природы соседних оснований. Димерообразование подавлено в бактериальных спорах, в сухой ДНК и замороженных растворах ДНК. Этот процесс подавляется также связыванием интеркаляционных красителей.

5. Реакция фотодимеризации

Эта реакция впервые была обнаружена при Уф облучении замороженных растворов тимина. Она состоит в соединении двух оснований по 5,6-двойной углеродной связи с образованием кольца циклобутанового типа:

Характерная черта реакции димеризации ее обратимость. Пиримидиновые основания поглощают свет в области 200-300 нм, их димеры примерно в том же диапазоне УФ-спектра (200-285 нм).Поэтому при Уф облучении оснований или ДНК для каждой длины волны возбуждающего света между димерами и основаниями устанавливается динамическое равновесие, определяемое соотношением поперечных сечений димеризации оснований и мономеризации димеров. Так, в случае облучения тимина при 200 нм димеризуется около 65% оснований, а при 280-15%. Вследствие бимолекулярного характера реакций фотодимеризации ее квантовый выход существенно зависит от степени взаимоориентации мономеров при возбуждении одного из них. Например, квантовый выход димеризации тимина в водном растворе при комнатной температуре - 4,710^-4, а в замороженном - 1. Квантовый выход димеризации тимина в ДНК - 210^-2. В соответствии с проведенными расчетами условия для димеризации тимина в ДНК являются оптимальными, если соседние мономеры ориентированы друг к другу под углом в 36 . Некоторые красители акридинового ряда могут эффективно уменьшать выход УФ- индуцированных димеров в ДНК. Защитное свойство акридинов основано на их способности интеркалировать между парами оснований в молекуле ДНК. Характерная черта взаимодействия акридинов (например акридиновый оранжевый) с ДНК заключается в том, что при образовании комплекса резко увеличивается интенсивность флуоресценции красителя в максимуме спектра при 530 нм. По мнению некоторых авторов, это может быть обусловлено синглет-синглетной миграцией энергии возбуждения с оснований на краситель. Расчеты показывают, что максимальный квантовый выход такой миграции энергии достигается при соотношении 1 молекула красителя / 5 оснований и составляет 32%. Помимо увеличения интенсивности флуоресценции тестом на связывание акридинов с ДНК может служить так же изменение степени поляризации люминесценции, зависящей от подвижности молекул красителей. С помощью этого метода показано, в частности, что плоскость кольца акридинового оранжевого перпендикулярна длинной оси спирали ДНК и параллельна плоскостям оснований.

6. Реакция фотогидратации

Этот процесс - вторая важная фотохимическая реакция пиримидиновых оснований ДНК, которая заключается в присоединении воды к пиримиддиновым основаниям ДНК, которая заключается в присоединении воды к пиримидиновому кольцу у С ₅(Н) и С₆(ОН) углеродных атомов с разрывом двойной связи между ними и образованием 6-окси-5-гидропроизводных оснований.

В отличие от димеризации реакция гидратации не является фотообратимой. Однако гидраты могут разрушаться при повышении температуры (>30 50 0С) и ионной силы раствора, а так же при сдвигах рН. Скорость фотогидратации уменьшается при замене Н₂О на Д₂О. Предшественниками гидратов пиримидинов являются видимо, их синглетные возбужденные состояния. В пользу этого свидетельствуют следующие данные: триплетные тушители не влияют на фотогидратацию, квантовый выход реакции не зависит от длины Уф света, хотя вероятность конверсии в триплетное состояние зависит от нее, избирательное фото сенсибилизированное заселение триплетных уровней оснований не приводит к их гидратации. Особенность реакции фотогидратации заключается в том, что она протекает только в одноцепочной ДНК. Поэтому гидраты пиримидинов могут вносить вклад в летальный или мутагенный эффект лишь у клеток с активным процессом репликации и транскрипции, в ходе которых появляются короткие одно цепочные участки ДНК.

7. Сшивки с белком

Это пример межмолекулярных взаимодействий, относящихся к третьему типу фотохимических реакций, в которые вступают Пиримидиновые основания ДНК. Акцепторами Уф света являются оба компонента, поскольку облучение как белка, так и ДНК перед сшиванием сопровождается образованием сшивок. Механизм данного процесса, вероятно, заключается в прикреплении аминокислотных остатков белка через SН- или ОН- группы к С₅ или С₆ цитозина или тимина ДНК. В модельной системе наблюдали образование по такому механизму 5-S-цистеин-6-гидроурацила.

Рассмотренные выше фотохимические реакции ДНК протекают с участием низших возбужденных (синглетных и триплетных) состояний пиримидиновых оснований, которые возникают в результате поглощения одного кванта Уф света.

8. Люминесцентная микроскопия

Люминесцентная микроскопия (флюоресцентная микроскопия) -- специальный вид микроскопирования, основанный на использовании собственной (первичной) или наведенной (вторичной) фотолюминесценции микроскопических объектов. Видимая люминесценция (см.) препарата возбуждается либо сине-фиолетовым светом, либо ультрафиолетовыми лучами. Люминесцентный микроскоп в принципе -- обычный биологический микроскоп, снабженный двумя светофильтрами: один пропускает только возбуждающие сине- или ультрафиолетовые лучи (его помещают перед источником света), другой поглощает эти лучи и пропускает только более длинноволновый свет люминесценции препарата (его устанавливают в тубусе или на окуляре микроскопа). Источниками света служат ртутно-кварцевые лампы сверхвысокого давления (типа ДРП1) или лампы накаливания точечного типа. Яркое цветное свечение объектов на темном фоне обеспечивает высокий контраст. Оптико-механическая промышленность выпускает специальные люминесцентные микроскопы и отдельные осветители. Лишь немногие биологически значимые вещества имеют выраженную собственную люминесценцию в видимой области спектра. К ним относятся некоторые пигменты (хлорофилл, порфирины, липохромы), витамины А и В2, алкалоиды (берберин, хинин и др.), антибиотики (тетрациклины и др.), химиотерапевтические и токсические вещества. Проникновение этих веществ в органы и клетки, их распределение и превращения могут быть прослежены при помощи прижизненной люминесцентной микроскопии. Чаще в люминесцентной микроскопии используют люминесцентную «окраску» специальными веществами (флюорохромами), избирательно придающими тонким структурам клетки и тканей способность люминесцировать (люминесцентная цитохимия). Так, например, флюорохром акридиновый оранжевый применяют для контрастирования ядерных структур, выявления нуклеиновых кислот, мукополисахаридов, для обнаружения микробов и крупных вирусов, для цитодиагностики, в том числе распознавания в мазках раковых клеток; аурамин 00 служит для выявления кислотоустойчивых бактерий (туберкулеза, проказы), риккетсий и некоторых вирусов; примулин -- для флюорохромирования элементарных телец вирусов и различения живых и мертвых клеток; фосфин ЗК, нильский голубой и бензпирен -- для локализации липидов в клетках.

Особое значение в люминесцентной микроскопии придается люминесцентно-иммунологическим методам [Куне (A. Coons) с сотр., 1942, 1950], основанным на применении люминесцентно меченных специфических сывороток (антител). Метчиком чаще служит флюорохром изотиоцианат флюоресцеина. Получаемый комплекс «антитело-флюорохром» позволяет быстро обнаруживать, идентифицировать и локализовать даже ничтожные количества соответствующих антигенов, в том числе вирусов, риккетсий, бактерий на фоне посторонней микрофлоры, а также выявлять специфические белки, ферменты, полисахариды в клетках и тканях. Наряду с визуальными наблюдениями и фотографированием в Л.м. все шире применяется объективная регистрация интенсивности, спектров и выхода люминесценции. В СССР развивается новый вид Л. м.-- так называемая ультрафиолетовая Л.м., при помощи которой исследуется собственная ультрафиолетовая невидимая в обычных условиях люминесценция объектов (Е. М. Брумберг), тонко отражающая особенности их физиологического состояния. Люминесцентная микроскопия клеток и тканей. При люминесцентной микроскопии можно изучать первичную (ткани и органы человека и животных имеют нерезкую белесую, голубую или синюю люминесценцию) и вторичную люминесценцию клеток и тканей. Изучение вторичной люминесценции живых и фиксированных клеток и тканей (после их «окраски» флюорохромами) получило широкое распространение. При изучении живых клеток флюоресцирующие вещества применяют в очень малых количествах, не вызывающих токсического действия. В цитологических исследованиях

Л. м. применяют при диагностике злокачественных новообразований в соскобах, пунктатах, мокроте, промывных водах.

Этот метод позволяет быстро получить ярко окрашенный препарат, в котором атипичные клетки выделяются ярким свечением, оттенками цвета и структурой. Л. м. применяется и в гистохимии. Использование акридинового оранжевого позволяет выявить нуклеиновые кислоты, при этом ДНК дает зеленую, а РНК -- красную флюоресценцию. Тот же флюорохром в нефиксированных срезах помогает выявить мукополисахариды, а при модификации этого метода -- муцины. Фосфин 3R, родамин В, бензпирен и др. выявляют в срезах липиды.

9. Люминесцентные метки и зонды и их применение в медицине

В медицине используется применение специальных флуоресцирующих молекул, добавляемых к исследуемым биологическим системам извне, в которых они распределяются в соответствии со своими свойствами. Примером использования флуоресцентных зондов является метод флюоресцентной ангиографии - контрастирование сосудов флуоресцеином и их последующее фотографирование. Этот краситель вводится внутривенно пациентам. Этот краситель не токсичен, обладает очень высоким квантовым выходом флуоресценции. Он разносится с током крови по всему организму и диффундирует в дерму и эпидермис. Флуоресцеин возбуждается невидимым длинноволновым ультрафиолетовым излучением. Люминесценция его наблюдается в видимом свете. Диагностическая значимость этого метода заключается в том, что по скорости появления флуоресценции ( люминесценции) в поверхностных тканях судят об участках тела с пониженным кровообращением, в них флуоресцеин появляется позже, чем в участках тела с нормальным кровообращением.

Применение люминесценции для аналитических целей включает широкую область использования ее для идентификации веществ, для обнаружения малых концентраций веществ; для контроля изменений, претерпеваемых веществом; для определения степени чистоты веществ. Широко применяются измерения люминесценции при изучении кинетики обычных химических реакций. Высокая чувствительность метода позволяет фиксировать малую степень превращения, а иногда по люминесценции промежуточных соединений становится возможным установить механизм химической реакции. Люминесцентные методы используются в биологии, в частности, для исследования структуры белков методом флуоресцентных зондов и меток.

Заключение

Фотохимический закон Эйнштейна аналогичен закону Вавилова для выхода люминесценции. Оба закона отражают обстоятельство, что для действия света важна не сама величина светового потока, а число фотонов, содержащихся в этом световом потоке. Чем меньше энергия фотонов, еще способных вызвать реакцию, тем больший эффект вызовет данный световой поток, так как тем больше в нем будет фотонов.

При поглощении света в ряде веществ происходят химические реакции, изменяющие их внутреннюю структуру. Эти реакции называются фотохимическими.

Общеизвестно большое практическое значение фотохимических реакций в твердых телах. Эти реакции лежат в основе фотографии и кинематографии, ими обусловлено зрение человека. Однако в некоторых случаях с ними приходится бороться, например при создании прочных невыцветающихся красителей для тканей.

Всякий источник света представляет собой коллектив, состоящий из огромного числа элементарных излучателей. Существенным свойством люминесценции, неравновесного процесса, является ее конечная длительность.

Первые шаги практического применения люминесценции связаны с открытием радиоактивности и рентгеновых лучей. Роль люминесценции в открытии ядерного ядра. Применение светящихся составов постоянного действия, представляющих собой смесь радиоактивного вещества с сернистым цинком, на светящихся циферблатах часов явилось, по существу, первым практическим использованием ядерной энергии.

Люминесцирующие экраны применялись и применяются сейчас в рентгенотехнике при медицинском и техническом просвечивании.

Использование люминесценции позволило создать новые источники света, лишенные недостатков ламп накаливания. Прежде всего следует указать на достигнутое при этом резкое повышение экономичности, а затем и на улучшение цветовых характеристик источников света.

Размещено на Allbest.ru