ALTE DOCUMENTE |
Fotobiologia studiaza interactiunea radiatiilor electromagnetice neionizante cu sistemele biologice.
Undele electromagnetice sunt unde transversale care au componenta magnetica si o componenta electrica, vectorii electric si magnetic fiind perpendiculari unul pe celalalt si pe directia de propagare. Marimile ondulatorii caracteristice acestor unde sunt lungimea de unda l, frecventa n si perioada T. Din punct de vedere al caracteristicilor ondulatorii spectrul radiatiilor electromagnetice se întinde de la undele radio lungi caracterizate prin frecvente mici si lungimi de unda mari (km) pâna la razele g de mare energie, de frecvente mari si lungimi de unda mici (Ǻ) (fig.).
Energia radiatiilor electromagnetice si interactia lor cu substanta
Conform relatiei lui Planck, energia unei unde electromagnetice este:
unde h = 6,62 10-34 Js, constanta lui Planck
c = 3 108 m/s, viteza luminii în vid.
Din punct de vedere al energiei transpo 414i814e rtate, radiatiile electromagnetice se clasifica în:
I. Radiatii neionizante
II. Radiatii ionizante
La interactia cu substanta, radiatiile electromagnetice cedeaza energie atomilor si moleculelor. Efectele interactiei pot fi:
- cresterea energiei de agitatie termica a atomilor si moleculelor
- excitarea atomilor si moleculelor (electronii ce intra în alcatuirea acestora pot trece pe nivele de energie superioare, tranzitiile fiind cuantificate)
- ionizarea atomilor si moleculelor (extragerea electronilor din învelisurile electronice ale acestora).
Energia de ionizare a principalilor atomi care intra în structura biomoleculelor este: 13,54 eV pentru hidrogen, 13,17 pentru oxigen, 11,24 pentru carbon si 14,51 pentru azot (1 eV = 1,6 10-19 J). Se observa ca energia cea mai mica de ionizare este cea pentru carbon. Se poate calcula lungimea de unda a radiatiei care are energia suficienta pentru a produce ionizarea carbonului:
În spectrul radiatiilor electromagnetice, numai radiatiile x si g îndeplinesc conditia ca lungimea de unda sa fie mai mica de 100 nm, deci numai acestea pot produce ionizari ale principalilor atomi din componenta materiei vii. De aceea, radiatiile x si g se numesc radiatii ionizante. Radiatiile cu lungimea de unda mai mica de 100 nm , începând cu UV (radiatii ultraviolete) extrem(100-190 nm) si mergând spre undele radio lungi sunt radiatii neionizante.
Radiatiile neionizante din domeniul radiatiilor vizibile si ale celor cu lungimi de unda apropiate de acestea si interactia lor cu substanta constituie obiectul de studiu al fotobiologiei. Ele sunt radiatii cu care aproape toate sistemele vii convietuiesc si sunt absorbite selectiv de catre moleculele componente ale sistemelor vii.
Se realizeaza prin:
Transferul energiei undelor electromagnetice catre molecule. Energia totala a acesora va creste:
E = Ee + Ev + Er
Ee - energia electronilor
Ev - energia de vibratie
Er - energia de rotatie
Prin cresterea energiilor de rotatie si vibratie are loc încalzirea substantei (cresterea agitatiei termice):
DE = DEv + DEr
Radiatiile infrarosii (IR) pot mari numai energiile de vibratie si rotatie ale moleculelor, pe când radiatiile ultraviolete pot mari toate tipurile de energie.
Transferul energiei undelor electromagnetice catre electronii periferici ai atomilor si moleculelor, DEe. Prin acest transfer se produce excitarea atomilor si moleculelor, respectiv trecerea lor pe nivele de energie superioare. Conform principiului de incertitudine al lui Heisenberg, electronii nu pot ramâne mult timp în stare excitata (10-8 - 10-6 s în starea de singlet - cu spinii orientati antiparalel- si 10-3 - 100 s în starea de triplet - cu spinii orientati paralel). Dupa aceste interval de timp, electronii se dezexcita, iar dezexcitarea poate fi de doua feluri:
a - dezexcitare radiativa
b - dezexcitare neradiativa.
Dezexcitarea radiativa este numita si fotoluminescenta. Absorbtia fotonului este urmata de emisia unui foton cu o lungime de unda mai mare sau egala cu cea a fotonului absorbit. Exista doua tipuri de fotoluminescenta: fluorescenta (reemisia din starea singlet) si fosforescenta (reemisia din starea triplet)(fig.). Atunci când lungimea de unda în reemisie este egala cu cea a fotonului absorbit, fluorescenta se numeste de rezonanta. Durata fluorescentei este foarte mica, practic emisia se face în acelasi timp cu excitarea. În fosforescenta emisia continua si dupa încetarea excitarii.
Transferul energiei undelor electromagnetice catre molecule, având drept rezultat cresterea reactivitatii chimice a acestora ori producerea unor reactii fotochimice. Dintre aceste reactii fotochimice se pot mentiona: izomerizari si rearanjari interne ale moleculei, polimerizari sau combinari între molecule, fotosensibilizari.
Exemple
Reactia cu o alta molecula, reactie care altfel nu s-ar fi produs (M* - molecula fotoexcitata):
M + A D
Reactia de dimerizare:
M + M MM
Fotosensibilizarea - energia absorbita de M este transferata speciei N care devine reactiva:
M* + N M + N*
Radiatiile respective sunt absorbite de catre grupari speciale ale unor molecule, grupari care se numesc cromofori.
Exemple de grupari cromofore: - N = N - , = C = O, - N = O
Aceste reactii fotochimice se desfasoara conform unor legi.
1. Legea Grotthus-Draper: radiatia trebuie sa fie absorbita de o molecula înainte ca reactia fotochimica sa aiba loc; daca substanta iradiata nu absoarbe radiatii, nu se produce reactia fotochimica.
2. Legea Stark-Einstein: radiatia absorbita nu duce în mod obligatoriu la o reactie fotochimica, daca totusi se produce reactia, pentru fiecare molecula transformata este necesar un singur foton. În legatura cu aceasta se defineste randamentul cuantic F
F = Nm/Nf
Nm - numarul de molecule (respectiv moli) care au reactionat
Nf - numarul de fotoni (respectiv Einsteini) care au fost absorbiti
1 Einstein = NA hn
În sistemele biologice efectele la nivel molecular determina efectele la nivel celular sau la cel al organismului.
Consta în conversia energiei radiante în energie chimica folosita în sinteza unor molecule complexe. Celulele plantelor verzi contin organite celulare numite cloroplaste, în care se afla pigmenti clorofilieni si carotenoizi. Clorofilele sunt molecule complexe care contin grupari cromofore în sisteme de duble legaturi conjugate. Prin absorbtia luminii de catre gruparile cromofore se produce excitarea electronilor pe nivele superioare de energie. Revenirea lor pe nivelul fundamental se face în trepte, de-a lungul lantului transportor de electroni. În fiecare treapta are loc o reactie de fosforilare a ADP cu formare de ATP. Astfel, energia luminoasa este transformata în energie chimica înmagazinata în ATP. Fotosinteza se realizeaza prin doua tipuri de reactii:
- reactii la lumina, direct dependente de energia luminoasa
- reactii la întuneric, în absenta luminii
Într-o varianta foarte simplificata, reactiile la lumina sunt cele de fotoliza a apei, de formare a NADPH (nicotinamid-adenin dinucleotid-difosfat) si a ATP, în timp ce în reactiile la întuneric are loc reducerea CO2 cu formarea de polimeri hexozici.
2 H2O + hn O2 + 4H+ + 4 e-
2 NADP + 2 H+ + 2e- 2 NADPH
CO2 + 2 NADPH + 2 H+ + 2e- CH2O + H2O + 2 NADP
hn
n(H2O) + nCO2 (CH2O)n + nO2
hn
6H2O + 6CO2 C6H12O6 + 6O2
Rodopsinele vizuale, rodopsina si iodopsinele, fac parte din clasa proteinelor retinale, al caror cromofor este aldehida vitaminei A numita retinal. Sub actiunea radiatiilor luminoase vizibile se produce izomerizarea retinalului din configuratia 11-cis în cea all-trans si desprinderea acestuia de opsina. În acest mod se produce activarea rodopsinei si se declanseaza ciclul de reactii biochimice la întuneric. Energia radiatiei luminoase este utilizata pentru declansarea excitatiei vizuale. Pentru întreaga cascada de reactii biochimice ce urmeaza, si care se încheie cu închiderea canalelor de Na si Ca si hiperpolarizarea membranei, este utilizata energia metabolica.
Bacteriorodopsina, de asemenea membru al familiei proteinelor retinale, reprezinta o pompa protonica activata de lumina. Cromoforul bacteriorodopsinei este tot retinalul care la întuneric se afla în configuratia all-trans si care prin fotoizomerizare trece în configuratia 13-cis. Urmeaza o serie de reactii însotite de modificari conformationale ale rodopsinei, reactii care au ca efect translocarea unui proton din citoplasma în exteriorul celulei. Gradientul protonic astfel creat poate folosi la sinteza ATP. Transportul de protoni este cuplat cu fosforilarea ADP (ADP + P ATP) si cu evacuarea ionilor de Na din celula bacteriana.
Radiatiile ultraviolete (UV)
Radiatiile UV se situeaza în spectru dincolo de radiatiile vizibile de lungime de unda mica (violet) si din punct de vedere al efectelor biologice sunt clasificate astfel:
UV-A, cu lungimea de unda cuprinsa între 315-400 nm
UV-B, cu lungimea de unda cuprinsa între 280 - 315 nm
UV-C, cu lungimea de unda mai mica de 280 nm.
Cea mai mica energie o au radiatiile UV-A si cea mai mare UV-C. Energia radiatiilor UV se afla în domeniul 3-7 eV, deci este mai mica decât energia de ionizare a principalilor atomi constituenti ai biomoleculelor. Radiatiile UV pot produce ruperi de legaturi chimice si reactii fotochimice. Dintre efectele radiatiilor UV se pot mentiona urmatoarele:
- Dimerizarea unor perechi de baze azotate (ex. dimerizarea timinei) cu sudura lanturilor de ADN în locul respectiv. Aceasta sudura împiedica copierea informatiei de pe ADN pe ARN. Una din consecintele dimerizarii este actiunea bactericida al UV, prin împiedicarea transcriptiei este oprita diviziunea celulara. Demonstrarea acestui lucru se poate face prin fotoreactivare: bacteriile iradiate cu UV sunt imediat iradiate cu radiatii vizibile (380-450 nm). Se activeaza prin aceasta o enzima care desface dimerii timinei. Reactivarea nu se face însa 100%, eficacitatea procesului fiind determinata prin intermediul unei curbe doza-efect.
- Efecte asupra ADN: formare de dimeri, hidratarea bazelor pirimidinice, ruperea legaturilor de H, ruperea lantului de ADN, formarea unor legaturi cu proteinele (ADN-protein cross-links).
- Producere de eritem (arsuri tegumentare) - UV-B (290-320 nm).
- Pigmentarea pielii (UV-A, 320-420 nm). În melanocite are loc transformarea tirozinei în melanina cu ajutorul enzimei tirozinaza. Pigmentul absoarbe apoi 90-100% radiatiile UV realizând o protectie contra insolatiei.
- Transformarea ergosterolului în vitamina D2 (antirahitica). Spectrul de actiune are un maximum la 280 nm.
- Inflamatia corneei ( de aceea se recomanda ochelari din sticla speciala pentru protectie).
Protectia cea mai importanta fata de actiunea nociva a UV de energii mari este realizata prin stratul de ozon (O3) din partea superioara a atmosferei. Oxigenul absoarbe radiatiile UV-C si se produc reactiile:
O2 + hn O O
O + O2 O3
O - radicali liberi foarte nocivi si activi
hn + O3 O2 + O
Fotoprodusii rezultati reintra în reactiile anterioare. În acest fel radiatiile UV duc la formarea de ozon în straturile superioare ale atmosferei.
|
