FOTOBIOLOGIE
Radiatia este un transport de energie de catre unde electromagnetice sau particule materiale.
RADIAŢIA ELECTROMAGNETICĂ
Radiatia electromagnetica este o unda care are doua componente: cāmpul electric (E) si cāmpul magnetic (B). Cele doua cāmpuri variaza periodic (oscileaza) īn timp si spatiu, fiecare pe o directie perpendiculara pe directia de propagare a undei si perpendicular unul pe celalalt. Un cāmp electric oscilatoriu genereaza un cāmp magnetic oscilatoriu, si invers. Īn acest fel se creeaza o unda care se propaga de la sine īn spatiu - unda electromagnetica.
Radiatia electromagnetica prezinta atāt proprietati ondulatorii (specifice undelor) cāt si corpusculare (specifice particulelor materiale). Aceste caracteristici pot fi o 848d33i bservate separat: cele ondulatorii apar atunci cānd unda este masurata pe distante si timpi relativ mari, īn timp ce proprietatile corpusculare se manifesta atunci cānd se masoara distante mici si timpi scurti de interactie.
Proprietati ondulatorii
Frecventa n) = numarul de oscilatii complete efectuate de cāmpul electric īn unitatea de timp. Se masoara īn Hz (Herz): 1 Hz = 1 s-1 (o oscilatie pe secunda).
Perioada de oscilatie (T) = timpul īn care se efectueaza o oscilatie completa; T = 1/n
Lungimea de unda l) = distanta īntre doua maxime succesive, sau, echivalent, distanta parcursa īntr-o perioada de oscilatie.
O unda electromagnetica ce se propaga īn sensul pozitiv al axei Ox are o variatie periodica īn timp si spatiu a cāmpului electric/magnetic, de forma
unde E(x,t) este valoarea cāmpului electric īn punctul de coordonata x, la momentul t, iar E0 este valoarea sa maxima (amplitudinea). Īn acelasi mod variaza si cāmpul magnetic.
Argumentul functiei
sinusoidale, 
, poarta numele de faza. La un anumit moment
de timp, punctele din spatiu īn care unda are aceeasi faza
definesc frontul de unda.
Viteza de propagare v l/T = ln este viteza cu care se propaga frontul undei electromagnetice. Īn vid, radiatiile electromagnetice se propaga cu aceeasi viteza fata de orice sistem de referinta, cu viteza c ≈ 3 108 m/s = 300000 km/s, numita viteza luminii īn vid. Orice particula materiala din univers are īntotdeauna viteza mai mica sau egala cu c.
Atunci cānd unda electromagnetica trece dintr-un mediu īn altul, frecventa ramāne aceeasi, īnsa viteza se modifica. Ca urmare, se modifica si lungimea de unda.
Proprietati corpusculare
Radiatia electromagnetica este un ansamblu de particule (sau corpusculi) numite fotoni. Fotonii se deplaseaza īntotdeauna cu aceeasi viteza, egala cu c. Un foton se mai numeste cuanta de energie. Īntr-o unda electromagnetica monocromatica (avānd o singura frecventa) toti fotonii au aceeasi energie, E, care depinde de frecventa radiatiei.
Relatia Planck-Einstein
E = hn = hc/l
unde h = 6,62 10-34 Js este constanta lui Planck.
Spectrul radiatiei electromagnetice
Īn general, o
unda electromagnetica este o suprapunere de mai multe unde
electromagnetice, care pot avea diferite frecvente. Ea este
caracterizata de spectrul frecventelor,
totalitatea frecventelor diferitelor unde care compun unda
rezultanta. Fiecarei frecvente īi corespunde o anumita
lungime de unda, de aceea se mai poate folosi spectrul lungimilor de unda.
Spectrul electromagnetic cuprinde toate frecventele posibile ale undelor electromagnetice. In intervalul cuprins īntre o valoare minima si o valoare maxima, frecventa poate lua orice valoare; spunem ca spectrul electromagnetic este continuu.
Cele mai joase frecvente si energii le au undele radio extrem de lungi; lungimea de unda este de ordinul a 10000 km, iar frecventa de ordinul a 30 Hz .
Cea mai mare frecventa si energie o au radiatiile γ, care pot atinge frecvente de 1024 Hz si lungimi de unda mai mici de 10-14 m.
Lumina acopera doar o mica parte a spectrului radiatiilor electromagnetice, numita spectrul vizibil sau domeniul vizibil. Soarele si alte stele asemanatoare lui emit cel mai puternic radiatii electromagnetice vizibile (care compun lumina), singurele radiatii electromagnetice percepute de ochiul uman. Spectrul vizibil contine frecvente īntre ~405 THz (rosu) si ~790 THz (violet); 1 THz = 1012 Hz. Īn vid, radiatiile vizibile au lungimi de unda cuprinse īntre ~380 nm (violet) si ~740 nm (rosu); 1 nm = 10-9 m. Īntr-un mediu oarecare, culoarea este data de frecventa undei. De exemplu, o raza de lumina rosie care trece din aer īn apa ramāne rosie, desi lungimea de unda se schimba.
Un atom neutru īn stare fundamentala are energie minima. Atunci cānd interactioneaza cu o unda electromagnetica, atomul poate absorbi energie de la aceasta, trecānd pe un nivel superior de energie. Daca atomul nu a pierdut nici un electron, spunem ca atomul este īntr-o stare excitata (atom excitat, sau molecula excitata īn cazul moleculelor). Daca īnsa radiatia a cedat suficienta energie pentru a scoate un electron din atom, se produce o ionizare, rezultānd un atom ionizat (īncarcat electric) si un electron liber.
Radiatia electromagnetica poate fi emisa sau absorbita de electronii din molecule sau atomi. Īn urma procesului de emisie sau absorbtie, electronii trec de pe un nivel de energie pe un altul. Nivelele energetice sunt discrete, adica dispuse "īn trepte": electronii nu pot ceda sau absorbi decāt anumite cantitati precise de energie. Spectrul de emisie sau absorbtie al unui atom sau molecula va contine deci numai anumite frecvente (spectru discret), care definesc liniile spectrale ale atomului sau moleculei respective. La moleculele organice extrem de complexe unele nivele energetice ale diferitilor atomi componenti pot sa se īntrepatrunda, dānd nastere unor benzi spectrale (subdomenii continue ale spectrului moleculei).
RADIAŢII NEIONIZANTE
Radiatiile pot fi ionizante sau neionizante.
Radiatiile ionizante au suficienta energie pentru scoate electroni din atomi sau molecule, producānd astfel ionizari īn mediul iradiat. Energia radiatiei care produce o ionizare trebuie sa fie mai mare sau egala cu energia de legatura īn atomul sau molecula respectiva a electronului eliberat.
Energia de ionizare a principalilor
atomi care intra īn structura biomoleculelor este: 13,54 eV pentru
hidrogen, 13,17 eV pentru oxigen, 11,24 eV pentru carbon si 14,51 eV
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: E = hc/l 
l = hc/E = 6,62 10-19 = 110 nm.
Energia minima a radiatiilor ionizante este de 10 eV. Radiatiile electromagnetice ionizante au l 120 nm; acestea pot fi numai radiatii g, X sau unele radiatii UV.
Radiatiile care au o energie mai mica de 10 eV (1 eV = 1,6 10-19 J) nu pot produce ionizari īn materie si se numesc radiatii neionizante. Lungimea de unda a radiatiilor electro-magnetice neionizante este 120 nm.
Radiatiile electromagnetice din cea mai mare parte a domeniului UV, din tot domeniul vizibil si infrarosu, microundele si undele radio sunt radiatii neionizante.
Fotobiologia studiaza modul īn care radiatiile neionizante din domeniul radiatiilor vizibile si ale celor cu lungimi de unda apropiate de acestea interactioneaza cu sistemele biologice, precum si efectele biologice ale acestor radiatii.
Atunci cānd traverseaza un material, radiatiile electromagnetice cedeaza energie atomilor si moleculelor acestuia. Ca urmare, pot avea loc:
- cresterea energiei de agitatie termica a atomilor si moleculelor (īncalzirea materialului);
- excitari ale atomilor si moleculelor;
- ionizari ale atomilor si moleculelor (numai īn cazul radiatiilor ionizante).
Energia totala (E) a unei molecule este.
E = Ee + Ev + Er
Ee - energia electronilor moleculei
Ev - energia de vibratie a atomilor īn molecula
Er - energia de rotatie a moleculei.
Īn urma absorbtiei de energie de la radiatia neionizanta, energia unei molecule va creste īn medie cu
ΔE = ΔEe + ΔEv + ΔEr
Efecte ale radiatiilor electromagnetice neionizante:
1. Prin cresterea energiilor de rotatie si vibratie ale moleculelor (īn medie cu ΔEv + ΔEr pentru fiecare molecula) se produce īncalzirea substantei.
Radiatiile infrarosii (IR) pot mari numai energiile de vibratie si rotatie ale moleculelor, īn timp ce radiatiile ultraviolete pot mari toate tipurile de energie.
2. Radiatia poate sa cedeze energie electronilor periferici ai atomilor si moleculelor. Energia electronilor creste cu DEe. Prin acest transfer de energie se produce excitarea atomilor si moleculelor.
Atomii/moleculele nu pot ramāne mult timp īn stare excitata (timpul mediu de viata este 10-8 - 10-6 s īn starea de singlet si 10-3 - 100 s īn starea de triplet), dupa care atomii se dezexcita. Dezexcitarea poate fi de doua feluri:
- dezexcitare radiativa (atomul/molecula revine īn starea fundamentala prin emisie de radiatie electromagnetica);
- dezexcitare neradiativa (atomul/molecula revine īn starea fundamentala fie prin transferul energiei de excitare unui alt atom/molecula, fie prin cresterea energiei vibrationale).
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). Atunci cānd lungimea de unda īn reemisie este egala cu cea a fotonului absorbit, fluorescenta se numeste de rezonanta. Durata fluorescentei este foarte mica, de ordinul a 10 ns. Īn fosforescenta emisia continua un timp mai lung dupa īncetarea excitarii (īn general de ordinul milisecundelor, dar exista compusi fosforescenti care emit timp de cāteva secunde, minute sau chiar ore).
Īn unele cazuri excitarea unor anumite tipuri de molecule determina cresterea reactivitatii chimice a acestora si producerea unor reactii fotochimice: izomerizari (rearanjari interne ale moleculei) sau polimerizari, combinari īntre molecule sau fotosensibilizari.
Exemple:
a) Reactia moleculei fotoexcitate (M*) cu o alta molecula (A), reactie care nu se poate produce daca molecula M este īn stare fundamentala:
M* + A D
b) Reactia de dimerizare:
M + M MM
c) Fotosensibilizarea - energia absorbita de M este transferata unei alte molecule N, care devine reactiva:
M* + N M + N*
Radiatiile electromagnetice din domeniul UV si vizibil sunt absorbite de catre grupari speciale ale unor molecule, grupari care se numesc cromofori.
Exemple de grupari cromofore: - N = N - , = C = O, - N = O
Rodopsinele vizuale, rodopsina si iodopsinele, fac parte din clasa proteinelor retinale, al caror cromofor este aldehida vitaminei A, numita retinal. Sub actiunea luminii (radiatii īn domeniul vizibil) se produce izomerizarea retinalului: atomii constituenti ai retinalului se dispun spatial īn alt mod; spunem ca molecula īsi schimba conformatia. Īn noua conformatie, retinalul se desprinde de opsina. Īn acest fel rodopsina este activata si initiaza ciclul de reactii biochimice care conduc la declansarea excitatiei vizuale.
Legile fotochimiei
Legea Grotthus-Draper
Pentru a se putea produce reactia fotochimica, molecula trebuie sa absoarba radiatie.
Legea Stark-Einstein
Pentru o molecula care poate participa la o reactie fotochimica īn urma absorbtiei unui foton exista o probabilitate mai mica de 100% de a se produce reactia fotochimica. Īn cazul īn care reactia fotochimica are loc, molecula fotoexcitata a fost produsa prin absorbtia unui singur foton.
Probabilitatea de producere a reactiei fotochimice se numeste randament cuantic:
F = Nm/Nf
Nm = numarul de molecule care au reactionat;
Nf = numarul de fotoni care au fost absorbiti.
Īn spectrul radiatiilor electromagnetice, radiatiile ultraviolete se afla īntre radiatiile X si radiatiile vizibile, avānd lungimi de unda cuprinse īntre 40 si 400 nm, iar energia cuprinsa īntre 3 si 30 eV. Spectrul UV cuprinde cinci regiuni distincte:
UV extrem (40-190 nm),
UV īndepartat (190-220 nm),
UVC (220-290 nm),
UVB (290-320 nm),
UVA (320-400 nm).
Soarele este cea mai importanta sursa naturala de radiatii ultraviolete. Surse artificiale sunt lampile germicide, lampile cu vapori de mercur, cu halogen, cu descarcari electrice sub tensiune īnalta, sursele incandescente sau fluorescente, precum si unele surse laser.
Radiatiile UV neionizante pot produce ruperi de legaturi chimice moleculare si pot induce reactii fotochimice. Efectele biologice ale iradierii cu ultraviolete depind de lungimea de unda si de timpul de expunere.
Radiatiile din domeniul UV extrem, UV īndepartat si UVC sunt aproape inexistente īn natura deoarece sunt absorbite complet īn atmosfera.
Lampile germicide emit radiatie UVC. Aceasta induce dimerizarea unor perechi de baze azotate ale ADN-ului (de exemplu dimerizarea timinei) cu sudura lanturilor de ADN īn locul respectiv. Ca urmare, transcrierea genetica (copierea informatiei de pe ADN pe ARN) este blocata, determinānd oprirea diviziunii celulare si īn final moartea celulara (efect bactericid).
Pe lānga reactiile de dimerizare, radiatiile UVC mai pot induce si alte efecte asupra moleculei de ADN: ruperea unor legaturi chimice (legaturi de hidrogen), hidratarea bazelor pirimidinice, ruperea unei catene ADN, precum si formarea unor legaturi cu proteinele (DNA-protein cross-links).
La om, radiatiile UVC sunt absorbite de stratul extern de celule moarte al epidermei. Supraexpunerile accidentale la UVC pot produce inflamatii si arsuri ale corneei, precum si arsuri severe ale fetei. Acestea se vindeca de obicei īn 1-2 zile, dar sunt extrem de dureroase.
Radiatiile UVB sunt cea mai distructiva forma a radiatiilor ultraviolete deoarece au suficienta energie pentru a produce leziuni īn ADN prin reactii fotochimice, si nu sunt absorbite complet īn atmosfera.
La om, radiatiile UVB si UVC sunt necesare pentru transformarea ergosterolului īn vitamina D2 (efect antirahitic).
Exista īnsa si efecte nocive ale UVB: eritem (arsuri tegumentare), cataracta sau cancer al pielii.
Cea mai mare parte a radiatiei UVB solare este absorbita de ozonul (O3) din atmosfera. Reducerea stratului de ozon poate sa creasca incidenta cancerului pielii.
Oxigenul absoarbe radiatiile UVB si se produc reactiile:
O2 + hn O + O
O + O2 O3
O este un radical liber foarte reactiv si nociv.
Ozonul rezultat absoarbe la rāndul sau radiatiile UVB:
hn + O3 O2 + O
Fotoprodusii rezultati reintra īn reactiile anterioare. Īn acest fel radiatiile UVB participa la formarea de ozon īn straturile superioare ale atmosferei.
Radiatiile UVA (care sunt supranumite lumina neagra) sunt absorbite foarte putin īn atmosfera. Efectul primar al UVA este pigmentarea pielii, īnsa expunerea excesiva produce eritem.
Sub actiunea UVA, enzima tirozinaza din melanocite transforma tirozina īn melanina. Acest pigment are capacitatea de a absorbi radiatiile ultraviolete īn proportie de 90-100%, oferind īn acest fel protectie contra insolatiei.
Supraexpunerea la UVA induce īmbatrānirea precoce (rigidizarea) pielii, determina aparitia cataractei si afecteaza grav sistemul imunitar. Majoritatea lampilor utilizate īn fototerapie, precum si cele folosite pentru bronzare artificiala sunt lampi de UVA.
Efectele fotochimice ale radiatiilor ultraviolete pot fi amplificate de unele medicamente cum ar fi tetraciclina, anticonceptionalele, antidepresivele, precum si de unele componente ale produselor cosmetice. Protectia fata de ultraviolete este asigurata de īmbracaminte, materiale din sticla speciala, materiale acrilice si materiale plastice. Lotiunile de soare ofera protectie relativ redusa fata de ultraviolete.
Tratamente cu UV (fototerapia, chemofototerapia)
Fototerapia se utilizeaza īn tratamentul unor afectiuni ale pielii (psoriazis, dermatita atopica, dermatita seboreica, vitiligo). Se expune zona afectata a pielii la radiatii ultraviolete (UVA, UVB sau o combinatie de UVA si UVB), pentru un interval de timp bine precizat. Īn timpul tratamentului, restul suprafetei pielii este protejat cu īmbracaminte de protectie; pacientul poarta ochelari de protectie. Īn anumite cazuri, este expus īntregul organism, īntr-o camera speciala (cutie) de expunere UV. Pentru expunerea unor portiuni mici ale pielii, se folosesc dispozitive de UV de dimensiuni mici, care sunt manevrate manual.
Īn prezent, mecanismul de actiune al ultravioletelor īn cazurile de psoriazis nu este bine definit. Se presupune ca radiatiile UV distrug celulele anormale sau modifica reactiile sistemului imunitar care se produc īn piele. Intensitatea radiatiei UV utilizate depinde de conditia pielii. Initial se expune o arie mica a pielii si se determina doza minima pentru eritem (DME), adica doza minima de radiatie UV care determina īnrosirea pielii dupa 24 h. Tratamentul propriu-zis consta īntr-un ciclu de 3-5 expuneri saptamānal pe o perioada de 1-2 sau mai multe luni. Doza de pornire este DME. La primele sedinte de fototerapie timpul de expunere este scurt, fiind apoi crescut progresiv pe parcursul tratamentului. Īn general se obtin rezultate bune (ameliorare substantiala sau vindecare) dupa 18-30 expuneri. Ulterior se efectueaza tratamente mai scurte īn mod periodic, pentru a preveni recurenta.
Fototerapia poate fi utilizata ca atare sau īmpreuna cu aplicarea unui agent topic fotosensibilizator, care, īn urma absorbtiei radiatiilor UV, contribuie la limitarea metabolismului anormal al pielii.
Īn general tratamentul UV se completeaza cu administrare de agenti sistemici, cum ar fi unele medicamente (metrotexat pentru cazuri severe de psoriazis) sau derivati ai vitaminei A, numiti retinoizi.
Recent se foloseste laserul excimer cu clorura de xenon (l = 308 nm) īn pulsuri ca sursa de UV.
Chimiofototerapia (sau tratament PUVA) consta īn ingerarea, aplicarea topica sau bai cu psoralen, urmate de expunere la radiatii UVA.
Psoralenii sunt agenti fotosensibilizatori. Ca si īn cazul fototerapiei, modul lor de actiune asupra celulelor anormale ale pielii nu este bine cunoscut.
Chimiofototerapia este deosebit de eficienta īn tratarea psoriazisului.
Comparativ cu fototerapia, utilizarea psoralenilor īn chimiofototerapie permite utilizarea unei doze mai mici de radiatii UV.
Īnaintea tratamentului se determina doza fototoxica minima (DFM), doza minima de UVA care produce īnrosirea uniforma a pielii dupa 72 h de la expunere. Īnainte de expunere, pacientul ingereaza un psoralen, apoi o zona restrānsa a pielii este expusa la UVA. DFM devine doza de pornire pentru tratamentul propriu-zis.
|
