fotobiologie mg 2015 2016

Curs Biofizica MG 2015-2016 – “Elemente de fotobiologie”

1

Radiaţii. Noţiuni generale. Elemente de fotobiologie

Radiaţie = propagarea în spaţiu a unor câmpuri de forţe sub formă de unde sau a

unor fluxuri de particule.

Clasificarea radiaţiilor Se face după mai multe criterii:

1. În funcţie de natura lor: - Radiaţii electromagnetice (EM) – propagarea sub formă de unde transversale a

undelor electromagnetice - Elastice: propagarea sub formă de unde longitudinale a vibraţiilor unui mediu elastic - Corpusculare: fascicule de particule de mare energie 2. În funcţie de energie, în raport efectul lor asupra substanţei cu care interacţionează: - Ionizante – cele care sunt capabile să producă ionizarea, datorită energiei mari - Neionizante – radiaţii de energie mică, incapabile să producă ionizarea.

Dualismul undă - corpuscul

Unda reprezintă propagarea în spaţiu a variaţiei unui parametru fizic. Poate fi declanşată de o mişcare oscilatorie a unor particule materiale, dar se propagă în spaţiu la distanţă, particulele rămânând să oscileze în jurul unor poziţii fixe. Prin intermediul interacţiunilor fizice specifice, unda determină mişcări oscilatorii sau alte efecte asupra particulelor aflate în calea ei.

Undele pot fi transversale (oscilaţia se propagă perpendicular pe direcţia de înaintare a undei; de exemplu lumina – undă electromagnetică transversală) sau longitudinale (oscilaţia se propagă paralel cu direcţia de înaintare a undei; de exemplu unda sonoră – undă mecanică longitudinală). Viteza de propagare a undei diferă de viteza de oscilaţie a particulelor materiale.

Pornind de la incapacitatea fizicii clasice de a explica unele fenomene, de exemplu efectul fotoelectric sau radiaţia corpului negru, fizica cuantică modernă asociază fiecărei unde o particulă fără masa de repaus (fotonul pentru unda electromagnetică) – dualitatea undă - corpuscul. Manifestările ondulatorii sunt evidente la frecvenţe joase, cele corpusculare la frecvenţe înalte.

Interacţiunea radiaţiilor cu substanţa La interacţiunea cu substanţa, radiaţia cedează o parte din energia sa, în general conform unei legi de absorbţie exponenţiale:

I = I0e-kd

unde I0 reprezintă intensitatea incidentă, I – intensitatea emergentă, d – grosimea stratului de substanţă străbătut, k – coeficient specific de atenuare (acesta depinde de natura radiaţiei şi de caracteristicile substanţei) Energia cedată se transformă în alte forme de energie, producând efecte diferite cu atât mai importante cu cât energia absorbită de substanţă este mai mare. Interacţiunea radiaţie - substanţă se realizează la diferite nivele de organizare a materialului absorbant:

- La nivel molecular – efecte termice, excitări vibraţionale şi rotaţionale ale moleculelor, reacţii chimice;

- La nivel atomic, producând excitări ale ionilor sau ionizări; - La nivel nuclear – excitări ale nucleului sau declanşarea unor reacţii nucleare.


Generarea şi propagarea radiaţiilor electromagnetice

Radiaţiile electromagnetice pot fi produse de mişcări oscilatorii ale unor sarcini electrice. Câmpul electrostatic produs în jurul unei sarcini electrice Q, aflate în repaus, la distanţa r are valoarea:

În cazul în care sarcina efectuează o mişcare oscilatorie, intensitatea câmpului electric

variază. Simultan, datorită sarcinii electrice în mişcare apare şi un câmp magnetic a cărui inducţie B este orientată perpendicular pe directia câmpului electric E. Prin urmare, o sarcină electrică oscilantă creează un câmp electric şi un câmp magnetic reciproc perpendiculare. Maxwell a arătat că cele două câmpuri se propagă în spaţiu cu viteză constantă (viteza luminii în vid) pe o direcţie perpendiculară pe cei doi vectori (Fig. 1) – undă electromagnetică transversală.

Parametrii caracteristici undelor electromagnetice transversale Mărimile caracteristice undelor sunt perioada T (timpul după care oscilaţia se repetă),

lungimea de undă λ (spaţiul parcurs într-un interval de timp egal cu o perioadă T) şi frecvenţa ν (inversul perioadei T). Relaţiile care există între mărimile caracteristice undelor sunt următoarele:

unde c reprezintă viteza de propagare a undei. Undele electromagnetice sunt unde transversale care au componentă magnetică şi o

componentă electrică, vectorii electric şi magnetic fiind perpendiculari unul pe celălalt şi pe direcţia de propagare (Fig. 1). Din punct de vedere al caracteristicilor ondulatorii spectrul radiaţiilor electromagnetice se întinde de la undele radio lungi caracterizate prin frecvenţe mici şi lungimi de undă mari (km) până la razele γ de mare energie, de frecvenţe mari şi lungimi de undă mici (Å) (Fig. 2). Conform relaţiei lui Planck, energia unei unde electromagnetice este:

E = hν = hc/λ

unde h = 6,62 ⋅10-34 Js, constanta lui Planck, iar c = 3⋅ 108 m/s, viteza luminii în vid.

Fig. 1 Componentele undei electromagnetice transversale

2


Fig. 2 Spectrul radiaţiilor electromagnetice

Clasificarea radiaţiilor electromagnetice Din punct de vedere al energiei transportate, radiaţiile electromagnetice se clasifică în:

I. Radiaţii neionizante II. Radiaţii ionizante La interacţia cu substanţa, radiaţiile electromagnetice cedează energie atomilor şi

moleculelor. Efectele interacţiei pot fi: - creşterea energiei de agitaţie termică a atomilor şi moleculelor - excitarea atomilor şi moleculelor (electronii ce intră în alcătuirea acestora pot trece

pe nivele de energie superioare, tranziţiile fiind cuantificate) - ionizarea atomilor şi moleculelor (extragerea electronilor din învelişurile electronice

ale acestora).

Elemente de fotobiologie Fotobiologia studiază interacţiunea radiaţiilor electromagnetice neionizante cu

sistemele biologice. Energia de ionizare a principalilor atomi care intră în structura biomoleculelor este:

13,54 eV pentru hidrogen, 13,17 pentru oxigen, 11,24 pentru carbon şi 14,51 pentru azot (1 eV = 1,6 ⋅10-19 J). Se observă că energia cea mai mică de ionizare este cea pentru carbon. Se poate calcula lungimea de undă a radiaţiei care are energia suficientă pentru a produce ionizarea carbonului:

E = hc/λ → λ = hc/E = 6,62 ⋅10-34⋅ 3⋅ 108/11,24⋅1,6 ⋅10-19= 110 nm În spectrul radiaţiilor electromagnetice, numai radiaţiile X şi γ îndeplinesc condiţia ca

lungimea de undă să fie mai mică de 100 nm, deci numai acestea pot produce ionizări ale principalilor atomi din componenţa materiei vii. De aceea, radiaţiile X şi γ se numesc radiaţii ionizante. Radiaţiile cu lungimea de undă mai mică de 100 nm , începând cu UV (radiaţii ultraviolete) extrem(100-190 nm) şi mergând spre undele radio lungi sunt radiaţii neionizante. Radiaţiile neionizante din domeniul radiaţiilor vizibile şi ale celor cu lungimi de undă apropiate de acestea şi interacţia lor cu substanţa constituie obiectul de studiu al 3


4

fotobiologiei. Ele sunt radiaţii cu care aproape toate sistemele vii convieţuiesc şi sunt absorbite selectiv de către moleculele componente ale sistemelor vii.

Interacţiunea radiaţiilor neionizante cu substanţa Se realizează prin: 1. Transferul energiei undelor electromagnetice către molecule. Energia totală a acesora va creşte:

E = Ee + Ev + ErEe – energia electronilor Ev – energia de vibraţie Er – energia de rotaţie Prin creşterea energiilor de rotaţie şi vibraţie are loc încălzirea substanţei (creşterea agitaţiei termice):

∆E = ∆Ev + ∆Er Radiaţiile infraroşii (IR) pot mări numai energiile de vibraţie şi rotaţie ale moleculelor,

pe când radiaţiile ultraviolete pot mări toate tipurile de energie. 2. Transferul energiei undelor electromagnetice către electronii periferici ai atomilor şi moleculelor, (Ee. Prin acest transfer se produce excitarea atomilor şi moleculelor, respectiv trecerea lor pe nivele de energie superioare. Conform principiului de incertitudine al lui Heisenberg, electronii nu pot rămâne mult timp în stare excitată (10-8 – 10-6 s în starea de singlet – cu spinii orientaţi antiparalel- şi 10-3 – 100 s în starea de triplet – cu spinii orientaţi paralel). După aceste interval de timp, electronii se dezexcită, iar dezexcitarea poate fi de două feluri:

a – dezexcitare radiativă b – dezexcitare neradiativă. Dezexcitarea radiativă este numită şi fotoluminescenţă. Absorbţia fotonului este

urmată de emisia unui foton cu o lungime de undă mai mare sau egală cu cea a fotonului absorbit. Există două tipuri de fotoluminescenţă: fluorescenţa (reemisia din starea singlet) şi fosforescenţa (reemisia din starea triplet). Atunci când lungimea de undă în reemisie este egală cu cea a fotonului absorbit, fluorescenţa se numeşte de rezonanţă. Durata fluorescenţei este foarte mică, practic emisia se face în acelaşi timp cu excitarea. În fosforescenţă emisia continuă şi după încetarea excitării. 3. Transferul energiei undelor electromagnetice către molecule, având drept rezultat creşterea reactivităţii chimice a acestora ori producerea unor reacţii fotochimice. Dintre aceste reacţii fotochimice se pot menţiona: izomerizări şi rearanjări interne ale moleculei, polimerizări sau combinări între molecule, fotosensibilizări. Exemple

Reacţia cu o altă moleculă, reacţie care altfel nu s-ar fi produs (M* - molecula fotoexcitată):

M* + A → D Reacţia de dimerizare:

M* + M → MM Fotosensibilizarea - energia absorbită de M este transferată speciei N care devine

reactivă: M* + N → M + N*

Radiaţiile respective sunt absorbite de către grupări speciale ale unor molecule, grupări care se numesc cromofori.

Exemple de grupări cromofore: - N = N - , = C = O, - N = O


5

Aceste reacţii fotochimice se desfăşoară conform unor legi.

Legile fotochimiei 1. Legea Grotthus-Draper: radiaţia trebuie să fie absorbită de o moleculă înainte ca reacţia fotochimică să aibă loc; dacă substanţa iradiată nu absoarbe radiaţii, nu se produce reacţia fotochimică. 2. Legea Stark-Einstein: radiaţia absorbită nu duce în mod obligatoriu la o reacţie fotochimică, dacă totuşi se produce reacţia, pentru fiecare moleculă transformată este necesar un singur foton. În legătură cu aceasta se defineşte randamentul cuantic Φ:

Φ = Nm/NfNm – numărul de molecule (respectiv moli) care au reacţionat Nf – numărul de fotoni (respectiv Einsteini) care au fost absorbiţi

1 Einstein = NA * hυ 3. Legea Bunsen-Roscoe: cantitatea de substanţă (Q) care intră într-o reacţie fotochimică este proporţională cu fluxul de energie radiantă (Φ) şi cu timpul de iradiere (t)

Q=kΦt Rezultă că viteza unei reacţii fotochimice este proporţională cu fluxul incident.

În sistemele biologice efectele la nivel molecular determină efectele la nivel celular sau la cel al organismului.

Efectele radiaţiilor vizibile Fotosinteza Constă în conversia energiei radiante în energie chimică folosită în sinteza unor molecule complexe. Celulele plantelor verzi conţin organite celulare numite cloroplaste, în care se află pigmenţi clorofilieni şi carotenoizi. Clorofilele sunt molecule complexe care conţin grupări cromofore în sisteme de duble legături conjugate. Prin absorbţia luminii de către grupările cromofore se produce excitarea electronilor pe nivele superioare de energie. Revenirea lor pe nivelul fundamental se face în trepte, de-a lungul lanţului transportor de electroni. În fiecare treaptă are loc o reacţie de fosforilare a ADP cu formare de ATP. Astfel, energia luminoasă este transformată în energie chimică înmagazinată în ATP. Fotosinteza se realizează prin două tipuri de reacţii:

- reacţii la lumină, direct dependente de energia luminoasă - reacţii la întuneric, în absenţa luminii

Într-o variantă foarte simplificată, reacţiile la lumină sunt cele de fotoliză a apei, de

formare a NADPH (nicotinamid-adenin dinucleotid-difosfat) şi a ATP, în timp ce în reacţiile la întuneric are loc reducerea CO2 cu formarea de polimeri hexozici.

2 H2O + hν → O2 + 4H+ + 4 e-

2 NADP + 2 H+ + 2e- → 2 NADPH CO2 + 2 NADPH + 2 H+ + 2e- → (CH2O) + H2O + 2 NADP

hν n(H2O) + nCO2 → (CH2O)n + nO2

Ionii de H se fixează pe NADP şi reduc la NADPH, ionii oxidril se combină între ei generând apă, oxigen şi electroni care trec de-a lungul lanţului de transportori cedând treptat energia pentru sinteza ATP. Bilanţul în sinteza moleculei de glucoză este: hυ

6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2


Aceste reacţii se produc în nişte structuri lamelare (discuri lipoproteice) ale

cloroplastelor numite membrane tilacoide sau tilacoizi. Fotorecepţia cu ajutorul pigmenţilor rodopsinici

Celulele fotoreceptoare realizează funcţia de traducere a semnalului vizual – radiaţia electromagnetică din domeniul vizibil- în semnal electric. Rodopsinele vizuale (rodopsina şi iodopsinele) fac parte din clasa proteinelor retinale, al căror cromofor este aldehida vitaminei A numită retinal. Sub acţiunea radiaţiilor luminoase vizibile se produce izomerizarea retinalului din configuraţia 11-cis în cea all-trans şi desprinderea acestuia de opsină (Fig. 3). În acest mod se produce activarea rodopsinei şi se declanşează ciclul de reacţii biochimice la întuneric. Energia radiaţiei luminoase este utilizată pentru declanşarea excitaţiei vizuale. Pentru întreaga cascadă de reacţii biochimice ce urmează, şi care se încheie cu închiderea canalelor de Na+ şi Ca2+ şi hiperpolarizarea membranei, este utilizată energia metabolică.

Fig.

Rodopsina este formând 7 α-helixuri segmente neelicoidale)longitudinală paralelă c500 nm (verde).

Când rodopsina 11 – cis. Absorbţia fotoncatena întinzându-se (Fla 1000 de ani.

Activarea rodopTransformările au loc înviaţă diferiţi (dar de ordi

Regenerarea rodforma 11-cis şi alipirea r

Radiaţiile UV se mică (violet) şi din punc

UV-A, cu lungimeUV-B, cu lungimeUV-C, cu lungime

Cea mai mică en

UV se află în domeniul

3 Activarea rodopsinei la lumină; retinalul 11‐cis trece în retinal 11‐trans

formată din opsină (fosfolipoproteină formată din 348 de aminoacizi, aşezate transversal pe membrana discului, legate între ele prin şi din retinal (aldehida vitaminei A) care este cromoforul, cu axa u suprafaţa membranei. Maximul de absorbţie al rodopsinei este la

este inactivată (adică în lipsa radiaţiei) se găseşte în forma izomeră ului duce la izomerizarea rapidă a cromoforului, în forma 11 – trans,

ig. 3). Izomerizarea spontană are o probabilitate de apariţie de o dată

sinei are ca finalitate desprinderea retinalului de opsină. mai multe etape, trecând prin produşi intermediari care au timpi de

nul 10-9 secunde până la secunde). opsinei cuprinde izomerizarea inversă a retinalului din forma trans în etinalului de opsină.

Efectele radiaţiilor ultraviolete (UV) situează în spectru dincolo de radiaţiile vizibile de lungime de undă t de vedere al efectelor biologice sunt clasificate astfel: a de undă cuprinsă între 315-400 nm a de undă cuprinsă între 280 - 315 nm a de undă mai mică de 280 nm.

ergie o au radiaţiile UV-A şi cea mai mare UV-C. Energia radiaţiilor 3-7 eV, deci este mai mică decât energia de ionizare a principalilor

6


7

atomi constituenţi ai biomoleculelor. Radiaţiile UV pot produce ruperi de legături chimice şi reacţii fotochimice. Dintre efectele radiaţiilor UV se pot menţiona următoarele:

- Dimerizarea unor perechi de baze azotate (ex. dimerizarea timinei) cu sudura lanţurilor de ADN în locul respectiv. Această sudură împiedică copierea informaţiei de pe ADN pe ARN. Una din consecinţele dimerizării este acţiunea bactericidă a UV îndepărtat (lungimi de undă mai mici decât 300 nm), prin împiedicarea transcripţiei este oprită diviziunea celulară. Demonstrarea acestui lucru se poate face prin fotoreactivare: bacteriile iradiate cu UV sunt imediat iradiate cu radiaţii vizibile (380-450 nm). Se activează prin aceasta o enzimă care desface dimerii timinei. Reactivarea nu se face însă 100%, eficacitatea procesului fiind determinată prin intermediul unei curbe doză-efect.

- Efecte asupra ADN: formare de dimeri, hidratarea bazelor pirimidinice, ruperea legăturilor de H, ruperea lanţului de ADN, formarea unor legături cu proteinele (ADN-protein cross-links).

- Producere de eritem (arsuri tegumentare) – UV-B (290-320 nm). Locul de acţiune se presupune a fi fosfolipidele din membranele organitelor celulare care conţin hidrolaze, în special lipozomii din celulele epidermice. Tot în această zonă se observă şi efectul cancerigen al radiaţiilor UV, 91% din cancerele pielii, în special melanoamele, se află în zone cu expunere solară mare. Cele mai periculoase sunt radiaţiile cu 300 nm.

- Pigmentarea pielii (UV-A, 320-420 nm) se datorează creşterii concentraţiei de melanină din piele, sectretată de melanocite. Melanocitele derivă, din punct de vedere embriologic, din sistemul nervos şi au prelungiri dendritice prin care injectează melanina în celelalte celule ale epidermei. Melanina provine din oxidarea tirozinei, catalizată de tirozinază. Spectrul de acţiune se consideră a fi 300 – 420 nm, acestui domeniu corespunzându-i însă numai oxidarea unui leucoderivat al melaninei, care dă o pigmentare lejeră şi precoce. Spectrul de formare a melaninei coincide cu spectrul de acţiune al eritemului. Pigmentarea datorată melaninei este mult mai intensă şi mai tardivă reprezentând o protecţie eficientă împotriva eritemului. După 10-12 zile de expunere la soare 90% din radiaţiile UV sunt absorbite.

- Transformarea ergosterolului în vitamina D2 (antirahitică). Spectrul de acţiune are un maximum la 280 nm. Iradierea în UV este folosită pentru prevenirea rahitismului, fiind suficientă o doză de 1/20 din cea eritemală, aplicată zilnic pe o suprafaţă a pielii de 200 cm pătraţi.

- Inflamaţia corneei numită keratită putându-se ajunge la cecitate tranzitorie sau chiar definitivă. Oftalmia este dată de UV reflectate de zăpadă, chiar şi pe vreme ceţoasă, la mare altitudine, de aceea se recomandă ochelari din sticlă specială pentru protecţie.

Protecţia cea mai importantă faţă de acţiunea nocivă a UV de energii mari este realizată prin stratul de ozon (O3) din partea superioară a atmosferei. Oxigenul absoarbe radiaţiile UV-C şi se produc reacţiile:

O2 + hν → O• + O•

O• + O2 → O3Ozonul rezultat absoarbe radiaţiile UV-B cu lungimi de undă mai mici de 300 nm care

sunt foarte dăunatoare pentru organismele vii, conform reacţiei hυ + O3 → O2 + O•

Fotoproduşii rezultaţi reintră în reacţiile anterioare. În acest fel radiaţiile UV duc la formare de ozon în straturile superioare ale atmosferei.

Cea mai bună protecţie se realizează prin evitarea expunerii la UV. Se pot folosi ecrane protectoare cum ar fi ochelarii speciali din substanţe absorbante (colir) pentru protecţia ochilor şi creme pentru piele. Principalele substanţe folosite sunt acidul paraaminobenzonic (absoarbe între 290 şi 315 nm), benzotenona care absoarbe întregul spectru UV sau preparatele opace pe bază de oxid de zinc sau de titan care asigură o protecţie totală.

fotobiologie mg 2015 2016

Documents