Світло, око та перший закон фотохімії
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
Первый основной закон фотохимии (закон Гротгуса—Дрепера) очевиден: только поглощенный молекулой свет может вызвать химическую реакцию. Глаз обращен к свету. Его оптическая система — прозрачные для видимого света структуры — не только фокусирует изображение предметов внешнего мира на сетчатке, но и фильтрует солнечный свет, задерживая его ультрафиолетовую часть. Видимый свет поглощают рецепторные клетки сетчатки — палочки и колбочки; для этого у них есть окрашенные зрительные пигменты.
Кванты ультрафиолетового света, поглощенные белками роговицы и хрусталика, способны оказать на них повреждающее воздействие. Опасность излучения в ультрафиолетовой области спектра для биологических систем хорошо известна чем короче длина световой волны, тем большей энергией обладает квант и тем он опаснее — легко рвет химические связи в молекулах. Поэтому оптическая система глаза, задерживая ультрафиолетовые лучи, сама подвергается риску фотоповреждения. Степень риска возрастает, если в клетках роговицы или хрусталика содержатся какие-либо окрашенные примеси. А это бывает особенно часто у пожилых людей. Видимый свет обеспечивает осуществление первичного зрительного акта. Но если он слишком яркий или слишком долго действует па зрительные клетки, то становится опасным. О механизмах фотоповреждения зрительных клеток видимым светом речь впереди.
Какое воздействие могут оказать на клетки пигментного эпителия те 85% света, которые прошли сквозь сетчатку? Эта часть света поглощается черными меланопротеиновыми гранулами, благодаря которым пигментный эпителий и выглядит черным. Некоторые фотофизические реакции в меланопротеиновых гранулах недавно были зарегистрированы; о фотохимических реакциях в них сейчас мало что известно. Важно одно, если в клетках пигментного эпителия черных гранул нет, то он легко повреждается избытком света или кислорода. Вероятно, поэтому альбиносы боятся яркого света (им свойственна фотофобия). В отсутствие меланопротеиновых гранул свет у альбиносов способен вызвать фотоокисление ткани пигментного эпителия.
Итак, только поглощенный квант вызывает химическую реакцию. Следовательно, требуется знать, какие именно молекулы поглощают свет и какой длины волны. Для фотобиологии и фотохимии это задача первостепенной важности. В отношении глаза задача эта в настоящее время особенно актуальна. Об этом свидетельствует, в частности, совсем свежий факт. В апреле 1983 г. в США состоялся международный симпозиум «Действие света и кислорода на глаз». Программа этого достаточно узкого по тематике симпозиума еще раз подтверждает мысль о глубокой связи между научными дисциплинами, о необходимости привлечения идей и методов современной химической физики и физико-химической биологии для решения конкретных медико-биологических проблем.
Симпозиум открывали, и это совершенно оправданно, биофизики и биохимики, специально не работающие в области изучения глаза. Это были лауреаты Нобелевской премии Бриттон Чанс (о повреждающем действии избытка и недостатка кислорода на ткани организма), Ирвин Фридович (о супероксиддисмутазе — ферменте, защищающем живую клетку от токсического действия активной формы кислорода). Специальные доклады были посвящены свободнорадикальным механизмам повреждения биологических структур, фотохимическим процессам в белках. Без понимания общих, фундаментальных механизмов действия света на химические и биохимические системы невозможно исследование частных фотобиологических проблем. Большая часть докладов касалась самой «горячей» точки химической физики зрения — повреждающего действия видимого и ультрафиолетового света на структуры глаза: оптическую систему, сетчатку, пигментный эпителий. Ключевой вопрос в этой проблеме — какие молекулы поглощают свет, какой длины волны, и какова природа фотохимических реакций, приводящих к деструкции биологических макромолекул — к повреждению глаза.
Начнем с длин волн. В шкале электромагнитных излучений оптическое занимает узкую область — между 100 нм и 1 мк (микрометр, мкм). У поверхности Земли коротковолновая граница солнечного спектра находится около 290 нм. Следовательно, от жесткого ультрафиолетового излучения (от 100 до 290 нм) живые организмы — растения, животные, микроорганизмы — защищены. Роль естественного фильтра, задерживающего это излучение, играет слой атмосферного озона. В последнее время ученые с тревогой отмечают, что интенсивность ультрафиолетового излучения Солнца с длиной ЕОЛНЫ короче 290 нм возрастает. Связано это с истощением озонового слоя. Основная тому причина — промышленные выбросы в атмосферу.
В конце 70-х годов специальный Совет ООН по охране окружающей среды забил тревогу. В настоящее время создана глобальная международная система мониторинга (наблюдения) окружающей среды. Под строгий контроль взяты все изменения природной среды, которые могут происходить под влиянием различных антропогенных факторов. Световая среда — предмет особой заботы, ибо увеличение доли жесткого ультрафиолетового излучения угрожает всему живому. Основной механизм истощения озонового слоя — фотохимический: молекулы веществ, загрязняющих атмосферу, поглощают солнечный свет, переходят в электронно-возбужденное состояние, передают свою энергию молекулярному кислороду; активированная таким образом молекула кислорода вступает в реакцию с озоном. В результате этих реакций концентрация озона в атмосфере снижается, озоновый фильтр истощается и доля пропущенного к Земле ультрафиолета увеличивается. Недавно в Институте химической физики АН СССР открыт еще один, космический механизм гибели озона. Относительная роль этого механизма в разрушении озонового слоя атмосферы в обычных условиях невелика. Однако при мощных хромосферных вспышках на Солнце атмосфера ионизируется, в ней легко образуются гидроксильные радикалы, способные эффективно разрушать озон.
Обсуждая проблему повреждающего действия света на зрение, мы не случайно остановились на проблеме озона и жесткого коротковолнового ультрафиолета. Оптическая система глаза (роговица и хрусталик) первой принимает на себя разрушительную силу этих богатых энергией квантов. Жесткий ультрафиолет повреждает и кожу, но для глаза он особенно опасен.
В марте 1983 г. Международный комитет по неионизирующей радиации разослал важный рабочий документ «Руководство по предельным нормам, обеспечивающим безопасность воздействия на глаз лазерного излучения с длиной волны от 180 нм до 1 мкм». Само возникновение этого комитета в 1974 г. в рамках Международной ассоциации по защите от радиации связано со все возрастающей опасностью для человека обычного и лазерного оптического излучения. В этом документе спектр оптического излучения разделен на несколько узких областей. В основном это связано с тем, что механизмы фотобиологических реакций на свет различной длины волны неодинаковы. При рассмотрении механизмов фотоповреждения различных структур глаза это деление нам понадобится (см. таблицу).
Совокупность огромного экспериментального материала в области физиологии и патологии глаза позволяет достаточно надежно охарактеризовать биологическое действие излучения отдельных областей оптического спектра. Начнем с ультрафиолета.
Жесткие коротковолновые ультрафиолетовые лучи (УФ-Ш и УФ-П) практически полностью поглощаются роговицей, Длинноволновый, так называемый ближний, ультрафиолет (УФ-I), преимущественно поглощается хрусталиком. Покраснение кожи (эритема), воспаление роговицы (фотокератиты) и конъюнктивиты — патологические следствия действия коротковолнового ультрафиолета даже в сравнительно небольших дозах. Естественно, световой ожог кожи неприятен, фотоповреждение же роговицы — крайне болезненное и тяжелое заболевание. Загар — средство защиты клеток кожи от ультрафиолета; роговица, естественно, не способна загорать; только стекла очков, задерживающие ультрафиолетовые лучи, могут защищать глаза. Хотя ближний ультрафиолет (УФ-I) и поглощается в основном хрусталиком, считается, что наиболее опасна для него средняя ультрафиолетовая область (УФ-П). Фотопатология хрусталика крайне серьезна — она грозит катарактой.
Видимый свет (380—400 до 760—780 нм) и «ближняя» инфракрасная область (700—1400 нм) представляют потенциальную опасность для сетчатки. Фокусируя свет от яркого источника, хрусталик выполняет функцию обычного зажигательного стекла. Большая часть света видимой и «ближней» инфракрасной (ИК-I) области, как мы говорили, поглощается пигментным эпителием и лежащей за ним сосудистой оболочкой.
В последнее время получены прямые экспериментальные данные о неблагоприятном воздействии инфракрасного излучения на капилляры сосудистой оболочки глаза — кровь хорошо поглощает инфракрасные лучи. Несколько слов о самой длинноволновой инфракрасной области (ИК-П и ИК-П1). Для этих лучей глазные среды непрозрачны. Вода, которая содержится во всех биологических тканях, хорошо поглощает инфракрасное излучение. И опять роговица и хрусталик, форпосты глаза на пути излучения, страдают в первую очередь. В основе механизма инфракрасного поражения лежит тепловой эффект. Во всяком случае это справедливо, если время действия излучения длится дольше микросекунды. При очень короткой инфракрасной лазерной вспышке (менее 1 мкс) механизм становится термомеханическим.
Теперь ясно, какие именно кванты оптического излучения в неблагоприятной ситуации способны повреждать ткани глаза. Оговорка «в неблагоприятной ситуации» очень важна — в разумных дозах ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи организму необходимы. Свет видимой области спектра — нормальный физиологический раздражитель зрительных клеток сетчатки, носитель зрительной информации. Но глаз — не оптикоинформационное устройство из стекла и металла, это живой и нежный орган, вершина биологической эволюции. Он сложен из биологических макромолекул — белков, липидов, нуклеиновых кислот, а потому согласно всем законам фотохимии и фотобиологии глаз подвержен в неблагоприятной, подчеркиваем, ситуации опасности фотоповреждения.
Теперь, зная, какие именно кванты оптического излучения способны вызывать нормальное или повреждающее действие, необходимо выяснить согласно требованию основного закона фотохимии природу молекул, которые эти кванты поглощают.
Одна из основных мишеней действия ультрафиолетового излучения — нуклеиновая кислота. Повреждение ДНК представляет для организма серьезную опасность. Вот уже четверть века как проблему повреждающего действия ионизирующей радиации и ультрафиолета подробно исследуют в Секторе кинетики химических и биологических процессов Института химической физики АН СССР. При этом особенно большое внимание мы уделяем природе первичных пусковых стадий поражений молекул ДНК. Установлено, что именно эти стадии, связанные с возникновением и развитием свободнорадикальных реакций, приводят к патологическим изменениям на молекулярном, мембранном и клеточном уровнях, к возникновению и развитию заболевания. Свободно-радикальные процессы играют ключевую роль: они дают начало существеннейшим изменениям физико-химических свойств макромолекулы ДНК — носительницы генетической информации. Мутагенность, канцерогенность, в конечном счете летальный исход лучевого и ультрафиолетового поражения клетки определяется главным образом повреждением ДНК.
Другая, отнюдь не менее важная мишень действия поглощенных квантов ультрафиолетового излучения — белки. Для понимания механизмов фотоповреждения оптической системы глаза фотохимические реакции в белках представляют наибольший интерес. Видимого света белки не поглощают, в противном случае оптическая система глаза была бы бессмысленна — она бы не пропустила к сетчатке световые кванты, несущие ей зрительную информацию. Белковые молекулы поглощают свет с длиной волны короче 310—315 нм. Ближний длинноволновый ультрафиолет (УФ-I, от 315—320 до 380—400 нм) белок пропускает достаточно хорошо. Значит, если белковые молекулы все-таки поглощают свет видимой или ближней ультрафиолетовой области, то они содержат какие-то хромофорные группы. Хромофорная группа — ретиналь в молекуле зрительного пигмента — наглядный тому пример.
Молекула белка, как известно, состоит из 20 аминокислотных остатков. Важно знать, какие именно аминокислоты и в какой области спектра поглощают свет. Тогда становится возможным соотнести спектр поглощения конкретного белка с его аминокислотным составом. В настоящее время оптические свойства аминокислот определены. Твердо установлено, что поглощающая способность белка в области от 240 до 300 нм определяется прежде всего тремя так называемыми ароматическими аминокислотами — тирозином, триптофаном и фенилаланином. Аминокислоты, содержащие атом серы, — цистин, цистеин и метионин — поглощают в основном в области от 220 до 250 нм. Наконец, в самой коротковолновой области от 180 до 210 нм поглощение обусловлено пептидной группой, или пептидной связью, аминокислотных остатков в белковой молекуле. Теперь понятно, почему так опасны кванты «жесткого» ультрафиолета (УФ-П, от 100 до 280 нм). Они рвут пептидные связи, повреждают аминокислоты.
При длинах волн, больших 290 нм, в поглощении участвует практически лишь одна аминокислота белка — триптофан. Следовательно, фотохимические реакции в триптофане могут быть ответственны за ультрафиолетовое повреждение роговицы и хрусталика. В фотоповреждениихрусталика, вероятно, принимают участие продукты окисления триптофана в белковой молекуле. Скорее всего, поэтому ультрафиолетовое излучение ускоряет развитие старческой катаракты. У пожилых людей хрусталик, как известно, приобретает желтоватую окраску.
Итак, если белок не поглощает свет данной длины волны, но тем не менее при освещении изменяется, значит, в нем происходят так называемые фотосенсибилизированные реакции. В таком случае свет поглощается другой (хромофорной) молекулой — фотосенсибилизатором. Поглотив квант, она переходит в электронно-возбужденное состояние, передает свою энергию дальше — белковой молекуле, и та в результате претерпевает химические превращения (например, окисляется).
Спектры поглощения ретинальсодержащих зрительных пигментов позвоночных и беспозвоночных животных захватывают широкую область видимого спектра. Поглощая квант света, ретиналь изомеризуется; вслед за этим определенные внутримолекулярные перестройка происходят и в белковой части молекулы. В результате зрительный пигмент обесцвечивается — спектр его поглощения перемещается в коротковолновую (синюю) область спектра. Согласно полученным нами в последнее время данным (подробнее об этом ниже) ретиналь в такой обесцвеченной молекуле, продолжая поглощать кванты света, выступает в роли фотосенсибилизатора в механизме повреждающего действия света на зрение.