5 месяцев назад
Нету коментариев

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.