3. Спектр действия фотохимического или фотобиологического процесса

Один из первых вопросов, встающих при изучении фотобиологических процессов - выяснение молекулярной природы фотоакцептора, вещества, непосредственно поглощающего фотоны и запускающего цепочку вторичных реакций.

Спектр действия фотобиологического процесса - зависимость величины фотобиологического эффекта от длины волны или частоты воздействующего света, рассчитанная на количество поглощенных фотонов.

Если рассмотреть фотохимическое превращение некоего вещества, то в одноквантовом, одноударном процессе скорость изменения числа молекул этого вещества (n) пропорциональна интенсивности поглощенного света:

dn/dt = - I_погл = - (I_o-I) = - I₀(1-e^-snl).

где - квантовый выход фотохимической реакции, l - толщина кюветы, а s - поперечное сечение поглощения. При малой оптической плотности раствора:

dn/dt - I₀ snl.

В момент времени t:

n_t n₀ e^{- I}_о ^snlt

ln (n₀/n_t) = (I₀ t)( s)l = D l,

где D = I₀t - доза падающего света, а = s - поперечное сечение фотохимической реакции. При n₀ /n_t = e, т.е. при n_t = n₀/e =37% n₀ и l=1:

= 1/D_t = 1/D₃₇,

где D₃₇ - доза, вызывающая превращение e^-1 или 37 % молекул.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Экспериментальное определение поперечного сечения фотохимической реакции.

Изучая экспоненциальную дозовую зависимость фотопревращения молекул (Рис.1), можно определить поперечное сечение фотохимической реакции. Еще точнее это можно сделать на линеаризованном графике:

= ln (n₀/n_t)/D_.

Зависимость поперечного сечения фотохимической реакции от длины волны света, (), называют в фотохимии спектром действия. Экспериментально показано, что квантовый выход фотохимической реакции , как и квантовый выход люминесценции, не зависит от длины волны падающего света. Это обусловлено тем, что в реакцию вступают только возбужденные молекулы. Поэтому поперечное сечение фотохимической реакции так же зависит от длины волны света, как и поперечное сечение поглощения:

() = s(),

то есть спектр действия ) в большинстве случаев совпадает по форме со спектром поглощения s). Это позволяет, сопоставляя экспериментально полученный спектр действия фотохимического или фотобиологического процесса с известными спектрами поглощения различных хромофоров, установить природу фоторецептора, обуславливающего данное фотобиологическое явление.

Конечно, фотобиологические процессы намного сложнее простых фотохимических реакций, поскольку кроме первичных фотохимических стадий они включают множество вторичных процессов. Тем не менее, изучение спектра действия дает неоценимую информацию об их первичном механизме. Например, спектр действия гибели бактерий под влиянием ультрафиолета характеризуется максимумом при _max=265 нм. Это позволило Ф.Л. Гейтсу (1930) сделать вывод, что причина гибели клеток - фотоповреждение нуклеиновых кислот, обладающих соответствующим пиком поглощения. Также, исходя из того, что спектр действия фотомутагенеза кукурузы имел максимум вблизи 260 нм, Л.Д. Стадлером и Ф.М. Угером (1942) был сделан вывод о том, что мутации обусловлены некими повреждениями в нуклеиновых кислотах. Эти факты в свое время подтвердили связь процессов деления клеток и наследования генетической информации с нуклеиновыми кислотами.

Другой пример - изучение механизма действия лазерного излучения на нервные клетки. Лазерное воздействие вызывало учащение импульсной активности нейрона, но не сразу, а после некоторого латентного периода, зависящего от интенсивности и длины волны излучения. Затем после фаза торможения и повторного учащения нейронная активность необратимо прекращалась. При постоянной интенсивности облучения (I) эффективность лазерного воздействия характеризовалась величиной Е, обратно пропорциональной дозе облучения, вызывавшего первые изменения импульсации, т.е. обратно пропорциональной длительности латентного периода (Е ~ D^-1 ~ I L^-1). В спектре действия, т.е. в зависимости E() обнаружился острый максимум при 460 нм, соответствующий наименьшему латентному периоду (Рис.2). Так как из клеточных компонентов в этой области хорошо поглощают флавины (_max ~450-460 нм), то был сделан вывод о флавиновой природе фотоакцептора, ответственного за изменения нейронной активности.

Рис.2. Зависимость латентного периода импульсной реакции нейрона (L) и эффективности лазерного воздействия (Е ~ L^-1) от длины волны лазерного излучения (по: Savransky, Uzdensky, 1997).