Фотосенсибилизаторы. Фотодинамическое действие

Лбой фоторегуляторный процесс включает несколько последовательных стадий:

1)поглощение кванта света и образование возбуждённого состояния фоторецептора

2)фотофизическая реализация энергии возбуждения

3)Сенсибилизация фотохимической реакции

4)образование промежуточных продуктов

5)конечное проявление фотобиологических эффектов

Фотосенсибилизаторами называются вещества, выступающие в качестве первичных фоторецепторов в фотобиохимических реакциях.

Пигменты-сенсибилизаторы большинства фотобиологических процессов до сих пор не идентифицированы (о их природе можно судить только по спектрам действия фотобиологических эффектов). Исключением является пигмент фитохром. Это димер, каждый мономер которого содержит хромофор (фитохромобилин), присоединённый к апобелку тиоэфирной связью. Фитохром обладает фотоконверсией – под действием красного и дальнего красного света он способен менять свою конформацию с изменением максимума поглощения при 660нм (К) и 730 нм (ДК). Дальнекрасная форма фитохрома (Ф730) характеризуется наличием гидрофобной зоны, что позволяет фитохрому взаимодействовать с регуляторными и сигнальными молекулами.

Принцип действия фотосенсибилизаторов основан на эффективном измнении активности ферментов а также проницаемости мембран) при поглощении кванта света. Поглощая свет, молекула сенсибилизатора претерпевает фотохимическую реакцию (например, цис-транс изомеризацию), приводящую к изменению пространственной конфигурации фотохрома, что отражается на характере взаимодействия фотохрома с ферментом.

Однако, не все фотосенсибилизаторы реагируют на красный свет . Пример процесса, индуцируемого синим светом, является фототропизм. Основными рецепторами этих реакций являются флавиновые хромофоры. (за счёт фотосенсибилизированных рибофлавином окислительных реакций происходит активация транспорта ауксинов через мембрану). Ещё к реакциям, которые индуцируются синим светом, относятся каротиногенез, фототаксис.

Фотодинамическими называются фотосенсибилизированные деструктивные процессы в большинстве случаев протекающие с участием кислорода. Фотодинамические реакции разделяются на 2 типа, в зависимости от того, каким способом энергия светового возбуждения передаётся на биологический субстрат.

В реакциях I типа возбуждённый сенсибилизатор может осуществлять ОВР с различными молекуласи (перенося либо электрон, либо атом водорода). В результате образуются реакционноспособные радикалы сенсибилизатора и субстрата, ступающие в химические реакции с кислородом.

В реакциях II типа перенос энергии от возбуждённой в триплетном состоянии молекулы сенсибилизатора происходит к кислороду с образованием синглетной формы кислорода, который окисляет молекулы биологического субстрата.

Однако существую фотодинамические реакции, не требующие участия кислорода. В частности, такие процессы протекают в ДНК. Энергия возбуждения в данном случае передаётся с молекул-сенсибилизаторов на азотистые основания, вызывая их димеризацию (это происходит под действием УФ излучения).Интересно, что данное действие является фотообратимым.

Под действием УФ протекает реакция фотогидратации ДНК, когда к пиримидиновому кольцу присоединяется молекула воды. Однако, это реакция протекает только в одноцепочечных НК, что имеет большое значение для процессов Репликации и транскрипции.

УФ может вызывать появление пиримидовых аддуктов (аддукт – это 2 соединённых пиримидоных основания). Эта реакция имеет значение в качестве способа появления мутаций.

Все вышеприведённые реакции соответствовали коротковолновому УФ излучению.

Теперь рассмотрим реакции, которые вызывает длинноволновое УФ излучение. Данный свет индуцирует в ДНК образование пиримидиновых димеров и одноцепочечные разрывы. Очевидно, что молекула ДНК не может служить первичным хромофором придействии УФ излучения (300-320 нм). Следовательно, и димеры, и разрывы должны образовываться не за счёт прямого поглощения квантов молекулой ДНК, а косвенным путём с участием определённых молекул – хромофором, тесно связанных с ДНК. Зависимость от молекулярного кислорода позволяет считать, что образование этих фотопродуктов идёт по фотодинамическому механизму. Такой механизм осуществляется при наличии следующей комбинации факторов: свет+хромофор+О₂ . Как и любая фотохимическая реакция, фотосенсибилизированный процесс имеет начальную «световую стадию» и последующие «темновые стадии». Наиболее характерные первичные реакции заключаются либо в переносе электрона (или атома водорода), либо в переносе энергии (или электрона) на кислород.

При фотосенсибилизированном образовании кислородо-зависимых одноцепочечных разрывов в ДНК в качестве эндогенных сенсибилизаторов выступают НАДН, 4-тиоуридин и 2-тиоурацил. Установлено, что фотосенсибилизированная этими соединениями иницияция разрывов в ДНК осуществляется по фотодинамическому механизму с участием АФК. При этом первичной фотогенерируемой формой кислорода является супероксидный анион-радикал. Однако он обладает малой реакционной способностью по сравнению с радикалом ОН*. Соответственно, фотодинамическую реакцию одноцепочечного разрыва ДНК можно представить как : S à S* à S⁺ + О’₂^- à Н₂О₂ à OH’ à ДНК à одноцепочечный разрыв