Реферати » Реферати по біології » Світіння супроводжує біологічні реакції

Світіння супроводжує біологічні реакції

ДОПОВІДЬ

Енергійно протікають хімічні реакції супроводжуються, як правило, виділенням енергії у формі тепла; існують, проте такі реакції, які супроводжуються випромінюванням світла. Світіння, що супроводжує хімічні реакції, називається хемілюмінесценції (ХЛ).

Хемілюмінесценція (ХЛ) - світіння, що супроводжує хімічні реакції.
Вона спостерігається в тому випадку, якщо в реакції відбувається виділення великої кількості енергії, наприклад в реакції взаємодії двох радикалів або в реакціях за участю перекисів. Останнім часом все більший інтерес привертає власне ("надслабку") світіння клітин і тканин тварин і людини, яке обумовлене реакціями вільних радикалів: радикалів ліпідів і кисню, а також окису азоту, - сполуками, граючими величезну роль в житті організму, а при певних умовах - і розвитку ряду патологічних станів.

Молекулярний механізм хемилюминесценции

В даний час відомо досить багато хімічних реакцій, що супроводжуються світінням. У більшості випадків - це досить складні процеси з багатьма проміжними стадіями. Але є кілька простих випадків, в яких механізм перетворення енергії хімічної реакції в світ цілком зрозумілий.

Один з них - це світіння, що спостерігається при взаємодії органічних радикалів, одержуваних електрохімічним шляхом. У розчин люмінесцирующего органічної речовини (в дослідах брали поліциклічні вуглеводні) в органічному електроліті (провідному електрика) опускали пару електродів, за допомогою яких через розчин пропускали електричний струм.

Рис. 2. Хемілюмінесценція при рекомбінації катіон - і аніон-радикалів поліциклічних вуглеводнів. 1 - Між електродами, опущеними в розчин органічного електроліту, прикладають різницю потенціалів. З катода електрони захоплюються молекулами і утворюються аніон-радикали. На аноді електрони відриваються від молекул і утворюються катіон-радікали.2 - 5 - При взаємодії катіон-радикала і аніон-радикала в результаті їх зіткнення (2) електрон переходить з катіон-радикала на аніон-радикал (3).
Однак при цьому є ймовірність того, що він виявиться не на самому нижньому електронному рівні, а на більш високому. Утворюється збуджена молекула вуглеводню (червоний кружок на схемі 4). При переході електрона на більш низький рівень відбувається висвічування кванта світла (5). Схема електронних рівнів в радикалах і молекулах продуктів реакції дана на рис. 3.

З катода (-) на молекули люмінесцирующего речовини (позначимо їх як
НА) переходять електрони і утворюються аніон-радикали (заряджені негативно). На аноді (+) електрони віднімаються від молекул і утворюються катіон-радикали (заряджені позитивно, див. Рис. 2, вгорі). Якщо тепер розчин перемішати, катіон-радикали будуть взаємодіяти з аніон-радикалами (рис. 2, внизу); при цьому утворюється дві молекули вихідного вуглеводнів, одна з яких може виявитися в електронно-збудженому стані і переходить в основний стан з випусканням кванта світла
(фотона).

На рис. 3 показані верхні електронні енергетичні рівні в реагуючих радикалах і продуктах їх взаємодії. В молекулах на верхньому заповненому електронному рівні електрони розташовані попарно (рис. 3, 1). У катіон-радикала на верхньому рівні залишається тільки один, неспарений електрон. У аніон радикала з'являється неспарений електрон на наступному
(розташованому вище) енергетичному рівні (рис. 3, 2).

Рис. 3. Схема електронних енергетичних рівнів учасників реакції взаємодії катіон-радикала і аніон-радикала одного і того ж речовини.

1 - вихідна молекула; 2 - аніон-радикал; 3 - катіон-радикал; 4 - перенесення електрона з аніон-радикала на катіон-радикал; 5 - перенесення електрона в електронно-збудженої молекулі продукту реакції, який супроводжується висвічуванням кванта світла хемилюминесценции.

При взаємодії радикалів (що мають протилежний заряд і тому притягивающихся один до одного) статися перенесення електрона може відбутися таким чином, що два електрона опиняться на різних рівнях (рис. 3, 4).
Останнє означає, що один з її зовнішніх електронів виявляється не на самому нижньому вільному електронному рівні, як у вихідних молекул, а на вищележачому електронному рівні. Така молекула при переході в основний стан випускає квант світла (рис. 3, 5).
Ми бачимо, що весь процес можна розділити на три стадії:

1. Відновлення одного з учасників реакції (приєднання електрона) і окислювання другого (відрив електрона). Це призводить до запасання хімічної енергії в системі, яка пізніше виділиться у вигляді фотона.

2. Перенесення електрона (окисно-відновна реакція) не так на самий нижній, а на один з більш високих енергетичних рівнів та освіта таким чином продукту реакції в електронно-збудженому стані.

3. висвічуванням фотона при переході молекули з електронно-збудженого в основний стан (люмінесценція). Зазвичай хімічні реакції, що супроводжуються світінням, протікають через цілий ряд проміжних стадій, але основні етапи запасання і висвічування енергії в загальному подібні.

Вітчизняний вчений А. Г. Гурвич був першим, хто вказав на існування власного слабкого світіння клітин тварин і рослин, названого ним "мітогенетичні променями". Згідно А. Г. Гурвич, мітогенетичні промені - це дуже слабке ультрафіолетове випромінювання клітин, яке індукує поділ оточуючих клітин. Хоча сам А. Г. Гурвич використав для виявлення променів тільки "біологічний детектор", т. Е. Різні діляться клітини, його послідовники в Росії (С. Родіонов і Г.
М. Франк, 1934р .) і за кордоном (R. Aubert, 1938 та інші) розробили фізичний детектор випромінювання: газорозрядний лічильник фотонів з кварцовим вікном, прозорим для УФ-променів.

У теперішній час слабке світіння вдається вивчати не тільки з розчинах або суспензіях клітин, але і на цілих органах у складі організму наприклад, печінки або легені.

Таким способом було показано, що власне світіння тканин можуть бути відповідальні три типи реакцій:

1) Реакції так званих активних форм кисню.

2) Реакції ланцюгового (перекисного) окислення ліпідів.

3) Реакції за участю окису азоту.

Останнім часом все більший інтерес привертає власне
("надслабку") світіння клітин і тканин тварин і людини, яке обумовлене реакціями вільних радикалів: радикалів ліпідів і кисню, а також окису азоту, - сполуками, граючими величезну роль в житті організму, а при певних умовах - і розвитку ряду патологічних станів.

Чому воно "надслабку", це світіння клітин і тканин?

Чим же пояснюється низька інтенсивність хемілюмінесценції, що супроводжує реакції вільних радикалів?

Причин цілих три. По-перше, сама концентрація радикалів в біологічних системах дуже мала через їх високої хімічної активності, тому малі і швидкості реакцій, що супроводжуються світінням. По-друге, не всяке хімічне взаємодія радикалів неодмінно призводить до утворення електронно-збуджених молекул продуктів реакції, як це зображено на рис. 3 (4). Навпаки, в переважній більшості окисно-відновних взаємодій між молекулами або радикалами електрон переноситься не так на рівень збудженого стану, я на самий нижній вільний рівень, і наступного висвічування кванта не відбувається. В третє, навіть якщо і утворилася збуджена молекула продукту, ймовірність того, що висвітиться квант, а не відбудеться розтрати енергії в тепло, теж зазвичай дуже мала.

Дві останні причини призводять до того, що квантовий вихід хемилюминесценции у випадку, скажімо, реакції двох перекісних радикалів складає всього 10-8-10-10. Це відбувається тому, що квантовий вихід освіти збуджених молекул продукту

дорівнює всього 10-4-10-5, а квантовий вихід люмінесценції продукту

становить для кетонів, що утворюються при взаємодії перекісних радикалів, в свою чергу, теж близько 10-4-10 - 5.

Ось і виходить, що загальний квантовий вихід хемилюминесценции складає всього-на-всього 10-8-10-10.

Застосування власної (неактивованої) хемилюминесценции.

Майже відразу після того, як з'явилися перші роботи з власної хемилюминесценции клітин і тканин, були зроблені спроби використовувати цей показник в цілях клінічної діагностики. Зі зрозумілих причин першими об'єктами були цільна кров і плазма крові хворих людей.
Оскільки власне світіння було дуже слабким і вимірювати його було важко, було зроблено багато спроб посилити це світіння: до плазми крові додавали барвники, перекис водню, іони двовалентного заліза і т.д.
[4]. Природа хімічних реакцій, що обумовлюють світіння, була зрозуміла далеко не завжди, але авторів пропозицій це не надто турбувало: аби була різниця між хворими та здоровими, а ще краще між різними групами хворих. Швидше дивно, що при ряді патологій різниця була досить істотною. Мабуть, найбільше число публікацій в літературі присвячено світінню плазми крові, до якої для ініціювання ланцюгового окислення ліпідів додавали солі двовалентного заліза. Амплітуда сигналу хемилюминесценции добре корелювала з кількістю продуктів перекисного окислення ліпідів, що визначаються хімічним методом, і залежала від ліпідного складу плазми крові і концентрації в ній антиоксидантів, тобто речовин, що гальмують процеси, що йдуть за участю вільних радикалів. У багатьох випадках дані таких аналізів були визнані цінними в якості додаткових при постановці лікарем діагнозу захворювання, контролю за ефективністю лікування та прогнозу перебігу хвороби.
Все ж вимір неактивованої хемилюминесценции в широку клінічну практику поки не увійшло в відміну від хемилюминесценции в присутності активаторів.

У присутності певних сполук, зазвичай званих у вітчизняній літературі "активаторами", світіння клітин і тканин може бути посилено на кілька порядків величини. Найбільшого поширення набуло вимір хемілюмінесценції, пов'язаної з виділенням клітинами активних форм кисню (до яких належать супероксид, гідроксильний радикал, перекис водню і гіпохлорит): хемилюминесценция спостерігається у присутності активаторів люминола і люцигенина. Активована хемилюминесценция досить широко застосовується в клінічному біохімічному аналізі.

Активована хемилюминесценция

Власна хемилюминесценция, супроводжуюча біохімічні реакції в клітинах і тканинах, має, як правило, дуже низькою інтенсивністю і не випадково отримала назву "надслабкого світіння". Це виявилося головним і поки

Сторінки: 1 2 3

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар