Mechanizm działania promieniowania elektromagnetycznego na układy biologiczne

Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego oddziaływujace na układy biologiczne Fale radiowe Mikrofale Promieniowanie podczerwone (IR) Światło widzialne (Vis) Promieniowanie ultrafioletowe (UV) Promieniowanie rentgenowskie (X) Promieniowanie  Promieniowanie kosmiczne

Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego oddziaływujące na układy biologiczne

Reakcje układów biologicznych na promieniowanie elektromagnetyczne Procesy pierwotne (bezpośrednio po absorpcji promieniowania), Procesy wtórne (molekularny mechanizm absorpcji)

Reakcje układów biologicznych na promieniowanie elektromagnetyczne zależą od molekularnego mechanizmu absorpcji, który zmienia się wraz częstotliwością promieniowania

Molekularny mechanizm absorpcji fali długich i radiowych Istota: 1. Częstotliwość padającej fali elektromagne-tycznej jest równa częstości drgań własnych elementarnych oscylatorów układów biologicznych. 2. Oscylatory są prostymi układami R-C, np. błona biologiczna jako izolator otoczona elektrolitami środowiska zewnętrznego i wewnętrznego stanowiąca kondensator elektrolityczny o dużej pojemności.

Fizyczne efekty napromieniowania: Molekularny mechanizm absorpcji fali długich i radiowych c.d. Fizyczne efekty napromieniowania: 1. Indukcja prądów zmiennych w oscylatorach, 2. Zaabsorbowana energia ulega rozproszeniu w postaci ciepła.

Skutki napromieniowania: Molekularny mechanizm absorpcji fali długich i radiowych c.d. Skutki napromieniowania: 1. Wzrost temperatury organizmu, uzależniony od wartości pochłoniętej energii oraz zdolności do termoregulacji, 2. Pod wpływem promieniowania o częstości 106 – 108 Hz, w zawiesinach takich komórek, jak: leukocyty, erytrocyty, organizmy jednokomórkowe, następuje uporządkowanie układów w struktury łańcuchowe, 3. Efekt mutagenny w stosunku do bakterii, wirusów, komórek roślinnych i zwierzęcych, np. aberracje chromosomowe w tkankach napromieniowanych

Molekularny mechanizm absorpcji mikrofali i podczerwieni (IR) Istota: 1. Zmiana energii oscylacyjnej lub rotacyjnej cząsteczek, prowadzące do zmiany energii całego organizmu E = Et + Er + Eo + Ee + Ej, gdzie: Et – energia translacyjna, Er – energia rotacyjna, Eo – energia oscylacyjna Ee – energia elektronowa, Ej – energia jądrowa atomów.

Molekularny mechanizm absorpcji mikrofali i podczerwieni c.d. Energia rotacyjna, oscylacyjna, elektronowa i jądrowa są skwantowane, tzn. przyjmują tylko pewne określone wartości odpowiadające poziomom energetycznym E Rozkład energetyczny poziomów elektronowych, oscylacyjnych i rotacyjnych

Molekularny mechanizm absorpcji mikrofali i podczerwieni c.d. Wędrówka atomów lub cząsteczek z poziomów energetycznych wyższych na niższe wywołuje emisję promieniowania świetlnego w postaci kwantów energii: gdzie: En, Em – wartości energii odpowiednio dla poziomu n i m. Wielkości charakteryzujące poszczególne poziomy to: Liczba falowa , gdzie λ – długość fali Długość fali λ [nm]

Oddziaływanie promieniowania o różnej energii: Molekularny mechanizm absorpcji mikrofali i podczerwieni c.d. Oddziaływanie promieniowania o różnej energii: Promieniowanie wysokoenergetyczne powoduje wzbudzenie elektronowe cząsteczek prowadzące do powstawania pełnego widma elektronowo-oscylacyjno-rotacyjnego. Promieniowanie o energii mniejszej od różnicy między sąsiadującymi poziomami elektronowymi powoduje zmiany energii oscylacyjnej i powstawanie widma oscylacyjno-rotacyjnego. Promieniowanie o energii mniejszej od różnicy między sąsiadującymi poziomami oscylacyjnymi powoduje zmiany energii rotacyjnej i powstawanie widma rotacyjnego.

Molekularny mechanizm absorpcji mikrofali i podczerwieni c.d. Efekty termiczne jako główny rezultat wpływu mikrofali i IR na układy biologiczne: Wzbudzone przez kwanty promieniowania cząsteczki wracają do stanu podstawowego wydzielając energie na sposób ciepła. W wyniku tej wędrówki emitowanie są kwanty energii odpowiadające kwantom promieniowania mikrofalowego (wędrówka między poziomami rotacyjnymi) lub kwantom promieniowania IR (wędrówka między poziomami oscylacyjnymi).

Skutki napromieniowania: Molekularny mechanizm absorpcji mikrofali i podczerwieni c.d. Skutki napromieniowania: 1. Silna absorpcja przez cząsteczki wody fali o długości λ=2800 i 6300 nm, co prowadzi do zmian energii oscylacyjnej oraz w zakresie 5000 – 12500 nm, co powoduje zmiany wartości energii rotacyjnej, prowadzi do silnego pochłaniani przez tkanki (zawierające duże ilości wody) promieniowania IR. 2. Tkanki pochłaniają także mikrofale, co może prowadzić do abberacji chromosomowych.

Molekularny mechanizm absorpcji promieniowania widzialnego (Vis) Istota: 1. Źródło promieniowania Vis to słońce – stanowiące pierwotne źródło energii dla endotermicznych procesów życiowych. Energia słoneczna wykorzystywana jest przez rośliny i niektóre mikroorganizmy w procesie fotosyntezy. 2. Istotą oddziaływania jest absorpcja światła przez składniki atomowe lub cząsteczkowe, prowadzące do ich wzbudzenia elektronowego i wzrostu reaktywności, zapoczątkowującego przebieg dalszych procesów.

Reakcje fotochemiczne: Molekularny mechanizm absorpcji promieniowania widzialnego (Vis) c.d. Reakcje fotochemiczne: Reakcje chemiczne wywołane promieniowaniem Vis i częściowo UV (w zakresach niższych wartości energetycznych), np. pierwotne reakcje fotosyntezy u roślin, widzenie u zwierząt. Podstawową rolę odgrywają barwniki – stanowiące receptory absorbujace promieniowanie

Wielkości opisujące absorpcję promieniowania: Molekularny mechanizm absorpcji promieniowania widzialnego (Vis) c.d. Wielkości opisujące absorpcję promieniowania: Absorbancja, ekstynkcja lub gęstość optyczna: , gdzie I0, I stanowią odpowiednio natężenie światła padającego i przechodzącego

Wielkości opisujące absorpcję promieniowania c.d. Widmo absorpcyjne – graficzny obraz zależności A = f(λ) Widma absorpcyjne chlorofilu a i b w eterze etylowym

Wielkości opisujące absorpcję promieniowania c.d. Pasmo absorpcji – zakres pochłaniania światła tylko w pewnym zakresie długości fali (absorpcja selektywna). Szerokość pasma absorpcji zależy od oddziaływań między cząsteczkami sąsiadującymi w roztworze oraz między cząsteczkami a rozpuszczalnikiem oraz w mniejszym stopniu od przejść między poziomami oscylacyjnymi i rotacyjnymi (1 cząsteczka może wykazywać ich wiele). Zróżnicowanie pasm absorpcji: 1. Gazy i pary – liniowe widma pochłaniania w wąskich zakresach (rzędu tysięcznych nanometra). 2. Cząsteczki złożone – szerokie pasma pochłaniania (sięgające kilkudziesięciu nanometrów). 3. Substancje barwne – możliwość występowania kilku pasm pochłaniania o określonych maksimach.

Wielkości opisujące absorpcję promieniowania c.d. Widmo czynnościowe – zależność wydajności fotoreakcji od λ (np. dla fotosyntezy, fotomorfogenezy, widzenia) uzależnione głównie od składu jakościowego barwników i ich udziału w fotoreakcji. Widmo czynnościowe fotosyntezy w komórkach Chlorella pyrenoidosa (1) oraz w zawiesinie tych komórek (2)

Wielkości opisujące absorpcję promieniowania c.d. Natura falowa światła widzialnego – na skutek interakcji z elementami układów biologicznych (za pośrednictwem takich zjawisk, jak: dyfrakcja, interferencja, polaryzacja) stwarza możliwość uzyskiwania informacji o kształtach, wymiarach i właściwościach optycznych badanych struktur (np. w mikroskopach optycznych).

Molekularny mechanizm absorpcji promieniowania jonizującego Promieniowanie jonizujące: ultrafioletowe (UV), korpuskularne (α i β), rentgenowskie (x) i . Oddziaływanie promieniowania jonizujacego na układy biologiczne obejmuje 3 etapy: Efekt fotoelektryczny, Rozpraszanie Comptona, Tworzenia par elektron – pozyton (kreacja par).

Efekt fotoelektryczny Kwant promieniowania przekazuje energię elektronowi uwalniając go z atomu lub cząsteczki i nadając mu energię kinetyczną: Gdzie: mv2 – energia kinetyczna, h - energia kwantu promieniowania, E – energia uwalniania elektronu

Zjawisko Comptona Zderzenie sprężyste kwantu o dużej energii z elektronem, w wyniku czego powstaje wolny elektron o energii kinetycznej mv2/2 oraz rozproszony foton h’<h Zderzenie sprężyste zachodzące zgodnie z zasadą zachowania energii i pędu: gdzie: h/c i h’/c – stanowią odpowiednio pęd fotonu przed i po zderzeniu

Kreacja par Wyzwolenie przez kwant h>1,022 MeV pary elektron – pozyton z pola jądra atomowego z jednoczesnym zanikiem kwantu Zjawisko następuje przy bardzo dużych energiach kwantu: gdzie: eV – elektrowolt – energia pracy przeniesienia ładunku elektrycznego między dwoma punktami pola elektrycznego o różnicy potencjałów 1V = 1,601·10-19J

Proces odwrotny do kreacji par: Anihilacja Proces odwrotny do kreacji par:

Molekularny mechanizm absorpcji promieniowania jonizującego Skutki napromieniowania: 1. Pierwotny efekt radiacyjny: Oddziaływanie promieniowania pierwotnego i cząsteczek wtórnych (efekt Comptona i kreacja par) powodujące powstawanie substancji zjonizowanych, wzbudzających atomy lub cząsteczki. Czas trwania 10-16 – 10-17 sek. 2. Efekty wtórne: Łańcuch złożonych reakcji popromiennych, powodujących uszkodzenie struktury i zakłócenie funkcji układów wewnątrzkomórkowych, a za ich pośrednictwem tkanek, narządów i całego organizmu. Zakłócają przebieg fotosyntezy, oddychania, przemian związków fosfoorganicznych, metabolizm węglanowy poprzez uszkodzenia struktur i systemów regulacyjnych

Zasada zachowania energii w oddziaływaniach promieniowania z materią Energia dostarczona wraz z kwantami promieniowania prowadzi do wzbudzenie elektronowego atomów lub cząsteczek lub też do ich jonizacji (duże wartości energii kwantów), co z kolei prowadzi do wzrostu reaktywności substancji organicznych. Wzbudzenie elektronowe może by przekazywane z cząsteczki na cząsteczkę i z czasem wygaszane poprzez odpowiednie wewnątrz cząsteczkowe procesy fizyczne. Energia może być także emitowana w postaci promieniowania świetlnego lub ciepła. Przemiany energii powstające na skutek promieniowania są podstawą do przebiegu ważnych procesów życiowych.

Zasada zachowania energii w oddziaływaniach promieniowania z materią Ogólna zasada zachowania energii w polu fali elektromagnetycznej: Δu/Δt – zmiana gęstości energii pola elektromagnetycznego w czasie, ΔJP/Δz – moc wypływająca w postaci strumienia gęstości energii, jP·E – gęstości mocy oddanej przez pole na ciepło Joule’a, jk·E – gęstości mocy oddanej przez pole na przepływ prądu wymuszonego. Gęstość strumienia energii promieniowania o wysokiej częstotliwości: Ni – liczba kwantów, hν – energia kwantu.

Falowa natura światła w oddziaływaniach z materią Komórki i ich elementy – stanowiące układy dyspersyjne większe od długości światła lub z nią porównywalne – powodują dyfrakcję i interferencję świata Tabela. Wymiary niektórych składników komórkowych i komórek Element strukturalny Długość (nm) Rybosom Escherichia coli Bakteriofag X147 E.coli Wirus mozaiki tytoniowej Mitochondrium z komórki wątroby Komórka E.coli Chloroplast z liścia szpinaku Komórka wątroby 18,0 25,0 300,0 1500,0 2000,0 8000,0 20000,0

Mechanizm rozpraszania fali przez ośrodki o różnej strukturze W ośrodkach jednorodnych: fala pobudza, do drgań cząsteczki ośrodka wysyłające promienie wtórne, które w wyniku interferencji dają promienie wypadkowe. Fale rozchodzą się tylko w określonych kierunkach dając orbity i załamy, a w innych kierunkach wygasają. W ośrodkach niejednorodnych: niejednorodności dostatecznie od siebie oddalone (np. cząsteczki innych substancji) zachowują się jak niezależne, wtórne źródła światła. Emitowane fale są niespójne, a rozpraszanie następuje we wszystkich kierunkach. Rozpraszanie sprężyste, a natężenie światła rozproszonego pozostaje proporcjonalne do kwadratu objętości cząsteczki rozpraszającej. Zależność ta umożliwia określanie rozmiarów cząsteczek. W ośrodkach przezroczystych makroskopowo jednorodnych: rozpraszanie światła następuje na skutek fluktuacji gęstości wynikające z chaotycznego ruchu cieplnego cząsteczek ośrodka. Rozpraszanie ma charakter sprężysty.

Mechanizm rozpraszania fali przez ośrodki o różnej strukturze c.d. Rozpraszanie Rayleigha: rozpraszanie sprężyste podczas którego energia promieniowania rozproszonego nie zmienia się na skutek braku wymiany energii między falą świetlną i otoczeniem. Rozpraszanie Ramana: rozpraszanie niesprężyste podczas którego energia promieniowania rozproszonego zmienia się. Częstość podstawowa: , częstości pochodne: lub , gdzie Ω – częstość ruchu oscylacyjnego lub rotacyjnego molekuł ośrodka, n – liczba molekuł. 3. Spektroskopia ramanowska: analiza i oznaczanie budowy związków organicznych oraz śledzenie zmian w ich konformacji. Widma Ramana wykonywane są dla roztworów wodnych białek, białek krystalicznych i struktur złożonych, np. fragmenty błon komórkowych, organella komórkowe.

Aerozole atmosferyczne Aerozole – układy dyspersyjne powstające w wyniku zawieszenia cząsteczek fazy rozproszonej w ośrodku jaki stanowi powietrze

Rozpraszanie światła przez aerozole i układy biologiczne – zastosowanie 1. W meteorologii i ochronie środowiska. Rozpraszanie światła na aerozolach atmosferycznych umożliwia oznaczanie jasności układu Ziemia – atmosfera, co wykorzystuje się w satelitach meteorologicznych 2. W układach biologicznych: rozpraszanie najczęściej niesprężyste na skutek obecności barwników absorbujących promieniowanie Vis. Umożliwia pomiar zawartości barwników i układów rozpraszających.

Biologiczne układy nadcząsteczkowe Biologiczne układy nadcząsteczkowe: np. wirusy – charakteryzują się strukturą regularną, zbliżoną do kryształów. Związek elementów strukturalnych z błonami biologicznymi powoduje podwójne załamanie światła (charakterystyczne dla układów anizotropowych), wywołujące polaryzację fali świetlnej.

Rozpraszanie światła przez aerozole i układy biologiczne – zastosowanie Rozpraszanie światła przez układy nadcząsteczkowe znalazło zastosowanie w mikroskopii polaryzacyjnej. W przypadku biologicznych układów anizotropowych technika ta umożliwia analizę szczegółów budowy struktur w oparciu o układ jasnych obszarów na czarnym tle. Oprócz elementów typowych dla zwykłego mikroskopu optycznego, mikroskop polaryzacyjny zawiera 2 nikole: polaryzator umieszczony poniżej preparatu i analizator stanu polaryzacji znajdujący się powyżej obiektywu. 2. Analiza rentgenostrukturalna.

Kwantowa natura światła w oddziaływaniach z materią Przebiega za pośrednictwem specyficznych molekuł: Molekuły zdolne do wykorzystywania światła jako źródła informacji o warunkach środowiskowych: 1. Fitochrom: Podstawowy receptor w procesie fotomorogenezy, pełniący funkcje detekora obecności i składu spektralnego promieniowania oraz induktora różnicowania się roślin. 2. Fotomorfogeneza: niezależny od fotosyntezy wpływ światła na wzrost, rozwój i różnicowanie się roślin. 3. Przemiany fitochromu pod wpływem światła: Fotomorfogeneza

Kwantowa natura światła w oddziaływaniach z materią Ryc. Budowa chromoforu fitochromu P w postaci wydłużonej (A,B) i cyklicznej (C,D): A,C – forma Pr, B,D – forma Pfr.

Kwantowa natura światła w oddziaływaniach z materią Inicjowanie pod wpływem światła procesów prowadzących do zmiany potencjału elektrycznego komórki: 1. Widzenie: Powstający pod wpływem światła impuls jest transportowany do odpowiednich ośrodków w mózgu. 2. Proces zaczyna się od absorpcji światła przez rodopsynę.

Kwantowa natura światła w oddziaływaniach z materią Cząsteczki zdolne do zmiany energii świetlnej w chemiczną: 1. Fotosynteza: proces przebiegający z udziałem odpowiednich barwinków. 2. Aktem pierwotnym fotosyntezy jest absorpcja kwantu przez receptor za pośrednictwem elektronów π w układzie wiązań sprzężonych występujących w każdym z barwników. Czas trwania 10-15-10-6 sek. po absorpcji światła.