Молекулярный механизм хемилюминесценции. В настоящее время известно довольно много химических реакций, сопровождающихся свечением

СВЕЧЕНИЕ, СОПРОВОЖДАЮЩЕЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Свечение, сопровождающее химические реакции называется хемилюминесценцией (ХЛ). Она наблюдается в том случае, если в реакции происходит выделение большого количества энергии, например в реакции взаимодействия двух радикалов или в реакциях с участием перекисей.

Собственное («сверхслабое») свечение клеток и тканей животных и человека обусловлено реакциями свободных радикалов: радикалов липидов и кислорода, а также окиси азота, – соединениями, играющими огромную роль в жизни организма, а при определенных условиях – и развитии ряда патологических состояний.

Энергично протекающие химические реакции сопровождаются, как правило, выделением энергии в форме тепла; существуют, однако такие реакции, которые сопровождаются излучением света. Процессы жизнедеятельности, как теперь стало известно, практически всегда сопровождаются очень слабым излучением, которое иногда называют сверхслабым свечением или собственным излучением клеток и тканей. Некоторые организмы обладают, однако способностью излучать довольно яркий свет, видимый простым глазом; это явление известно с древних времен и получило название "биолюминесценция".

В биохимических системах, т.е. в гомогенатах тканей, суспензиях клеток или клеточных органелл, смесях ферментов и субстратов, собственная хемилюминесценция в большинстве случаев отличается крайне низкой интенсивностью, и требуется особо чувствительная аппаратура, чтобы его обнаружить и измерить.

Некоторые вещества, которые в отечественной литературе принято называть активаторами ХЛ обладают способностью усиливать хемилюминесценцию, иногда во много тысяч раз.

Помимо этого, слабым свечением сопровождается образование свободных радикалов при действии ряда физических факторов на объект: при облучении ионизирующей радиации наблюдается радиохемилюминесценция, после облучения ультрафиолетом или видимым светом – фотохемилюминесценция, при пропускании электрического тока – электролюминесценция, при ультразвука – сонолюминесценция, при воздействии сил трения – триболюминесценция.

В большинстве случаев – это довольно сложные процессы со многими промежуточными стадиями. Но есть несколько простых случаев, в которых механизм превращения энергии химической реакции в свет вполне понятен.

Один из них – это свечение, наблюдаемое при взаимодействии органических радикалов, получаемых электрохимическим путем

В раствор люминесцирующего органического вещества (в опытах брали полициклические углеводороды) в органическом электролите (проводящем электричество) опускали пару электродов, с помощью которых через раствор пропускали электрический ток.

С катода (-) на молекулы люминесцирующего вещества (обозначим их как НА) переходят электроны и образуются анион-радикалы (заряженные отрицательно).

На аноде (+) электроны отнимаются от молекул и образуются катион-радикалы. Если теперь раствор перемешать, катион-радикалы будут взаимодействовать с анион-радикалами, при этом образуется две молекулы исходного углеводорода, одна из которых может оказаться в электронно-возбужденном состоянии и переходит в основное состояние с испусканием кванта света (фотона).

В молекулах на верхнем заполненном электронном уровне электроны расположены попарно. У катион-радикала на верхнем уровне остается только один, неспаренный электрон. У анион радикала появляется неспаренный электрон на следующем (расположенном выше) энергетическом уровне.

При взаимодействии радикалов (имеющих противоположный заряд и потому притягивающихся друг к другу) перенос электрона может произойти таким образом, что два электрона окажутся на разных уровнях.

Последнее означает, что один из ее внешних электронов оказывается не на самом нижнем свободном электронном уровне, как у исходных молекул, а на вышележащем электронном уровне. Такая молекула при переходе в основное состояние испускает квант света. Весь процесс можно разделить на три стадии:

1. Восстановление одного из участников реакции (присоединение электрона) и окисление второго (отрыв электрона). Это приводит к запасанию химической энергии в системе, которая позднее выделится в виде фотона.

2. Перенос электрона (окислительно-восстановительная реакция) не на самый нижний, а на один из более высоких энергетических уровней и образование, таким образом, продукта реакции в электронновозбужденном состоянии.

3. Высвечивание фотона при переходе молекулы из электронно-возбужденного в основное состояние (люминесценция).

Обычно химические реакции, сопровождающиеся свечением, протекают через целый ряд промежуточных стадий, но основные этапы запасания и высвечивания энергии, в общем, сходны.

Собственное свечение клеток и тканей животных. Отечественный ученый А.Г. Гурвич был первым, кто указал на существование собственного слабого свечения клеток животных и растений, названного им "митогенетическими лучами". Согласно А. Г. Гурвичу, митогенетические лучи – это очень слабое ультрафиолетовое излучение клеток, которое индуцирует деление окружающих клеток.

Хотя сам А.Г. Гурвич использовал для обнаружения лучей только "биологический детектор", т.е. разные делящиеся клетки, его последователи в России (С. Родионов и Г.М. Франк, 1934г.) и за рубежом (R. Aubert, 1938 и другие) разработали физический детектор излучения: газоразрядный счетчик фотонов с кварцевым окном, прозрачным для УФ-лучей.

С помощью счетчика фотонов было изучено свечение в ходе ряда окислительно-восстановительных реакций, а также свечение биологических объектов, таких как суспензия дрожжевых клеток, проростки растений и даже нервно-мышечный препарат.

Развития эта техника, однако, не получила из-за неустойчивой работы газоразрядных счетчиков и плохой воспроизводимости результатов.

В 1952 г. А. Стрелер создал высокочувствительный прибор для счета фотонов на основе фотоэлектронного фотоумножителя (ФЭУ), охлаждаемого жидким азотом, и применил его для изучения послесвечения зеленых листьев.

В 1956 году группа итальянских авторов использовала сходную технику для изучения свечения проростков растений. Сверхслабое свечение животных клеток и тканей было изучено в работах Владимирова и Ф.Ф. Литвина (1959 г.), Б.Н. Тарусова и сотрудников (1961 г.) также с помощью фотоумножителя, охлаждаемого жидким азотом.

В настоящее время созданы высокочувствительные малошумящие ФЭУ (фотоумножители), позволяющие без охлаждения регистрировать слабое собственное свечение (хемилюминесценцию) клеток и тканей растений и животных. Это свечение имеет низкую интенсивность, и для ее измерения используют высокочувствительные приборы – хемилюминометры.

Принцип работы современных хемилюминометров. Раствор или суспензия клеток помещаются в кювету, в которой поддерживается определенная температура и осуществляется перемешивание для лучшего снабжения кислородом.В кювету по ходу опыта вводят различные добавки и отбирают пробы для химического анализа. Свет ХЛ измеряют с помощью чувствительного прибора – фотоумножителя (ФЭУ), электрический сигнал от которого усиливается, а затем обрабатывается и записывается.

В настоящее время для обработки и записи сигналов используют персональные компьютеры (ПК). Между компьютером и хемилюминометром включают промежуточный прибор – интерфейс, делающий электрические сигналы от ФЭУ «понятными» для ПК.

Слабое свечение можно изучать не только в растворах или суспензиях клеток, но и на целых органах в составе организма. Наиболее важные части комплекса – это совершенно непроницаемый для света ящик, в который помещают лабораторное животное, например крысу, и высокочувствительный приемник света – фотоумножитель, соединенный через усилитель и другие промежуточные устройства с самопишущим потенциометром или же персональным компьютером. Аналогичную конструкцию используют для изучения свечения изолированных органов, например, перфузируемого легкого или сердца. Добавляя в перфузионную жидкость ингибиторы или активаторы определенных реакций, можно судить о природе химических реакций, сопровождающихся свечением.

Таким способом было показано, что за собственное свечение тканей могут быть ответственны три типа реакций:

1. Реакции так называемых активных форм кислорода.

2. Реакции цепного (перекисного) окисления липидов.

3. Реакции с участием окиси азота.

Дата добавления: 2014-01-07