Вплив УФ випромінювання на процеси в клітині, методи фіксації параметрів

Вступ

Ультрафіолетове випромінювання (ультрафіолет, УФ, UV) – електромагнітне випромінювання, що займає діапазон між кордоном видимого випромінювання і рентгенівським випромінюванням (380 - 10 нм, 7,9 10 ¹⁴ - 3  Гц). Діапазон умовно ділять на ближній (380-200 нм) і дальній, або вакуумний (200-10 нм) ультрафіолет, останній так названий, оскільки інтенсивно поглинається атмосферою і досліджується тільки вакуумними приладами. Вивчення впливу дії ультрафіолетового випромінювання на живі системи має дуже важливе значення, це є актуальна тема для спеціалістів різних галузей. Відомо, що УФВ згубно впливає на біологічні системи, а отже потребує ретельного вивчення. Для плідної наукової роботи з серйозною практичною базою необхідно точно зафіксувати зміни параметрів біологічних систем, тому в даній роботі ми розглянемо методи дослідження стану клітин та її складових.

1.1 Історія відкриття

Поняття про ультрафіолетових променях вперше зустрічається в  індійського філософа 13-го століття Shri Madhvacharya в його праці Anuvyakhyana. Атмосфера описаної їм місцевості Bhootakasha містила фіолетові промені, які неможливо побачити неозброєним оком.

Незабаром після того, як було виявлено інфрачервоне випромінювання , німецький фізик Йоганн Вільгельм Ріттер почав пошуки випромінювання і в протилежному кінці спектру, з довжиною хвилі коротше, ніж у фіолетового кольору. В 1801 він виявив, що хлорид срібла, що розкладається під дією світла, швидше розкладається під дією невидимого випромінювання за межами фіолетовою області спектра. Хлорид срібла білого кольору протягом декількох хвилин темніє на світлі. Різні ділянки спектру по-різному впливають на швидкість потемніння. Швидше за все це відбувається перед фіолетовою областю спектру. Тоді багато вчених, включаючи Ріттера, дійшли згоди, що світло складається з трьох окремих компонентів: окисного або теплового (інфрачервоного) компонента, освітлювального компонента (видимого світла), і відновного (ультрафіолетового) компонента. У той час ультрафіолетове випромінювання називали також "актініческім випромінюванням".

Ідеї ​​про єдність  трьох різних частин спектра були вперше озвучені лише в 1842 в працях Олександра Беккереля, Македонії Меллона та ін. [1]

1.2. Види ультрафіолетового випромінювання

Найменування	Абревіатура	Довжина хвилі  в нанометрах	Кількість енергії на фотон
Близький	NUV	400 нм - 300 нм	3.10 - 4.13 еВ
Середній	MUV	300 нм - 200 нм	4.13 - 6.20 еВ
Далекий	FUV	200 нм - 122 нм	6.20 - 10.2 еВ
Екстремальний	EUV, XUV	121 нм - 10 нм	10.2 - 124 еВ
Вакуумний	VUV	200 нм - 10 нм	6.20 - 124 еВ
Ультрафіолет А, довгохвильової діапазон, Чорне світло	UVA	400 нм - 315 нм	3.10 - 3.94 еВ
Ультрафіолет B (середній діапазон)	UVB	315 нм - 280 нм	3.94 - 4.43 еВ
Ультрафіолет С, короткохвильової, герміцідний діапазон	UVC	280 нм - 100 нм	4.43 - 12.4 еВ

Таблиця 1. Види ультрафіолетового випромінювання

1.3. Чорне світло

Близький ультрафіолетовий діапазон часто називають "чорним світлом", так як він не розпізнається людським оком, але при відображенні (проходження) від деяких матеріалів спектр переходить в область фіолетового видимого випромінювання. [2]

 1.4. Позитивні ефекти

У ХХ столітті було вперше показано, як УФ-випромінювання робить благотворний вплив на людину. Фізіологічна дія Уф-променів було досліджено вітчизняними і зарубіжними дослідниками в середині минулого століття (Г. Варшавер. Г. Франк. Н. Данциг, Н. Галанін. Н. Каплун, А. Парфенов, О. Бєлікова. В. Dugger. J. Hassesser. Н. Ronge, Є. Biekford та ін). Було переконливо доведено в сотнях експериментів, що випромінювання в УФ області спектру (290-400 нм) підвищує тонус симпатико-адреналінової системи, активує захисні механізми, підвищує рівень неспецифічного імунітету, а також збільшує секрецію ряду гормонів. Під впливом УФ випромінювання (УФІ) утворюються гістамін і подібні йому речовини, які мають судинорозширювальну дію, підвищують проникність шкірних судин. Змінюється вуглеводний і білковий обмін речовин в організмі. Дія оптичного випромінювання змінює легеневу вентиляцію - частоту і ритм дихання, підвищується газообмін, споживання кисню, активізується діяльність ендокринної системи. Особливо значна роль УФ випромінювання в освіті в організмі вітаміну Д, що зміцнює кістково-м'язову систему і володіє антірахітним дією. Особливо слід відзначити, що тривала недостатність УФІ може мати несприятливі наслідки для людського організму, звані "світловим голодуванням". Найбільш частим проявом цього захворювання є порушення мінерального обміну речовин, зниження імунітету, швидка стомлюваність і т. п.

Трохи пізніше в роботах (О. Г. Газенко, Ю. Е. Нефедов, Е. О. Шепелєв, С. Н. Залогуев, Н. Є. Панферова, І. В. Анісімова) зазначене специфічну дію випромінювання було підтверджено в космічній медицині. Профілактичне УФ опромінення було введено в практику космічних польотів поряд з Методичними вказівками (МУ) 1989 р. "Профілактичне ультрафіолетове опромінення людей (із застосуванням штучних джерел УФ випромінювання)" . Обидва документи є надійною базою подальшого вдосконалення УФ профілактики. [3]

 

Вплив на процеси  в біосистемах

2.1. Деградація полімерів та барвників

Багато полімерів, які використовуються в товарах народного споживання, деградують під дією УФ світла. Для запобігання деградації в такі полімери додаються спеціальні речовини, здатні поглинати УФ, що особливо важливо в тих випадках, коли продукт піддається безпосередньому впливу сонячного світла. Проблема виявляється в зникненні кольору, потускнению поверхні, розтріскування, а іноді і повного руйнування самого виробу. Швидкість руйнування зростає зі зростанням часу впливу і інтенсивності сонячного світла.

Описаний ефект відомий як УФ старіння і є однією з різновидів старіння полімерів. До чутливих полімерам відносяться термопластики, такі як, поліпропілен, поліетилен, поліметилметакрилат ( органічне скло), а також спеціальні волокна, наприклад, арамидное волокно. Поглинання УФ призводить до руйнування полімерного ланцюга та втрати міцності в ряді точок структури. Вплив УФ на полімери використовується в нанотехнологіях, трансплантології, рентгенолітографіі та ін областях для модифікації властивостей ( шорсткість, гідрофобність) поверхні полімерів. Наприклад, відомо згладжуючі дію вакуумного ультрафіолету (ВУФ) на поверхню поліметилметакрилату.[1,4]

2.2. Стерилізація повітря і твердих поверхонь

Ультрафіолетові лампи використовуються для стерилізації (знезараження) води, повітря та різних поверхонь у всіх сферах життєдіяльності людини. У найбільш поширених лампах низького тиску 86% випромінювання припадає на довжину хвилі 254 нм, що добре узгоджується з піком кривої бактерицидної ефективності (тобто ефективності поглинання ультрафіолету молекулами ДНК). Цей пік знаходиться в районі довжини хвилі випромінювання рівною 254 нм, яке має найбільший вплив на ДНК, проте природні речовини (наприклад, вода) затримують проникнення УФ.

Бактерицидна УФ випромінювання на цих довжинах хвиль викликає димиризація тиміну. в молекулах ДНК. Накопичення таких змін в ДНК мікроорганізмів призводить до уповільнення темпів їх розмноження і вимирання.

Ультрафіолетова обробка  води, повітря та поверхні не має  пролонговану ефектом. Гідність даної  особливості полягає в тому, що виключається шкідливий вплив на людину і тварин. У разі обробки стічних вод УФ флора водойм не страждає від скидів, як, наприклад, при скиданні вод, оброблених хлором, які продовжують знищувати життя ще довго після використання на очисних спорудах. [2]

2.3. Дезінфекція питної води 
Дезінфекція води здійснюється способом хлорування в поєднанні, як правило, з озонуванням або знезараженням ультрафіолетовим (УФ) випромінюванням. Знезараження ультрафіолетовим (УФ) випромінюванням - безпечний, економічний і ефективний спосіб пригнічення життєво необхідних процесів в клітинах мікроорганізмів. Ні озонування, ні ультрафіолетове випромінювання не мають бактерицидну післядією, тому їх не допускається використовувати в якості самостійних засобів знезараження води при підготовці води для господарсько-питного водопостачання, для басейнів. Озоніpованіе і ультрафіолетове обеззараження застосовуються як додаткові методи дезінфекції, разом з хлоруванням, підвищують ефективність хлорування і знижують кількість додаються хлорвмісних реагентів.

Принцип дії УФ-випромінювання. УФ-дезінфекція виконується при опроміненні знаходяться у воді мікроорганізмів УФ-випромінюванням певної інтенсивності (достатня довжина хвилі для повного знищення мікроорганізмів дорівнює 260,5 нм) протягом певного періоду часу. В результаті такого опромінення мікроорганізми "мікробіологічно" гинуть, бо вони втрачають здатність відтворення. УФ-випромінювання в діапазоні довжин хвиль близько 254 нм добре проникає крізь воду і стінку клітини переносимого водою мікроорганізму і поглинається  ДНК мікроорганізмів, викликаючи порушення її структури. У результаті припиняється процес відтворення мікроорганізмів. Слід зазначити, що даний механізм поширюється на живі клітини будь-якого організму в цілому, саме цим обумовлена ​​небезпека жорсткого ультрафіолету.

Хоча по ефективності знезараження води УФ обробка в кілька разів  поступається озонуванню, на сьогоднішній день використання УФ-випромінювання - один з найбільш ефективних і безпечних способів знезараження води у випадках, коли обсяг оброблюваної води невеликий. При дії на живі організми УФ-випромінювання поглинається верхніми шарами тканин рослин або шкіри людини і тварин. В основі біологічної дії УФ-випромінювання лежать хімічні зміни молекул біополімерів ..  
На людину і тварин малі дози УФ-випромінювання роблять благотворний дію - сприяють утворенню вітамінів групи D, покращують імунобіологічні властивості організму. Характерною реакцією шкіри на УФ-випромінювання є специфічне почервоніння - еритема, яка зазвичай переходить в захисну пігментацію (засмага). Великі дози УФ-випромінювання можуть викликати пошкодження очей (фотоофтальмію) і опік шкіри. Часті і надмірні дози УФ-випромінювання в деяких випадках можуть надавати канцерогенну дію на шкіру.[4]  
У рослинах УФ-випромінювання змінює активність ферментів і гормонів, впливає на синтез пігментів, інтенсивність фотосинтезу і фотоперіодичної реакції. Великі дози УФ-випромінювання несприятливі для рослин, про що свідчать і існуючі у них захисні пристосування (наприклад, накопичення певних пігментів, клітинні механізми відновлення від пошкоджень).  
На мікроорганізми і культивовані клітини вищих тварин і рослин УФ-випромінювання робить згубний і мутагенну дію. Основна роль у дії УФ-випромінювання на клітини належить, хімічним змінам ДНК: що входять до її складу піримідинові основи (головним чином тимін) при поглинанні квантів УФ-випромінювання утворюють димери, що перешкоджають нормальному подвоєнню ДНК при підготовці клітини до поділу. Це може призводити до загибелі клітин або мутацій.  
Сильно впливають на чутливість клітин до УФ-випромінювання мутації деяких генів. У ряді випадків такі гени відповідальні за відновлення клітин від променевих ушкоджень. Мутації інших генів порушують синтез білка і будову клітинних мембран, тим самим підвищуючи радіочутливість негенетических компонентів клітини. Мутації, що підвищують чутливість до УФ-випромінювання, відомі і у вищих організмів. Так, спадкове захворювання – пігментна ксеродерма обумовлено мутаціями генів, контролюючих темновую репарацію.  
Власний мутагенний ефект екстремальних температур не доведений. Однак дуже низькі або дуже високі температури порушують розподіл клітини (виникають геномні мутації). Екстремальні температури посилюють дію інших мутагенів, оскільки знижують ферментативну активність репараційних систем. [3,4]

 

 

 

 

 

 

 

 

Фіксація параметрів.  Біохімічний аналіз

3.1. УФ - спектрометрія

УФ-спектрофотометрія заснована на опроміненні речовини монохроматичним УФ-випромінюванням, довжина хвилі якого змінюється з часом. Речовина в різного ступеня поглинає УФ-випромінювання з різними довжинами хвиль. Графік, по осі ординат якого відкладено кількість пропущеного або відбитого випромінювання, а по осі абсцис - довжина хвилі, утворює спектр. Спектри унікальні для кожної речовини, на цьому грунтується ідентифікація окремих речовин в суміші, а також їх кількісний вимір. [5,7]

3.2. Аналіз мінералів

Багато мінерали містять  речовини, які при освітленні ультрафіолетовим випромінюванням починають випускати  видиме світло. Кожна домішка світиться по-своєму, що дозволяє за характером світіння визначати склад даного мінералу. А. А. Малахов у своїй книзі "Цікаво про геологію" (М., "Молода гвардія", 1969. 240 с) розповідає про це так: "Незвичайне світіння мінералів викликають і катодний, і ультрафіолетовий, і рентгенівський промені. Світ мертвого каменю спалахують і сяють найяскравіше ті мінерали, які, потрапивши в зону ультрафіолетового світла, розповідають про дрібні домішках урану або марганцю, включених до складу породи. Дивним "неземним" кольором спалахують і багато інші мінерали, не містять жодних домішок. Цілий день я провів в лабораторії, де спостерігав люмінесцентне свічення мінералів. Звичайний безбарвний кальцит розцвічується чудесним чином під впливом різних джерел світла. Катодні промені робили кристал рубіново-червоним, в ультрафіолеті він спалахував малиново-червоними тонами. Два мінералу - флюорит і циркон - не різнилися в рентгенівських променях . Обидва були зеленими. Але варто було підключити катодний світло, як флюорит ставав фіолетовим, а циркон - лимонно-жовтим. [6]

3.3. Якісний хроматографічний аналіз

Хроматограми, отримані методом  ТШХ, нерідко дивляться в ультрафіолетовому  світлі, що дозволяє ідентифікувати ряд органічних речовин за кольором світіння і індексом утримування. [1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методи фіксації

4.1. Атомно-силова мікроскопія

При використанні атомно-силової  мікроскопії не потрібно, щоб зразок проводив електрику. Завдяки цьому  атомно-силова мікроскопія знайшла  широке застосування для аналізу біологічних об'єктів – кристалів амінокислот, білків, клітинних мембран і багато чого іншого.

Атомно-силовий мікроскоп  дозволив проводити вимірювання  не тільки в вакуумі, а й в атмосфері, заздалегідь заданому газі і навіть крізь плівку рідини, що стало безперечним  успіхом для розвитку біологічної  мікроскопії. Так був про покладено початок ери скануючої зондової мікроскопії. Незабаром була представлена ​​мікроскопія ближнього поля, яка задіяла оптичні хвилі для дозволу об'єктів до 10 ангстремм.[8]