Вход

Свечение сопровождающее биологические реакции

Реферат* по биологии
Дата добавления: 03 февраля 2004
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 220 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Очень похожие работы
Энергично проте кающие химические реакции сопровождаются , как правило , выделением энергии в форме тепла ; существуют , однако такие реакции , кот орые сопровождаются излучением света . Свечение , сопровождающее химические реакции , называется хемилюминесценцией (ХЛ ) . Хемилюминесценция (ХЛ ) - свечение , сопровождающее химически е реакции . Она наблюдается в том случае , если в реакции происходит выделение большо го количества энергии , например в реакции взаимодействия двух радикалов или в реакциях с участием перекисей . В последнее время все больший интерес привлекает собс т венное ("сверхслабое ") свечение клеток и тканей животных и человека , которое обуслов лено реакциями свободных радикалов : радикалов липидов и кислорода , а также окиси азота , - соединениями , играющими огромную роль в жизни организма , а при определенных услов и ях - и развитии ряда патологическ их состояний . Молекулярный механ изм хемилюминесценции В настоящее время известно довольно много химических реакций , сопровождающих ся свечением . В большинстве случаев - это д овольно сложные процессы со многими промежуто чны ми стадиями . Но есть несколько прос тых случаев , в которых механизм превращения энергии химической реакции в свет вполне понятен . Один из них - это свечение , наблюдаемое при взаимодействии органических радикалов , п олучаемых электрохимическим пут ем . В раст вор люминесцирующего органического вещества (в опытах брали полициклические углеводороды ) в органическом электролите (проводящем электричество ) опускали пару электродов , с помощью кото рых через раствор пропускали электрический то к . Рис . 2. Хемилюминесценция при рек омбинации катион - и анион-радикалов полициклически х углеводородов . 1 - Между электродами , опущенными в раствор органического электролита , прик ладывают разность потенциалов . С катода электроны захватываются молекулами и образуютс я анион-радикалы . На аноде электроны отрываютс я от молекул и образуются катион-радикалы .2 - 5 - При взаимодействии катион-радикала и анион-радик ала в результате их столк н овения (2) электрон переходит с катион-радикала на анион-радикал (3). Однако при этом есть вероятнос ть того , что он окажется не на самом нижнем электронном уровне , а на более в ысоком . Образуется возбужденная молекула углеводо рода (красный кружок на схеме 4 ). При переходе электрона на более низкий у ровень происходит высвечивание кванта света (5). Схема электронных уровней в радикалах и молекулах продуктов реакции дана на рис . 3. С катода (-) на молекулы люми несцирующего вещества (обозначим их как НА ) перехо дят электроны и образуются анио н -радикалы (заряженные отрицательно ). На аноде (+) электроны отнимаются от молек ул и образуются катион -радикалы (заряженные положительно , см . рис . 2, вверху ). Если теперь раствор перемеш ать , катион-радикалы будут взаимодейств овать с анион-радикалами (рис . 2, внизу ); при этом образуется две молекулы исходного углеводорода , одна из которых может оказаться в элек тронно-возбужденном состоянии и переходит в о сновное состояние с испусканием кванта света ( фотона ) . На рис. 3 показаны верхние электронны е энергетические уровни в реагирующих радикал ах и продуктах их взаимодействия . В молеку лах на верхнем заполненном электронном уровне электроны расположены попарно (рис . 3, 1). У ка тион-радикала на верхнем уровне остается толь к о один , неспаренный электрон . У анион радикала появляется неспаренный электрон на следующем (расположенном выше ) энергетичес ком уровне (рис . 3, 2). Рис . 3. Схема электронных энергетических уровней участни ков реакции взаимодействия катион-радикала и анион-радикала одного и того же вещества. 1 - исходная молекула ; 2 - анион-радикал ; 3 - катион-радикал ; 4 - перенос электрона с анион-радикала на кати он-радикал ; 5 - пе р енос электрона в э лектронно-возбужденной молекуле продукта реакции , который сопровождается высвечиванием кванта свет а хемилюминесценции . При взаимодействии радикалов (и меющих противоположный заряд и потому притяги вающихся друг к другу ) произойти перенос э лектрона может произойти таким образом , что два электрона окажутся на разных у ровнях (рис . 3, 4). Последнее означает , что один из ее внешних электронов оказывается не н а самом нижнем свободном электронном уровне , как у исходных молекул , а на вышележа щем э л ектронном уровне . Такая моле кула при переходе в основное состояние ис пускает квант света (рис . 3, 5). Мы видим , что весь процесс можно разделить на три стадии : 1. Восстановление одного из участ ников реакции (присоединение электрона ) и окис ление второго ( отрыв электрона ). Это прив одит к запасанию химической энергии в сис теме , которая позднее выделится в виде фот она . 2. Перенос электрона (оки слительно-восстановительная реакция ) не на самый нижний , а на один из более высоких энергетических уровней и образов ание таки м образом продукта реакции в электронно-возбу жденном состоянии . 3. Высвечивание фотона п ри 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 в ысвечивания энергии в общем сходны . Отечественный ученый А . Г . Гурвич был первым , кто указал на с уществование собственного слабого свечения клето к животных и растений , названного им "митоген етическими лучами " . Согласно А . Г . Гурвичу , митогене тические лучи - это очень слабое ультрафиолето вое излучение клеток , которое индуцирует деле ние окружающих клеток . Хотя сам А . Г . Г урвич использовал для обнаружения лучей тольк о "биологический детектор ", т . е . разные делящиеся клетки , его последователи в Росси и (С . Родионов и Г . М . Франк , 1934г .) и за рубежом (R. Aubert, 1938 и другие ) разработали физ ический детектор излучения : газоразрядный счетчик фотонов с кварцевым окном , прозрачным для УФ-лучей . В настояще время слабое св ечение удается изучать не только с раство рах или суспензиях клеток , но и на цел ых органах в составе организма например , п ечени или легкого . Таким способом было показано , что собственное свечение тканей могут быть ответственны три типа реакций : 1) Реакции так называемых активны х форм кислорода. 2) Реакции цепного (перек исного ) окисления липидов . 3) Реакции с участием окиси а зота . В последнее время все больший интерес привлекает соб ственное ("сверхслабое ") свечение клеток и ткан ей животных и человека , которое обусло влено реакциями свободных радикалов : радикалов липидов и кислорода , а также окиси азот а , - соединениями , играющими огромную роль в жизни организма , а при определенных условия х - и развитии ряда патологических состояни й . Почему оно "све рхслабое ", это свечение клеток и тканей ? Чем же объясняется низкая интенсивность хемилюминесценции , сопровождающей реакц ии свободных радикалов ? Причин целых три . Во-пер вых, сама концентрация радикалов в биологических системах очень мала из-за их высокой химической активности , поэт ому малы и скорости реакций , сопровождающихся свечением . Во-вторых, не всякое химическое взаимодействие ра дикалов непременно приводит к образованию эле ктронно-возбужденных молекул продуктов реакции , к ак это изображено на рис . 3 (4). Напротив , в подавляющем большинстве окислительно-восстановит ельных взаимодействий между молекулами или ра дикалами электрон переносится не на уровень возбужденного состояния , я на самый нижни й свободный уровень , и последующ е г о высвечивания кванта не происходит . В третьих, даже есл и и образовалась возбужденная молекула продук та , вероятность того , что высветится квант , а не произойдет растраты энергии в тепло , тоже обычно очень мала . Две последн ие причины приводят к тому , что кван товый выход хемилюминесценции в случае , скаже м , реакции двух перекисных радикалов составля ет всего 10 -8 -10 -10 . Это происходит потому , что кванто вый выход образования возбужденных молекул пр одукта равен всего 10 -4 -10 -5 , а квантовый выход л юминесценции продукта составляет для кетонов , образу ющихся при взаимодействии перекисных радика лов , в свою очередь , тоже около 10 -4 - 10 - 5 . Вот и в ыходит , что общий квантовый выход хемилюминес ценции составляет всего-навсего 10 -8 -10 -10 . Применение собствен ной (неактивированной ) хемилюминесценции. Почти сразу после того , как появи лись первые работы по собственной хем илюминесценции клеток и тканей , были сделаны попытки использовать этот показатель в целях клинической диагностики . По понятным причинам первыми объектами были цельная кровь и плазма крови больных людей . Поскольку собств енно е свечение было очень слабым и измерять его было трудно , было сделано много поп ыток усилить это свечение : к плазме крови добавляли красители , перекись водорода , ионы двухвалентного железа и т.д . [4]. Природа хим ических реакций , обусловливающих свечени е , была понятна далеко не всегда , но авторов предложений это не слишком беспоко ило : лишь бы была разница между больными и здоровыми , а еще лучше между разным и группами больных . Скорее удивительно , что при ряде патологий разница была довольно существенной . П ожалуй , наибольшее числ о публикаций в литературе посвящено свечению плазмы крови , к которой для инициирования цепного окисления липидов добавляли соли двухвалентного железа . Амплитуда сигнала хемилю минесценции хорошо коррелировала с количеством продуктов п ерекисного окисления липи дов , определяемых химическим методом , и зависе ла от липидного состава плазмы крови и концентрации в ней антиоксидантов , то есть веществ , тормозящих процессы , идущие с уч астием свободных радикалов . Во многих случая х данные таких ана лизов были признаны ценными в качестве дополнительных при по становке врачом диагноза заболевания , контроля за эффективностью лечения и прогноза течен ия болезни . Все же измерение неактивированной хемилюминесценции в широкую клиническую прак тику пока не во ш ло в отличие от хемилюминесценции в присутствии активатор ов. В присутств ии определенных соединений , обычно называемых в отечественной литературе "активаторами ", свечени е клеток и тканей может быть усилено на несколько порядков величины . Наибольшее ра спрос транение получило измерение хемилюминес ценции , связанной с выделением клетками актив ных форм кислорода (к которым относятся су пероксид , гидроксильный радикал , перекись водорода и гипохлорит ): хемилюминесценция наблюдается в присутствии активаторов люминол а и люцигенина . Активированная хемилюминесценция до вольно широко применяется в клиническом биохи мическом анализе . Активированная х емилюминесценция Собственная хемилюминесценция , сопровождающая биохимические ре акции в клетках и тканях , обладает , как пр авило , очень низкой интенсивностью и не случайно получила название "сверхслабого свечения " . Это оказалось главным и пока не преодоленным препятствием на пути к широкому использованию собственной хемилюминесценции в аналитических целях. Значительное рас пространени е получило однако измерение хемилюминесценции в присутствии определенных соединений , получивш их в отечественной литературе общее название "активаторов ", а за рубежом - "усилителей " (enhancer) хемилюминесценции . По механизму действия актив аторы р аспадаются на две четко различающиеся группы , которые можно соответственн о назвать химическими и физическими активатор ами . Химические активаторы ХЛ - это соединения , вступающие в реакции с активными формами кислорода или органическими свободными радика лами , в ходе которых образуются молекулы продуктов в возбужденном электронном состоянии. Наблюдаемое при этом hemilum связано с переходом молекул в основное состояние ., что приводит к вы свечиванию фотонов : Активатор + радикал ы ® продукт * ® продукт + ф отон Хорошо известными представителям и таких активаторов могут служить люминол (3-аминофталевый гидразид , см . Рис . 4) и люциг енин [Бис (N-метилакридиний )] Физич еские активаторы не вступают в химические реакции и не влияют на ход реакций , сопровождающихся he milumм , но тем не менее многократно усиливают интенсивность хемилюминес ценции . В основе их действия лежит физичес кий процесс процесса переноса ( миграции ) энер гии с молекулы продукта хеми люминесцентной реакции на активатор : Радикалы ® продукт * ® продукт + ф отон 1 (неактивированная ХЛ ) Продукт * + активатор ® продукт + активатор * ® фотон 2 (активированная ХЛ ) Хемилюминесцентный иммунный анализ По идеологии хемилюминесцентный иммунный анализ не отличается от радиоиммунно го , с той только разницей , что вместо радиоактивно-меченных субстратов или антите л используются субстраты и антитела ,"меченные " соединением , которое вступает в реакции , сопровождающиеся хемилюминесценцией , в присутствии перекиси водорода и катализатора (обычно эт о фермент пероксидаза ). Хем илюминесцентной меткой ( ХЛ -меткой ) ча ще всего служат низкомолекулярные соединения , по химической структуре близкие люминолу и люцигенину , такие как изолюминол , сукцинилирова нный люминол , эфиры акридиния и другие . Пр исоединение хемилюминесцентной метки прои зво дится либо к антигену , т . е . низкомолекуляр ному соединению либо к антителу на этот антиген . В первом случае метод называется CIA (Chemiluminescent Immuno Assay), во втором - ICMA (ImmunoChemiluminoMetric Assay). По русски это соответствовало бы ХИА (Хе м илюминес центный Иммунный Анализ ) и ИХМА (Иммуно-Хемилюм иноМетрический Анализ ). Оба метода направлены на определение биологически-важных низкомолекулярных соединений (н апример , гормонов ) в тех концентрациях (как правило , очень низких ), в которых они вст р ечаются в биологических объектах . При использовании метода CIA к раствору , соде ржащему интересующее нас анализируемое соединени е (обозначим его как A) добавляют определенное количество того-же , но ХЛ -меченного соединения (обозначим его как A* ) и антите ла ( анти -A ). Образуется смесь меченных и н емеченных иммунных комплексов ( A-анти -A и A*-а нти -A , соответственно ): A + A* + анти -A ® A- анти -A + A*- анти -A. Очень важно , что пропорция между меченным и немеченым иммунными комплексами зависит от того , скол ько меченного антигена мы добавили ( A* ) и сколько немеченого было в исследуемой пробе ( A ), а именно : чем больше было немеченого антигена , тем меньше доля меченных антител. Теперь остается очистить сме сь иммунных комплексов и определить количеств о A*-анти -A по хемилюминесценции . Интенсивность ХЛ будет тем меньше , чем больше было немеченых антигена A (т . е . анализируе мого вещества ) в исследуемой пробе . Чтобы анализ был количественным , предварительно строят калибровочную кривую , т . е . измеряют завис имость инте нсивности ХЛ в конечной пробе от кон центрации стандартного раствора изучаемого вещес тва A . Затем измеряют интенсивность ХЛ в растворе с неизвестной к онцентрацией антигена ( A ), повторяя те же процедуры , и по калибровочной кривой находят концентрацию A . П ри использовании метода ICMA берут избыток ХЛ -м еченного антитела ( анти -A* ) и добавляют к нему раствор с изучаемым веществом ( A ). Образуется ХЛ -меченный иммунный комплекс : A + анти - A * ® A - анти - A * Остается отделить иммунные комплексы от других участников реакции и измерить интенсивность ХЛ . В данном случае она будет тем выше , чем больше было анализируемого вещества A в пробе . Для количественного анализа и здесь пред варительно строят калибровочную кривую. В обоих методах одна из практических трудностей - это очистка иммунных комплексов . Она решается также методами имм унохимии . Детали этой техники мы здесь рас сматривать не будем , но один из подходов заключается , например , в использовании порошк а сорбента (см . Рис . 6 В ), к поверхности к оторого "пришиты " (т . е . присоединены ковал ентной химической связью ) антитела к анти-А (назовем их анти-анти-А ). В присутст вии растворенных комплексов ( А-а нти-А и /или А *-анти-А ) образуется трой ной комплекс ("сандвич "): ( анти- анти-А )-( анти-А )-А и /или ( ант и-анти-А )-( анти-А )- А * . Адсорбент можно осадить и затем оп ределить в осадке (после дополнительных обраб оток ) количество меченного антигена . Биолюминесценция Биолюминесценция - (БЛ ) - это hemilum живых организмов , види мое простым глазом . Способностью к БЛ обладают организмы , принадлежащие к самым разным системати ческим группам : бактериям , грибам , моллюскам , на секомым . Механизм реакций , сопровождающихся hemilumм , весьма различен у разных видов ; однако обычно включает в себя химическое превращение определенного низкомолекуляр н ого суб страта , называемого люциферином , катализируемое фе рментом , называемым люциферазой . С развитием техники измерения очень слабых световых потоков стало ясно , что свечение при химич еских реакциях ( хемилюминесценция ) - не такая уж экзотика . Слабое свече ние сопровождает по существу все хими ческие реакции , идущие с участием свободных радикалов . Собственное свечение животных клеток и тканей обусловлено преимущественно реакция ми цепного окисления липидов и реакциями , сопровождающими взаимодействие окиси азо т а и супероксидного радикала . Известное с древних времен ви димое простым глазом свечение некоторых орган измов , например светляка , которое называют био люминесценцией , также нашло широкое применение в клинических анализах и медико-биологических научных иссле дованиях . Биолюминесценция светляка Всем известное hemilum светлячков прои сходит в результате биохимической реакции оки сления светлячкового люциферина кислородом возду ха в присутствии аденозинтрифосфорной кислоты ( ATP ): E + LH 2 + ATP ® E-LH 2 -AMP + PP E-LH2-AMP P*-E-AMP ® E + P + AMP + фотон Здесь AMP - аденозинмонофосфат , PP - пирофосфат , E - люцифераза , LH 2 - люциферин , P* и P - продукт реакции ( оксилюциферин ) в возбужденном и основном сост ояниях , соответственно. В отсутствие АТФ биолюминесцен ция не наблюдается ; на этом основан один из самых чувствительных методов анализа АТФ в различных объектах . Для определения содержания АТФ смотрят хемилюмине сценцию в изучаемом растворе , к которому д обавляют смесь люциферина и люциферазы , выдел енных из свет лячков либо полученных с интетически и методом генной инженерии. Удается определять содержание АТФ в образце от 10 -17 моля и выше. Поскольку биосинтез АТФ — показатель нормал ьной жизнедеятельности клеток , люциферин — люцифераза светляка испол ьзуют дл я обнаружения бактериального заражения в како й-либо среде , оценки жизнеспособности эритроцитов при консервировании крови , изучения действия на микроорганизмы антибиотиков и т В последнее время используют препараты иммобилиз ованной люциферазы (т . е. фермента , молеку лы которого химически связаны с полимерной пленкой ), стабильность которой выше ; такой п репарат можно использовать многократно . Биолюминесценция с ветящихся бактерий К числу светящихся относится немного видов бактерий . Хемилюминесцентна я реакция , непосредственно сопровождаемая hemilumм , катализируется ферментом — бактериальной люциферазой и включает в себя процессы окисления восстановленного флавинмононуклеотида ФМН-Н 2 до ФМН и одновременно - алифатического (С 14) альдегида до миристинов о й (С 14) кислоты В последние годы получают все большее распространение биохимическ ие анализы , в которых в качестве тест-объе кта используют целые бактериальные клетки (в суспензии ), экстракты светящихся бактерий , изо лированный фермент - люциферазу . Пре жде всего , измерение биолюминесце нции бактерий можно использовать для определе ния низких концентраций кислорода . Дело в том , что в отсутствие кислорода фотобактерии не обладают hemilumм , hemilum усиливается пропорциональн о концентрации кислорода в среде в интервале концентраций О 2 от 2• 10 -8 до 5• 10 -6 моль /л. Можно использовать светящиеся бактерии и в качестве "лабораторного животного ", т . е . живых организмов , на которых изучают , к примеру , действие различных токсических веществ . Светящиеся бактерии весьм а чувствительн ы к примесям токсических веществ в воде , и измерение биолюминесценции можно использоват ь для оценки загрязнения воды токсическими соединениями , скажем ионами тяжелых металлов. С другой стороны , hemilum бактерий можно и спользовать для предв арительной оценки эф фективности новых антибиотиков . Но наиболее п ерспективно , несомненно , применение очищенных преп аратов бактериальной люциферазы . Фермент , очищенны й от примесей низкомолекулярных соединений , о бладает способностью к излучению света лишь в присутствии всех трех субстрато в : кислорода , ФМН-Н 2 и длинноцепочечного альдегида (с длиной цепи не менее 8 углеродных атомов ). Д обавив к изолированной бактериальной люциферазе ФМН-Н 2 , исс ледователь получает высокочувствительную систему для определения али фатических альдегидов ; к их числу принадлежат , в частности , полов ые гормоны насекомых , феромоны , которые обнару живаются в количестве 10 -14 моль , что позволяет изучать м етаболизм этих веществ у одной особи. Биолюминесценция медузы Aequorea В последнее в ремя для обнаружения малых количеств ионов кальция широко используется хемилюминесценция белка , выде ленного из медузы Aequorea . Этот фотопротеин , называемый акворино м , содержит в себе ковалентно связанный лю циферин , который в присутствии ионов Са 2+ подверг ается химическим превращениям с образованием проду кта в возбужденном электронном состоянии . Всл едствие малой инерционности и высокой чувстви тельности биолюминесцентный метод весьма эффекти вен при изучении высвобождения и связывания Са 2+ в б иологических сис темах , например , во время мышечного сокращения . При этом экворин до бавляют прямо к изучаемому объекту и по интенсивности биолюминесценции следят за динам икой изменения содержания свободного кальция . Заключение Подобно многим другим разделам науки , хемилюм инесценция и биолюминесцен ция вначале были объектом исследования , а потом стали методом исследования других объек тов . На сегодняшний день химические и физи ческие явления , лежащие в основе чудесного превращения энергии биохимических реакций в световое излу ч ение , в основном расшифрованы. Началось более или менее широкое использование хеми - и биолюминесценции в биохимических лабораторных и клинических исследованиях . Создаются серийные приборы - хеми люминометры и биолюминометры , выпускаются наборы реактивов для анализа определенных ант игенов , антител и ферментов в крови больны х и в других биологических жидкостях . Веде тся поиск новых соединений , обладающих способ ностью вступать в химические реакции , сопрово ждающиеся hemilumм , с химически-активными продуктами жиз н едеятельности живых клеток , так ими как свободные радикалы и пероксиды (хи мические активаторы ХЛ ), равно как и веществ , усиливающих квантовый выход хемилюминесценции (физические активаторы ХЛ ). Одновреме нно с этим расширяется применение в анали тичес ких целей методов биолюминесценции . Прогресс органической химии , молекулярной биологи и и биотехнологии избавил нас от необходи мости путешествовать на юг , чтобы ловить п о ночам светляков , или охотиться в океане за медузами , чтобы выделить из живых существ ф ермент люциферазу и субстр ат биолюминесцентных реакций - люциферин : люциферин ы научились синтезировать , а многие люцифераз ы можно получить сейчас методами генной и нженерии . Короче говоря , применение методов хе ми - и биолюминесценции безусловно поможет про л и ть свет на многие загадки , е ще не решенные учеными .
© Рефератбанк, 2002 - 2024