Свечение сопровождающее биологические реакции

ДОКЛАД

Энергично протекающие химические реакции сопровождаются, как правило, выделением энергии в форме тепла; существуют, однако такие реакции, которые сопровождаются излучением света. Свечение, сопровождающее химические реакции, называется хемилюминесценцией (ХЛ).   

Хемилюминесценция (ХЛ) - свечение, сопровождающее химические реакции. 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. В последнее время все больший интерес привлекает собственное ("сверхслабое") свечение клеток и тканей животных и человека, которое 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.

Молекулярный механизм хемилюминесценции

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

Рис. 2. Хемилюминесценция при рекомбинации катион - и анион-радикалов полициклических углеводородов. 1 - Между электродами, опущенными в раствор органического электролита, прикладывают разность потенциалов. С катода электроны захватываются молекулами и образуются анион-радикалы. На аноде электроны отрываются от молекул и образуются катион-радикалы.2 - 5 - При взаимодействии катион-радикала и анион-радикала в результате их столкновения (2) электрон переходит с катион-радикала на анион-радикал (3). Однако при этом есть вероятность того, что он окажется не на самом нижнем электронном уровне, а на более высоком. Образуется возбужденная молекула углеводорода (красный кружок на схеме 4). При переходе электрона на более низкий уровень происходит высвечивание кванта света (5). Схема электронных уровней в радикалах и молекулах продуктов реакции дана на рис. 3.

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 (заряженные положительно, см. рис. 2, вверху). Если теперь раствор перемешать, катион-радикалы будут взаимодействовать с анион-радикалами (рис. 2, внизу); 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).

На рис. 3 показаны верхние электронные энергетические уровни в реагирующих радикалах и продуктах их взаимодействия. В молекулах на верхнем заполненном электронном уровне электроны расположены попарно (рис. 3, 1). У катион-радикала на верхнем уровне остается только один, неспаренный электрон. У анион радикала появляется неспаренный электрон на следующем (расположенном выше) энергетическом уровне (рис. 3, 2).

Рис. 3. Схема электронных энергетических уровней участников 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 катион-радикал; 5 - перенос электрона в электронно-возбужденной молекуле продукта реакции, который сопровождается высвечиванием кванта света хемилюминесценции.

При взаимодействии радикалов (имеющих противоположный заряд и потому притягивающихся друг к другу) произойти перенос электрона может произойти таким образом, что два электрона окажутся на разных уровнях (рис. 3, 4). 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 (рис. 3, 5).

Мы видим, что 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 электронно-возбужденном 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 .

 

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.

В настояще время слабое свечение удается изучать не только с растворах или суспензиях клеток, но и на целых органах в составе организма например, печени или легкого.

Таким способом было показано, что 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.

В последнее время все больший интерес привлекает собственное ("сверхслабое") свечение клеток и тканей животных и человека, которое 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.

Почему оно "сверхслабое", это свечение клеток и тканей?

Чем же объясняется низкая интенсивность хемилюминесценции, сопровождающей реакции свободных радикалов?

Причин целых три. Во-первых, сама концентрация радикалов в биологических системах очень мала из-за их высокой химической активности, поэтому малы и скорости реакций, сопровождающихся свечением. Во-вторых, не всякое химическое взаимодействие радикалов непременно приводит к образованию электронно-возбужденных молекул продуктов реакции, как это изображено на рис. 3 (4). Напротив, в подавляющем большинстве окислительно-восстановительных взаимодействий между молекулами или радикалами электрон переносится не на уровень возбужденного состояния, я на самый нижний свободный уровень, и последующего высвечивания кванта не происходит. В третьих, даже если и образовалась возбужденная молекула продукта, вероятность того, что высветится квант, а не произойдет растраты энергии в тепло, тоже обычно очень мала.

Две последние причины приводят к тому, что квантовый выход хемилюминесценции в случае, скажем, реакции двух перекисных радикалов составляет всего 10^-8-10^-10. Это происходит потому, что квантовый выход образования возбужденных молекул продукта

равен всего 10^-4-10^-5, а квантовый выход люминесценции продукта

составляет для кетонов, образующихся при взаимодействии перекисных радикалов, в свою очередь, тоже около 10^-4- 10 ^{- 5}.

Вот и выходит, что общий квантовый выход хемилюминесценции составляет всего-навсего 10^-8-10^-10.

Применение собственной (неактивированной) хемилюминесценции.

Почти сразу после того, как появились первые работы по собственной хемилюминесценции 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 собственное свечение было очень слабым и измерять его было трудно, было сделано много попыток усилить это свечение: к плазме крови добавляли красители, перекись водорода, ионы двухвалентного железа и т.д. [4]. Природа химических реакций, обусловливающих свечение, была понятна далеко не всегда, но авторов предложений это не слишком беспокоило: лишь бы была разница между больными и здоровыми, а еще лучше между разными группами больных. Скорее удивительно, что при ряде патологий разница была довольно существенной. Пожалуй, наибольшее число публикаций в литературе посвящено свечению плазмы крови, к которой для инициирования цепного окисления липидов добавляли соли двухвалентного железа. Амплитуда сигнала хемилюминесценции хорошо коррелировала с количеством продуктов перекисного окисления липидов, определяемых химическим методом, и зависела от липидного состава плазмы крови и концентрации в ней антиоксидантов, то есть веществ, тормозящих процессы, идущие с участием

свободных радикалов. Во многих случаях данные таких анализов были признаны ценными в качестве дополнительных при постановке врачом диагноза заболевания, контроля за эффективностью лечения и прогноза течения болезни. Все же измерение неактивированной хемилюминесценции в широкую клиническую практику пока не вошло в отличие от хемилюминесценции в присутствии активаторов.

В присутствии определенных соединений, обычно называемых в отечественной литературе "активаторами", свечение клеток и тканей может быть усилено на несколько порядков величины. Наибольшее распространение получило измерение хемилюминесценции, связанной с выделением клетками активных форм кислорода (к которым относятся супероксид, гидроксильный радикал, перекись водорода и гипохлорит): хемилюминесценция наблюдается в присутствии активаторов люминола и люцигенина. Активированная хемилюминесценция довольно широко применяется в клиническом биохимическом анализе.

Активированная хемилюминесценция

  Собственная хемилюминесценция, сопровождающая биохимические реакции в клетках и тканях, обладает, как правило, 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 распространение получило однако измерение хемилюминесценции в присутствии определенных соединений, получивших в отечественной литературе общее название "активаторов", а за рубежом - "усилителей" (enhancer) хемилюминесценции. По механизму действия активаторы распадаются на две четко различающиеся группы, которые можно соответственно назвать химическими и физическими активаторами .

  Химические активаторы ХЛ - это соединения, вступающие в реакции с активными формами кислорода или органическими свободными радикалами, в ходе которых образуются молекулы продуктов в возбужденном электронном состоянии.

Наблюдаемое при этом hemilum связано с переходом молекул в основное состояние., что приводит к высвечиванию фотонов:

Активатор + радикалы ® продукт* ® продукт + фотон

  Хорошо известными представителями таких активаторов могут служить люминол (3-аминофталевый гидразид, см. Рис. 4) и люцигенин [Бис(N-метилакридиний)]  Физические активаторы не вступают в химические реакции и не влияют на ход реакций, сопровождающихся hemilumм, но тем не менее многократно усиливают интенсивность хемилюминесценции. В основе их действия лежит физический процесс процесса переноса (миграции) энергии с молекулы продукта хемилюминесцентной реакции на активатор:

Радикалы ® продукт* ® продукт + фотон 1 (неактивированная ХЛ)

Продукт* + активатор ® продукт + активатор* ® фотон 2 (активированная ХЛ)

 

Хемилюминесцентный иммунный анализ

  По идеологии хемилюминесцентный иммунный анализ не отличается от радиоиммунного, с той только разницей, что вместо радиоактивно-меченных субстратов или антител используются субстраты и антитела,"меченные" соединением, которое вступает в реакции, сопровождающиеся хемилюминесценцией, в присутствии перекиси водорода и катализатора (обычно это фермент пероксидаза).

  Хемилюминесцентной меткой (ХЛ-меткой) чаще всего служат низкомолекулярные соединения, по химической структуре близкие люминолу и люцигенину, такие как изолюминол, сукцинилированный люминол, эфиры акридиния и другие. Присоединение хемилюминесцентной метки производится либо к антигену, т. е. низкомолекулярному 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 (Хемилюминесцентный Иммунный Анализ) и ИХМА (Иммуно-ХемилюминоМетрический Анализ).

  Оба метода направлены на определение биологически-важных низкомолекулярных соединений (например, гормонов) в тех концентрациях (как правило, очень низких), в которых они встречаются в биологических объектах.

  При использовании метода CIA к раствору, содержащему интересующее нас анализируемое соединение (обозначим его как A) добавляют определенное количество того-же, но ХЛ-меченного соединения (обозначим его как A*) и антитела (анти-A). Образуется смесь меченных и немеченных иммунных комплексов (A-анти-A и A*-анти-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, сколько 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 смесь иммунных комплексов и определить количество A*-анти-A по хемилюминесценции. Интенсивность ХЛ будет тем меньше, чем больше было немеченых антигена A (т. е. анализируемого вещества) в исследуемой пробе. Чтобы анализ был количественным, предварительно строят калибровочную кривую, т. е. измеряют зависимость интенсивности ХЛ в конечной пробе от концентрации стандартного раствора изучаемого вещества A. Затем измеряют интенсивность ХЛ в растворе с неизвестной концентрацией антигена (A), повторяя те же процедуры, и по калибровочной кривой находят концентрацию A.

  При использовании метода ICMA берут избыток ХЛ-меченного 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 предварительно строят калибровочную кривую.

  В обоих методах одна из практических трудностей - это очистка иммунных комплексов. Она решается также методами иммунохимии. Детали этой техники мы здесь рассматривать не будем, но один из подходов заключается, например, в использовании порошка сорбента (см. Рис. 6 В), к поверхности которого "пришиты" (т. е. присоединены ковалентной химической связью) антитела к анти-А (назовем их анти-анти-А). В присутствии растворенных комплексов (А-анти-А и/или А*-анти-А) образуется тройной комплекс ("сандвич"): (анти-анти-А)-(анти-А)-А и/или (анти-анти-А)-(анти-А)-А*. Адсорбент можно осадить и затем определить в осадке (после дополнительных обработок) количество меченного антигена.

Биолюминесценция

  Биолюминесценция - (БЛ) - это hemilum живых организмов, видимое простым глазом. Способностью к БЛ обладают организмы, принадлежащие к самым разным систематическим группам: бактериям, грибам, моллюскам, насекомым. Механизм реакций, сопровождающихся hemilumм, весьма различен у разных видов; однако обычно включает в себя химическое превращение определенного низкомолекулярного субстрата, называемого люциферином, катализируемое ферментом, называемым люциферазой.

С развитием техники измерения очень слабых световых потоков стало ясно, что свечение при химических реакциях (хемилюминесценция) - не такая уж экзотика. Слабое свечение сопровождает по существу все химические реакции, идущие с участием свободных радикалов. Собственное свечение животных клеток и тканей обусловлено преимущественно реакциями цепного окисления липидов и реакциями, сопровождающими взаимодействие окиси азота и супероксидного радикала.

Известное с древних времен видимое простым глазом свечение некоторых организмов, например светляка, которое называют биолюминесценцией, также нашло широкое применение в клинических анализах и медико-биологических научных исследованиях.

Биолюминесценция светляка

  Всем известное hemilum светлячков происходит в результате биохимической реакции окисления светлячкового люциферина кислородом воздуха в присутствии аденозинтрифосфорной кислоты (ATP):

E + LH2 + ATP ® E-LH2-AMP + PP E-LH2-AMP P*-E-AMP ® E + P + AMP + фотон

  Здесь AMP - аденозинмонофосфат, PP - пирофосфат, E - люцифераза, LH₂ - люциферин, P* и P - продукт реакции (оксилюциферин) в возбужденном и основном состояниях, соответственно.

  В отсутствие АТФ биолюминесценция не наблюдается; на этом основан один из самых чувствительных методов анализа АТФ в различных объектах. Для определения содержания АТФ смотрят хемилюминесценцию в изучаемом растворе, к которому добавляют смесь люциферина и люциферазы, выделенных из светлячков либо полученных синтетически и методом генной инженерии.

  Удается определять содержание АТФ в образце от 10^-17 моля и выше.

  Поскольку биосинтез АТФ — показатель нормальной жизнедеятельности клеток, препарат люциферин — люцифераза светляка используют для обнаружения бактериального заражения в какой-либо среде, оценки жизнеспособности эритроцитов при консервировании крови, изучения действия на микроорганизмы антибиотиков и т В последнее время используют препараты иммобилизованной люциферазы (т. е. фермента, молекулы которого химически связаны с полимерной пленкой), стабильность которой выше; такой препарат можно использовать многократно.

Биолюминесценция светящихся бактерий

  К числу светящихся относится немного видов бактерий. Хемилюминесцентная реакция, непосредственно сопровождаемая hemilumм, катализируется ферментом — бактериальной люциферазой и включает в себя процессы окисления восстановленного флавинмононуклеотида ФМН-Н2 до ФМН и одновременно - алифатического (С14) альдегида до миристиновой (С14) кислоты  В последние годы получают все большее распространение биохимические анализы, в которых в качестве тест-объекта используют целые бактериальные клетки (в суспензии), экстракты светящихся бактерий, изолированный фермент - люциферазу.

  Прежде всего, измерение биолюминесценции бактерий можно использовать для определения низких концентраций кислорода. Дело в том, что в отсутствие кислорода фотобактерии не обладают hemilumм, hemilum усиливается пропорционально концентрации кислорода в среде в интервале концентраций О₂ 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 весьма чувствительны к примесям токсических веществ в воде, и измерение биолюминесценции можно использовать для оценки загрязнения воды токсическими соединениями, скажем ионами тяжелых металлов.

  С другой стороны, hemilum бактерий можно использовать для предварительной оценки эффективности новых антибиотиков. Но наиболее перспективно, несомненно, применение очищенных препаратов бактериальной люциферазы. Фермент, очищенный от примесей низкомолекулярных соединений, обладает способностью к излучению света лишь в присутствии всех трех субстратов: кислорода, ФМН-Н₂ и длинноцепочечного альдегида (с длиной цепи не менее 8 углеродных атомов). Добавив к изолированной бактериальной люциферазе ФМН-Н₂, исследователь получает высокочувствительную систему для определения алифатических альдегидов; к их числу принадлежат, в частности, половые гормоны насекомых, феромоны, которые обнаруживаются в количестве 10^-14 моль, что позволяет изучать метаболизм этих веществ у одной особи.

Биолюминесценция медузы Aequorea

  В последнее время для обнаружения малых количеств ионов кальция широко используется хемилюминесценция белка, выделенного из медузы Aequorea. Этот фотопротеин, называемый акворином, содержит в себе ковалентно связанный люциферин, который в присутствии ионов Са²⁺ подвергается химическим превращениям с образованием продукта в возбужденном электронном состоянии. Вследствие малой инерционности и высокой чувствительности биолюминесцентный метод весьма эффективен при изучении высвобождения и связывания Са²⁺ в биологических системах, например, во время мышечного сокращения. При этом экворин добавляют прямо к изучаемому объекту и по интенсивности биолюминесценции следят за динамикой изменения содержания свободного кальция.

Заключение

Подобно многим другим разделам науки, хемилюминесценция и биолюминесценция вначале были объектом исследования, а потом стали методом исследования других объектов. На сегодняшний день химические и физические явления, лежащие в основе чудесного превращения энергии биохимических реакций в световое излучение, в основном расшифрованы.

Началось более или менее широкое использование хеми- и биолюминесценции в биохимических лабораторных и клинических исследованиях. Создаются серийные приборы - хемилюминометры и биолюминометры, выпускаются наборы реактивов для анализа определенных антигенов, антител и ферментов в крови больных и в других биологических жидкостях. Ведется поиск новых соединений, обладающих способностью вступать в химические реакции, сопровождающиеся hemilumм, с химически-активными продуктами жизнедеятельности живых клеток, такими как свободные радикалы и пероксиды (химические активаторы ХЛ), равно как и веществ, усиливающих квантовый выход хемилюминесценции (физические активаторы ХЛ).

   Одновременно с этим расширяется применение в аналитических целей методов биолюминесценции. Прогресс органической химии, молекулярной биологии и биотехнологии избавил нас от необходимости путешествовать на юг, чтобы ловить по ночам светляков, или охотиться в океане за медузами, чтобы выделить из живых существ фермент люциферазу и субстрат биолюминесцентных реакций - люциферин: люциферины научились синтезировать, а многие люциферазы можно получить сейчас методами генной инженерии. Короче говоря, применение методов хеми- и биолюминесценции безусловно поможет пролить свет на многие загадки, еще не решенные учеными.