光动力作用

光动力作用就是有机体、细胞或物质分子在敏化剂的参与下，受日光照射而发生的损伤或变化。这种作用需要有氧的参与，故是一种光敏化氧化作用，在化学上叫光敏化作用，光敏化作用也用于生物学上，但光动力作用只用于生物学上。这一现象在上世纪末和二十世纪初就已发现。Rabb(1900年)最早发现草履虫在吖啶类染料作用下可被可见光杀死，当时他就认为这是一种氧化作用。Tappeiner (1900年) 首次提出光动力作用这个名词。此后对光动力作用进行了广泛的研究，从敏化剂的激发，化学性质一直到动物受光敏化作用而损伤或致死等。近年来，特别是随着医学、工业与农业生产中应用的化学药品愈来愈多，其中有一些可能就是光动力作用的敏化剂，所以更加引人注意。
光动力作用现象 光动力作用是一种广泛的生物现象，从单细胞到多细胞，从植物到动物，从活体到离体都有此现象。从整体上来看，上一世纪就已报导有些人因对光敏感而排泄到膀胱的卟啉量异常。现已了解，人的光敏化作用可以由吸入敏化剂、皮肤接触敏化剂或注射光敏化药物引起，也可以由遗传引起。药物引起的卟啉症可排泄尿卟啉，它有显著的光敏感性，遗传病生血性原卟啉症则由另一种光敏化剂即原卟啉的不正常的聚集所引起。因为医疗实验中的许多药物都具有光敏化作用，所以常把化学药物引起的人的光敏化作用叫做 “药物光敏性”。
从细胞水平上来看，光敏化溶血作用效率很低，使血细胞产生溶血需要10¹⁰个光子。但是生血性原卟啉症病人的红细胞对光是很敏感的，在体外有氧情况下照光后则迅速溶血，因为患者细胞中含有光敏化剂原卟啉。有一种光合细菌的变种因缺乏类胡罗卜素，所以在光和氧作用下可被杀死，从其作用光谱来看与细菌叶绿素的吸收光谱相似，这说明细菌叶绿素是敏化剂。
从分子水平来看，若单独将溶菌酶与甲烯蓝放在一起照光，则酶中的色氨酸都被氧化。若将溶菌酶、核酸酶与甲烯蓝放在一起照光，则只有溶菌酶失活，核酸酶不失活，因为后者不含色氨酸与酪氨酸。敏化剂与核酸在光作用下，可使鸟嘌呤光敏化失活。对碱基的研究也发现以鸟嘌呤及其衍生物的光敏化氧化效应最大，其次是胸腺嘧啶及其衍生物，而腺嘌呤、胞嘧啶与尿嘧啶则影响不大。此外象烟草花叶病毒的RNA的感染力与细菌DNA的转移活力都会因光动力作用而丧失。
此外，还有一类染料敏化的自动氧化作用，这类反应不需要以氧为条件，严格说来，它不属于光动力作用，但也有人把它放在光动力作用的范畴内。最典型的是糠香豆素这一类物质，它们是对生物体系的一种强光敏化剂。
光动力作用的机理 光动力作用除光照外，还有三个要素：
(1) 基质： 不论是整体、细胞，还是大分子，光动力作用总需有受作用物质，这种物质就叫做基质。光照后，可使细胞内基质发生变化，从而产生一系列生化或生理的改变。在离体实验中，特别是以某些物质分子做试验时，则基质往往就是这些物质本身。光动力作用的基质也是很广泛的，它可以是正常结构中的一些主要生物物质，也可以是细胞的代谢产物，甚至是氧化产生的毒物。但是从细胞及体外实验来看，光动力作用的基质主要还是蛋白质，酶与核酸等生物大分子及其组成成分氨基酸与碱基等。氨基酸中只有色氨酸、酪氨酸、组氨酸、蛋氨酸与半胱氨酸等才是对光动力作用敏感的物质，芳香氨基酸比其他氨基酸更敏感，蛋白质的侧链特别是二硫键也是敏感的。核酸中以鸟嘌呤最敏感。
(2)敏化剂： 很多敏化剂是染料，但也有不是染料的敏化剂。敏化剂数量多达数百种，几乎所有的光敏化染料都是发荧光的，但是在光敏化作用中并没有发荧光过程，这从侧面说明敏化剂受光照射后是处于三重态。例如荧光素衍生物对胰蛋白酶的光动力失活作用的效率与敏化剂三重态形成的量子产率成正比。
(3)氧： 氧是光动力作用的必需条件，但氧化作用究竟是如何进行的，它与基质和敏化剂三者的关系究竟如何？对此提出了两种主要的机理，分别称为Ⅰ型反应与Ⅱ型反应。
Ⅰ型反应是自由基的光氧化作用：

敏化剂(S)受光照射后形成三重态，敏化剂三重态与基质A作用生成S·与A·两个自由基。 A·与分子氧作用生成氧化物A₀x, S·则进一步与分子氧作用形成敏化剂的基态与超氧阴离子自由基，这是一种可以继续起作用的活性基。例如在有黄素的条件下光照蛋氨酸，则黄素的三重态可以从蛋氨酸的硫原子上吸取一个电子，这样蛋氨酸自由基就可以进行去氨基与去羧基反应产生β-甲硫丙酸醛，黄素自由基则进一步参加一系列反应，最后回到基态，同时生成过氧化氢。在此过程中敏化剂又再生，它还可继续与另一基质起光氧化反应。
Ⅱ型反应是单线态氧的光氧化作用。这是一个能量转移过程。它是敏化剂三重态与氧分子基态（也是三重态）之间的反应：
³S+³O₂→S+¹O₂（单线态氧）
¹O₂+A→Aox
结果产生了活泼的氧的单线态（即单线态氧）。它可与许多基质结合形成完全的氧化形式。曾用过许多技术来确定敏化剂的光氧化是否通过单线态氧。由于单线态氧在重水中的寿命约为20μs，在普遍水中约为2μs，所以若一光动力作用如酶的失活，在重水中比在普通水中增强，就可证明此作用是通过单线态氧。另一种方法就是用单线态氧的陷获剂如叠氮化钠和类胡罗卜素，若反应由于加入这些陷获剂而大大降低，就证明此反应是通过单线态氧完成的。
光动力作用的意义与作用 在日常生活中，食物的光降解是人们熟知的现象。例如，橄榄油在空气中照光后就会降解，橄榄油中不饱和脂肪酸的氧化是由于油中含有微量的叶绿素敏化的结果。豆油也有类似现象，光氧化是由于单线态氧的作用。牛奶暴露在日光下，由于核黄素的敏化使蛋白质光氧化降解，蛋氨酸光氧化成蛋氨醇，使牛奶变味。啤酒暴露在日光下会产生一种 “太阳味”，所以啤酒瓶总是用棕色瓶装。食物中常含有天然的敏化剂而发生光敏化氧化作用，人工的食物色素更是如此。
从开始发现和研究光动力作用时起，它就是与动物和人的疾病有联系的。关于光动力作用与致癌作用之间的联系是长期来一直受注意的问题。早期就发现将煤焦油（沥青）涂在鼠身上并用长波紫外线照射比不涂煤焦油只受紫外线照射的鼠能更快地诱发恶变。后来了解许多致癌多环烃，用长波紫外线照射后可以发生光动力效应，如用3,4苯并芘涂在小鼠身上用长波紫外线照射可诱发皮肤癌。总之，化学致癌剂作用与光敏化效率之间有一定的相关性。关于光动力致癌作用的原因，一般认为是与光动力作用产生单线态氧的作用有关。
近来在实践中又发展起选择性的光化学治疗技术。例如血卟啉及其衍生物，常常被吸取和沉积在肿瘤组织中，对这种沉积可以选择性地敏化，使癌细胞在光照下遭到光动力作用的破坏，达到治疗的目的。又如人的牛皮癣现在就是用8-甲氧补骨脂素作为敏化剂，再照紫外线治疗的，这种光化学治疗可以改善病情，但是也要注意补骨脂素可使动物光敏化致癌。
在实验中，光动力作用可用来有选择地使细胞中某些部分受抑制或失活。一种方法是对细胞普遍染色，然后用微光束做局部照射，或者将某些细胞器分离出来，在体外研究光动力作用下的生化及结构反应。研究光敏化作用本身对于了解生物学现象具有重要意义，此外光敏化反应现已成为生物学研究中的一种重要手段。例如光敏化氧化反应已经用来研究蛋白质结构和功能的关系，以及研究溶液中蛋白质的构象变化，因为有时可以有选择地氧化某些氨基酸残基，以达到观察和研究的目的。