Конформационные состояния макромолекул также могут отличаться и структурой своего водного окружения. В физическом смысле такие системы имеют жидкокристаллическую структуру, характеризующуюся широким спектром метастабильных состояний, различающихся между собой конформациями биомакромолекул и связанных с ними гидратными оболочками. Поэтому действие лазерного излучения на биосистему связывается с фотоинициацией микроструктурных перестроек в таких жидких биосредах [1,8], механизм которых описывается как электронно-конформационное взаимодействие [6]. В этом случае механизм воздействия лазерного излучения можно трактовать как состоящий из первичной фотохимической реакции с переносом электрона [9] в макромолекуле с последующим конформационным изменением ассоциата, состоящего из макромолекулы и ее гидратного окружения. Другим названием комплекса таких явлений и их последствий можно считать синдром структурной альтерации биологических жидкостей, под которым понимается "трансформация структуры тканей и жидких сред организма, устойчивые структурные изменения биожидкости, проявляющиеся как локально, в области воздействия лазерного излучения, так и в биожидкостях, не подвергающихся прямому облучению" [10].

конформационное состояние ассоциата, состоящего из одной или нескольких биомакромолекул в сочетании с взаимосвязанными с ними молекулами воды. Отметим, что определение такого ассоциата, сохраняющего на микроуровне свойства целостного организма и являющегося в этом смысле "истинной молекулой" или '"квазичастицей" всей биологической системы, является нетривиальной физической проблемой. Свойства и параметры такого ассоциата определяются, в частности, и окружением биосистемы (граничными условиями рассматриваемой задачи), что подтверждается и различием результатов экспериментов, проводимых в условиях in vivo и in vitro.

Рассмотрим некоторую систему N_Σ биологических ассоциатов

макромолекул, находящуюся в термостате с температурой Т, определяемом окружающей средой ("организмом" см. ниже). Предположим, что выделенной системе ассоциатов отвечает G их различных конформеров (стериоизомеров) [11,12]. Для каждого конфор-мационного состояния характерен свой дискретный спектр {Ф _{g k}}

невозмущенных электронных энергетических состояний, который при комнатной температуре (Т = 300 К° ) оказывается не заполненным (рис.1). Первые узкополосные энергетические уровни Ф _{g 1}

конформеров (g = 1,2, ... G) соответствуют возбуждению "обобществленных" электронов (например, π-электронов), циркулирующих по макромолекулам, и практически равномерно распределены в диапазоне возбуждения ΔФ_G (с эквивалентным диапазоном длин волн Δλ @ 100-2000 нм), включающем оптический (400 -700 нм) и ближний инфракрасный (700 - 1500 нм) диапазоны длин волн. Ширина уровней электронных возбуждений δФ _g соответствует энергетической ширине ΔV _g полосы колебательно-вращательных возбуждений и определяется температурой термостата δФ _g @ ΔV _g @ kT ( где k -постоянная Больцмана). Равновесное распределение числа N _g ⁰ конформеров (Σ _g N _g ⁰ =N_Σ ) определяется их колебательно-вращательными энергиями {V _g} и равновес-

ными вероятностями W _{g r}⁰ конформационных переходов, определяемыми типами ассоциатов макромолекул и внешними условиями. В равновесном состоянии должно выполняться условие баланса

Σ_rN _g ⁰W _{g r}⁰ = Σ _g N_r⁰W_{r g} ⁰ излучательных конформационных переходов.

Равновесная плотность n _g ⁰ = N _g ⁰ / Σ _g N _g ⁰ распределения кон-

формеров является важной характеристикой рассматриваемой биологической системы, определяющей ее способность к различным биохимическим реакциям. Другими важнейшими характеристиками данной системы являются абсолютные значения спонтанных электрических дипольных моментов d _g ⁰ макромолекул для каждого

конформера (g = 1,2, ... G). Хотя векторы спонтанных электрических дипольных моментов индивидуальных макромолекул (или же их компонентов) расположены хаотически так, что средняя поляризация системы равна нулю, величины отличных от нуля спонтанных дипольных моментов d _g ⁰ определяют энергии (-d _g ⁰ Е_q , q = 1,2,

... Q, где Q - количество типов клеток) их взаимодействий с электрическими полями E_q клеточных К⁺ - Na^- насосов" и, следовательно, мембранную активность клеток, являющихся "организмом" рассматриваемой системы и задающих ее внешние условия термо-статирования. Такие условия, задаваемые при синтезе молекул клетками, влияют на количество G типов конформеров ассоциатов молекул, их строение и параметры.

При конформационных переходах наиболее простой путь удовлетворения рассмотренного выше условия баланса безизлучательных переходов заключается в детальном равновесии, при котором N _g ⁰ W _{g r}⁰ = N_r⁰ W_{r g} ⁰ (r,g = 1,2, ... G). Переход из состояния "g" в состояние "r" осуществляется через некоторое неравновесное конформационное состояние (отличающееся от исходного на величину Δ F _{g r}^≠- свободной энергии) с вероятностью W _{g r}⁰ @ exp(-ΔF _g ^≠ /kT) [12]. Вероятность обратного перехода (из "r" в "g") W_{r g} ⁰ @ exp(-ΔF^≠ /kT). В общем случае ΔF _{g r}^≠≠ F_{r g} ^≠ , следовательно, N _g ⁰ /N_r⁰ = W_{r g} ⁰ /W _{g r}⁰ =

=exp{- (ΔF_{r g} ^≠-ΔF _g ^≠)/kT}.

выше основных характеристик системы ассоциатов макромолекул а следовательно, и связанных с ними биомолекулярных процессом возможно произвести двумя путями. Первый путь связан с повы-шением температуры термостата в пределах, ограниченных тем-пературой диссоциации молекул. Свободная энергия F молекуз определяется через их среднюю электронно-колебательно вращательную энергию <U> = <Ф> + <V> и энтропию ℑ как:

F = <U> - Тℑ. При росте температуры <Ф> практически не изме-няется (т.к. kT << Ф _{g 1} для любого g), a <U _g > = <V _g > = kT. В

результате N _g ⁰ /N_r⁰ = W_{r g} ⁰/W _{g r}⁰ = exp{-(Δℑ^≠_{r g} - Δℑ^≠ _{g r})/k} = const и

Второй путь связан с одновременным возбуждением электронных состояний {Ф _g} всех конформеров (g = 1,2, ... G) в полосе ΔФ_G . Это достигается использованием обычных нелазерных широкополосных источников света. Однако при этом за счет механизма безизлучательной релаксации возбуждения электронных состояний в возбуждения колебательно-вращательных состояний происходит увеличение температуры термостата, что приводит к рассмотренной выше ситуации. В то же время за счет возмущения электронных состояний должны изменяться и электрические дипольные моменты молекул.

Временная зависимость среднего значения L(t) любой физической величины, описываемой оператором и связанной с электронными состояниями молекул рассматриваемой системы, находящихся в "g" -ом конформационном состоянии (g = l, 2, . . G), задается уравнениями [13,14]:

L_km - матричные элементы оператора физической величины L;

S_gk - матричные элементы статистического оператора плот-

Sp - обозначение суммы диагональных элементов, Sp{} = ;

L_g⁰ - среднее значение физической величины в равновесном состоянии в отсутствии возмущения, L_g⁰ = ;

- гамильтониан системы молекул в невозмущенном cостоянии,

имеющий диагональную матричную форму Ф_gkm δ_km, (где δ_kk = 1,

δ_km=0,если k≠m);

- оператор энергии взаимодействия между молекулой и лазерным светом;

[] - обозначение коммутатора;

ω_gkm - частоты переходов между стационарными энергетическими уровнями электронного возбуждения молекул,

ω_gkm = (Ф_gmm-Ф_gkk)/ћ;

τ_g1 - время спин-решеточной (продольной) релаксации электронных

τ_g2 - время спин-спиновой релаксации электронных возмущений g-конформеров;

Как известно, в равновесном состоянии статистический оператор плотности, молекулярной системы описывается диагональными элементами , распределенными по закону Больцмана

S⁰_gkk = ехр(-Ф_gkk/kT). В дальнейшем будем считать, что τ_g1 >> τ_g2 для любого g-конформера.

Будем рассматривать гамильтониан возмущения молекул системы лазерным светом в приближении дипольного взаимодействия , где E_α (α=x,y) κомпоненты вектора электрической напряженности поля в воздухе, a d_{g α} оператор

электрического дипольного момента всех переходов молекул g-кон-

формера в возбужденные электронные состояния, описываемый эрмитовой матрицей d_{q m α} (d_{g m α} = d*_{q n α}). Поправочный коэффициент Лоренца χ= [(ε/ ε₀ )+2]/3 учитывает действие на молекулы локального поля в условиях окружения с диэлектрической проницаемостью е. Например, если молекулы находятся в водной среде (ε = 81), то локальное поле значительно отличается от внешнего поля излучения лазера.

Первое уравнение в (4.2) описывает неравновесное изменение спонтанного электрического дипольного момента молекул g-конформера за счет изменения вероятностей заселенности уровней электронных возбуждений. Заметим, что данное изменение возможно лишь при условии различия диагональных матричных элементов оператора электрического дипольного момента молекул.

При решении последнего уравнения из (4.2) обычно принимают, что Е_α = [E_0α ехр (1 ω t) + Е₀^*_a exp (-i ω t )] /2, где Е_0α -

стационарная амплитуда лазерного света, а ω - его частота. Тогда в предположении близости частоты поля частотам возбуждения электронных уровней ω@ ω_gkm (условие резонанса) получим:

первого электронного уровня. Учитывая также, что S⁰_g00>>S⁰_g11

Из (4.4) следует, что возбуждения первых электронных уровней и возмущения спонтанных дипольных моментов в каждом из g-конформеров (g = 1, 2, ... G) связаны с тензором (d_g01)_α (d^*_g01)_β

физических величин через величину мощности P=(εε₀)^/2cE^*₀E₀

лазерного света, переносимую через единицу площади, и абсолютную величину d_{g 01} Дипольного момента молекул:

Например, для излучения Не - Ne лазера с мощностью 1 мвт/см и при водном окружении молекул с τ_g2@ 10^-6 сек,

t _g1=10^-5 сек, d_g01 =2 дебай, получим относительные изменения

2.Палеев Н.Р., Карандашов В.И., Коган Л.М., Зродников B.C., Петухов Е.Б. Использование высокоэффективных полупроводниковых излучающих диодов в фототерапевтической аппаратуре // Lazer Market, 1995. № 2-3. С.38-39.

10. Лисиенко В.И. Структурная альтерация биологических жидкостей - основа клинического применения лазера в практике лечения хирургических больных // Laser Market. 1995. № 2-3 С 9-12