Лекция 11.
Фотобиологические процессы. Общие принципы и закономерности.
К фотобиологическим процессам относят те процессы, которые протекают в биологических системах под действием видимого, ультрафиолетового или инфракрасного облучения. Фотобиологические процессы свойственны всем живым организмам- от прокариот до высших организмов, в т.ч. и человека. В живой природе в ходе эволюции сформировались специальные светопоглащающие молекулы (комплексы молекул) – пигменты, роль которых связана с выполнением полезных для организма светозависимых функций. При поглощении энергии ультрафиолетового света молекулами белков и нуклеиновых кислот, в организме протекают фотобиологические процессы отрицательного характера, т.е. вредные для организма. Вредность УФ-излучения для живых организмов проявляется в повреждении структуры макромолекул. Таким образом, фотобиологические процессы по их биологическому значению можно разделить на фотофизиологические (полезные) и фотодеструктивные (вредные) процессы.
Фотофизиологические процессы обеспечивают протекание связанных со световым воздействием физиологических функций организма. В свою очередь, фотофизиологические процессы можно разделить на процессы энергозапасания, фотобиосинтетические и регуляторные процессы. В энергозапасающих процессах поглощенная энергия света превращается в иные формы свободной энергии, например, в энергию химических связей при фотосинтезе. Фотобиосинтетические процессы заключаются в образовании под действием света ряда биологически важных соединений, например, синтез молекул РНК и ДНК. В регуляторных процессах энергия поглощенных квантов используется для регуляции физиологических функций организма. В процессах энергозапасания улавливается и подвергается превращениям большое количество световой энергии. В регуляторных и фотобиосинтетических процессах небольшое количество поглощенной энергии вызывает сложную физиологическую реакцию клетки, организма. Так, для возникновения ощущения света у человека, достаточно попадания в глаза нескольких десятков квантов энергии.
Необходимо отметить, что среди фотобиологических процессов, безусловно, ведущее положение занимает фотосинтез. Запасаемая при фотосинтезе энергия солнечных лучей является основным источником энергии для всех организмов. Процесс фотосинтеза определяет облик биосферы, газовый состав атмосферы, климат, эволюцию организмов.
Результатом фотодеструктивных процессов является повреждения биологических молекул, в первую очередь, нуклеиновых кислот, белков, липидов и других соединений, имеющих в своем составе хромофорные группы. Фотодеструктивные процессы являются патологическими, т.е. приводят к возникновению мутаций, нарушению структуры и физиологических функций клеток, организма, гибели клеток и организмов.
Протекание различных фотобиологических процессов в организмах имеет общие черты и условно этот процесс можно разделить на несколько стадий. Любой фотобиологический процесс начинается с поглощения квантов света определенными молекулами-хромофорами, что приводит их в возбужденное состояние. Далее следует внутримолекулярный размен энергии – миграция электронно-возбужденного состояния по молекуле и локализация его в определенном участке молекулы. Электронно-возбужденное состояние одной молекулы может транспортироваться и на другие молекулы. В этом случае имеет место межмолекулярный перенос энергии. Поглощение энергии и внутри и/или межмолекулярный транспорт возбужденного состояния составляют фотофизическую стадию фотобиологического процесса.
Фотофизическая стадия процесса сопровождается химическими реакциями, т.е. превращениями, приводящими к возникновению первичных фотопродуктов. Первичные фотопродукты представлены нестабильными веществами и претерпевают дальнейшие превращения до образования стабильных молекул. Химические превращения веществ, индуцированные фотофизическими процессами, составляют фотохимическую стадию фотобиологического процесса. Продукты реакций, происходящих в фотохимической стадии, принимают участие в последующих биохимических и физиологических явлениях, которые определяют конечную биологическую реакцию клетки (организма) на действие света.
Необходимо отметить, что фотобиологические процессы протекают лишь при действии квантов света с определенной энергией. Энергия квантов поглощенных квантов должна быть соизмерима с энергией атомных (молекулярных) связей в хромофорной группировке. Если поглощенная энергия значительно превышает энергию связей, произойдет ионизация атома, что может привести к распаду молекулы. Если энергия поглощенного кванта существенно ниже энергии связи, то электроны не возбуждаются и фотобиологический процесс не произойдет. В поглощении энергии света биологическими молекулами в видимой и УФ части спектра, большую роль играют π-электроны, которые участвуют в образовании сопряженных связей.
Таким образом, фотобиологические процессы происходят только при поглощении света определенной длины волны.
Фотофизическая стадия. Механизмы миграции энергии электронного возбуждения.
Миграцией энергии электронного возбуждения называется процесс передачи энергии электронно-возбужденного состояния атома (участка молекулы) другому атому или молекуле. Передающая энергию молекула является донором Д, а воспринимающая –акцептором А. Миграцию энергии электронно-возбужденного состояния можно схематично описать так:
Д + hv→ Д*; Д* + А → А* + Д
Известны несколько механизмов межмолекулярной миграции энергии.
1. Реабсорбция – процесс заключается в том, что молекулы А поглощают кванты света, излучаемые возбужденными молекулами. По такому механизму энергия может передаваться на большие расстояния (на расстоянии нескольких радиусов молекул). Однако, эффективность процесса реабсорбции очень низкая, т.к. большая часть энергии теряется ( рассеивается в виде тепла).
2. Обменно-резонансная миграция энергии осуществляется при перекрывании электронных орбиталей донора и акцептора. Донор и акцептор обмениваются электронами, т.е. акцептор получает возбужденный электрон. Этот механизм позволяет передавать энергию только на короткие расстояния, примерно равным радиусу атома (1- 2 А). В основном, па такому механизму происходит триплет-триплетный перенос энергии электронного возбуждения.
3. При индуктивно-резонансном механизме передачи, миграция энергии осуществляется на более длинные расстояния ( до 10 нм). В этом случае имеет место резонансное взаимодействие возбужденной и невозбужденной молекулы. Возбуждение молекулы акцептора происходит в результате совпадения частот его колебаний с молекулярными колебаниями донора. По-другому, передача энергии происходит в результате диполь-дипольных взаимодействий. По такому механизму могут происходить синглет-синглетные и триплет-триплетные взаимодействия возбужденных и невозбужденных электронов.
4. Эксистонная миграция энергии возбужденной молекулы имеет место в кристаллических структурах. Появление возбужденных электронов в кристаллической структуре изменяет его характеристики, что в свою очередь вызывает возбуждение большого количества (1000 и больше) атомов и молекул. Возбуждение большого количества молекул осуществляется за счет появления и очень быстрой миграции особой квазичастицы – эксистона. Время скачка эксистона (10-13 с) в несколько тысяч раз меньше времени сохранения возбужденного состояния молекулы (10-9 с). За это время эксистон успевает совершить несколько тысяч скачков, в результате чего энергия (возбужденный электрон) передается на расстояния тысячи и более молекулярных диаметров.
Фотохимическая стадия. Общая характеристика фотохимических процессов.
Молекула при поглощении энергии кванта возбуждается, т.е. приобретает дополнительную энергию, что придает ей повышенную химическую активность. Благодаря этому, свет индуцирует реакции, которые в темноте не происходят - фотохимические реакции. Фотохимическая активация характеризуется высокой специфичностью (селективностью), так как квант света активирует отдельную связь или атомную группировку, поглощающие свет определенной длины волны. Область науки, изучающей фотохимические превращения, называется фотохимией. Протекание фотохимических реакций подчинено определенным закономерностям (принципам), которых принято называть законами фотохимии.
Фотохимические изменения происходят под влиянием света, поглощаемого химической системой.
Каждый поглощенный квант света в первичном акте способен активировать только одну молекулу. Это принцип носит название закона фотохимической эквивалентности.
При поглощении кванта света органической молекулой наиболее вероятно возникновение самого нижнего возбужденного синглетного или триплетного состояния.
В большинстве случаев в растворах органических соединений фотохимические реакции происходят с участием электронов самого нижнего возбужденного синглетного и триплетного уровней.
В качестве единицы измерения энергии в фотохимии используют Эйнштейн (Эйн). 1 Эйнштейн энергии соответствует суммарной энергии количества квантов, численно равному числу молекул в одном моле вещества (6 1023). В соответствии с законом фотохимической эквивалентности, при поглощении энергии 1 Эйн энергии света, фотохимическому превращению подвергается 1 моль вещества. Абсолютное значение (в Дж) 1 Эйн энергии зависит от длины волны (частоты ) световой волны.
1 Эйн = Nh v c = Nh c/ = 0,119 v
где N - число Авагадро (6 1023), h – постоянная Планка, v – частота, c - скорость света в вакууме, - длина волны.
Эффективность фотохимической реакции характеризуется квантовым выходом реакции, показывающим, сколько молекул вещества подвергается превращению в расчете на один поглощенный квант света.
Ф = число превращенных молекул/ число поглощенных квантов
Численное значение квантового выхода фотохимических реакций может варьировать в широких пределах. При одностадийных процессах, когда значительная часть возбужденных молекул дезактивируется, значения Ф очень маленькие. В случае многоступенчатых цепных реакций, когда первичная фотохимическая реакция индуцирует цепь последовательных реакций, суммарный квантовый выход их может достигать больших величин ( 1000 и более).
Как известно, скорость дезактивации возбужденного состояния атомов и молекул значительно выше скорости протекания большинства химических реакций в обычных условиях. Поэтому первичные реакции возбужденных молекул должны проходит с высокими скоростями, сравнимыми со скоростью дезактивации возбужденного состояния. Первичные фотохимические реакции представляют собой перестройки структуры возбужденных молекул, в результате происходит либо фотодиссоциация, либо фотоионизация.
(А+В) (А+В) А +В
Свет также может индуцировать перегруппировки в возбужденной молекуле. К этому типу реакций относятся фотоизомеризация и фототаутоизомеризация. В первом случае энергия кванта расходуется на поворот химических связей, во втором- на внутримолекулярный перемещение атома водорода. К первичным фотохимическим реакциям относятся также реакции присоединения и переноса электрона: фотовосстановление и фотоокисление. Перечисленные типы первичных фотохимических реакций играют основную роль в фотобиологических процессах.
Первичные фотопродукты претерпевают дальнейшие превращения. Так, возбужденная молекула с присоединенным электроном может реагировать с невозбужденной молекулой этого же типа с образованием фотодимера (реакция фотодимеризации). Если соединяются две разные молекулы, то говорят о возникновении эксиплекса. Присоединение кислорода к возбужденной молекуле приводит к образованию фотооксида. При взаимодействии фотовозбужденной молекулы с молекулой воды происходит фотогидролиз. Существует еще один тип первичных фотохимических реакций - реакции фотосенсибилизации. Это окислительно-восстановительные реакции с участием фотоактивированных молекул, которые играют роль промежуточных переносчиков электронов от неактивированного донора к неактивированному акцептору. Сами промежуточные переносчики –фотосенсибилизаторы - остаются при этом низменными.
Фоторегуляторные процессы.
В живых организмах функционируют специфические фоторегуляторные системы, регулирующие многие процессы. У микроорганизмов эти молекулы ответственные за процесс фототаксиса. В качестве примера таких систем у животных можно привести работу органа зрения, систему синтеза витамина D в коже человека. Многие физиологические процессы в онтогенезе растительных организмов регулируются светом. Это и индукция прорастания семян, регуляция органогенеза, индукция цветения, синтез молекул хлорофилла, синтез молекул нуклеиновых кислот, различные типы светозависимых настий ( фотопериодизм, фототропизм), трансмембранный транспорт ионов и другие. Как известно, все фоторегуляторные процессы протекают с участием специальных хромофорных группировок (пигментов), которые способны улавливать энергию квантов света определенной длины волны, что запускает протекание определенного физиологического процесса. Все известные фоторегуляторные пигменты являются хромопротеинами, т.е. состоят из белковой части и хромофорной группы. В частности, зрительный пигмент родопсин состоит из белка опсина и хромофорной группы – ретиналя.
Рассмотрим протекание фоторегуляторных процессов на примере растений. Пигменты-сенсибилизаторы большинства фоторегуляторных процессов пока не идентифицированы, и об их химической природе можно судить только по спектрам проявления фотобиологических эффектов. В настоящее время у растений обнаружен только один тип регуляторных молекул, которые принимают участие в известных фоторегуляторных процессах. Впервые этот пигмент был обнаружен в 1959 году и назван фитохромом. Фитохром представляет собой хромопротеин с М 124 кДа: хромофорная часть его представлена линейной тетрапиролльной группой (билитриеном), которая через SH- группу и кислород связана с молекулой белка (рис.1).
Молекула фитохрома обладает двумя максимумами поглощения света: при длинах волн 660 нм и 730 нм. Смысл регуляции заключается в том, что светозависимые реакции индуцируется светом с λ = 660 нм, а прекращаются при действии света с λ = 730 нм.
Рис. 1. Хромофорная группа молекулы фитохрома(Костюк, 374 с)
При поглощении света происходит изомеризация хромофорной части фитохрома, которая заключается в вращении четвертой пиррольной группировки вокруг одиночной метиновой связи у углеродного атома С15. соответственно, хромофор фитохрома может находиться в двух конформационных состояниях: в спирально свернутом порфириноподобном виде (син-антиконформер) или в развернутом, линейном виде (Z-E- изомер). Изомеризация пигмента сопровождается соответствующим изменением белковой части молекулы- апопротеина. При поглощении света с = 660 нм фитохромом происходит его Z-E изомеризация и превращение в форму с максимумом поглощения при = 730 нм: Ф660 Ф730. Освещение квантами с = 730 нм, приводит к появлению син-антконформера с максимумом поглощения при = 660 нм: Ф730 Ф660. Превращение Ф730 в Ф660 происходит также и в темноте.
Таким образом, проявление фотофизиологического эффекта в растениях обуславливается изменением конформации молекулы фитохрома, которая находится в составе плазматической мембраны. Предполагают, что быстрые реакции контролируемые фитохромной системой, связаны с активацией ионных каналов, в частности , Са2+ - каналов. Более продолжительные физиологические процессы, регулируемые фитохромом, связаны с изменением мембранного потенциала, синтез и активаций вторичных посредников. Как было ранее отмечено, вторичные посредники участвуют в регуляции метаболических реакций клеток в т. ч. воздействием на активность генома. Вторичные посредники могут активировать экспрессию генома, так и репрессировать активность генов, т.е. подавлять их активность. Так, однозначно показано, что освещение красным светом индуцирует активность генов фермента рибулозобифосфаткарбоксилазы, который выполняет ключевую роль в фиксации углерода при фотосинтезе.
Таким образом, работа фитохромной системы является фотообратимой, т.е. активация системы под воздействием коротковолнового красного света может быть аннулирована действием дальнего красного света. Если промежуток времени между импульсами света различной длины волны не превышает определенного интервала, то физиологический процесс не проявляется. Этот интервал времени называют временем убегания. Если фитохромная система попеременно освещается светом различной длины волны и если интервал чередования не превышает времени убегания, то проявление светозависимой реакции зависит от последнего импульса. Продолжительность времени убегания зависит от того, насколько быстро наступает физиологическая реакция на освещение. Например, цветение растений начинается через несколько суток после стимулирования светом, прорастание светочувствительных семян наступает через 1 –1,5 суток после их освещения красным светом с λ = 660 нм. Движение хлоропластов в клетках начинается через несколько минут после освещения. Соответственно, длительность времени убегания индукции цветения значительно выше, чем при стимуляции движения хлоропластов.
Кроме фитохромной системы, вероятно, существуют и другие фоторегуляторные пигменты. Аналогичные фоторегуляторные системы обнаружены у грибов, водорослей с максимумом поглощения при 370 нм, при 450 нм. Эти пигменты получили название криптохромов. Предполагают, что криптохромы являются флавинопротеидами, у которых в качестве хромофорной группы функционируют флавинмононуклеотид или флавинадениндинуклеотид.