Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

ый состав опсина еще не определен. Изучение дисперсии оптического вращения препаратов опсина показало, что содержание а-спиральных участков в опсине 50—60%.

В нейтральной среде молекула опсина несет отрицательный заряд и обладает изоэлектрической точкой при рН = 5,3.

Менее ясен вопрос о том, сколько молекул фосфоли-пидов связано с одной молекулой опсина. Согласно данным различных авторов, эта цифра сильно варьирует. По мнению Абрахамсона, в каждом липохромопротеиде с опсином прочно связано восемь молекул фосфолипидов (из них пять молекул фосфатидилэтаноламина). Кроме того, в комплекс входят 23 слабосвязанные молекулы фосфолипидов.

Рассмотрим теперь основной хромофор зрительного пигмента— 11-цис-ретиналь. На каждую молекулу белка в родопсине приходится лишь одна молекула пигмента. 1 l-^wc-ретиналь содержит в боковой цепи четыре сопряженные двойные связи, которые обусловливают цис-77?аяс-изомерию молекулы пигмента. От всех известных стереоизомеров 11-г{ис-ретиналь отличается выраженной нестабильностью, что связано с уменьшением энергии резонанса, обусловленным нарушением компланарности боковой цепи.

А 13 - дацис //, / J - дицис

Концевая альдегидная группа в боковой цепи обладает повышенной реакционной способностью и реагирует с аминокислотами, их аминами и фосфолипидами, содержащими аминогруппы, например, фосфатидилэтанол-амином. При этом образуется альдиминная ковалент-ная связь — соединение типа Шиффова" основания (HC = N—).

Спектр поглощения 11-^м^-ретиналя обнаруживает максимум при 380 нм. Как уже упоминалось, тот же хромофор в составе зрительного пигмента имеет максимум поглощения при 500 нм. Такой большой батохром-ный сдвиг (около 120 нм) может быть обусловлен рядом причин: протонированием азота в альдиминной группе, взаимодействием ретиналя с SH-группами опсина, слабыми межмолекулярными взаимодействиями ретиналя с белком. Ирвинг считает, что основной причиной сильного батохромного сдвига в спектре поглощения ретиналя является высокая локальная поляризуемость среды вокруг хромофора. Такой вывод им был сделан на основании модельных опытов, в которых измерялись спектры поглощения протонированного производного ретиналя с аминосоединением в различных растворителях. Оказалось, что в растворителях с более высоким показателем преломления отмечался и более сильный батохромный сдвиг.

На решающую роль взаимодействий белка с ретина-лем в определении положения длинноволнового максимума поглощения зрительного пигмента указывают также опыты Рэдинга и Уолда, в которых зарегистрировано обесцвечивание пигмента при протеолизе белкового носителя. С различиями во взаимодействиях ретиналя с микроокружением в пределах липопротеидного комплекса могут быть связаны наблюдающиеся довольно широкие вариации в положении максимумов спектров поглощения зрительных пигментов (от 430 до 575 нм) у различных видов животных.

Еще несколько лет назад сильные споры среди фотобиологов вызывал вопрос о природе партнера, с которым соединен ретиналь в зрительном пигменте. В настоящее время общепринята точка зрения о том, что ретиналь с помощью Шиффова основания связан с белком—опсином. При этом ковалентная связь замыкается между альдегидной группой ретиналя и е-аминогруппой лизина белка.

3. ФОТОФИЗИКА И ФОТОХИМИЯ ЗРИТЕЛЬНОЙ РЕЦЕПЦИИ

В основе механизмов зрения лежит первичная фотохимическая реакция цис-транс-изомеризации ретиналя— «распрямление» сопряженной углеводородной цепи хромофора. Цис-транс-изомериз&цш ретиналя протекает по одноквантовому (одноударному) механизму. Фотофизические процессы в ретинале, предшествующие фотохимической реакции, изучались многими авторами. Поглощение света ретиналем обусловлено скорее всего я—я*-, а не п—я*-переходом. Так, было показано, что константы скорости образования водородной связи альдегидной группы ретиналя с кислородом не различаются в основном и возбужденном состоянии (данные флеш-фотолиза). Иными словами, распределение электронной плотности у атома кислорода в основном и возбужденном состоянии одинаково, чего не было бы при передаче несвязываю-щего л-электрона кислорода на делокализованную я-орбиту. Об этом свидетельствуют также высокие значения коэффициента экстинкции 1 l-^uc-ретиналя (около 104), что характерно для я—я-поглощения.

В противоположность фотосинтезу фотофизическая стадия зрительной рецепции не включает процессов межпигментной миграции энергии, т. е. поглощенная ретиналем энергия не делокализуется в пределах палочки. Это следует из проявления дихроизма родопсина палочек в режиме интенсивного фотовыцветания при облучении поляризованным светом и высоких значений степени поляризации флуоресценции замороженных спиртовых растворов родственного ретиналю витамина Аь Однако в пределах одной макромолекулы липохромопротеида имеет место миграция энергии от опсина к ретиналю с изомеризацией последнего. Квантовый выход изомеризации для ?i = 280 нм составляет всего 0,26 (для видимой области спектра 0,66). Это указывает на низкую эффективность миграции энергии между ароматическими аминокислотами опсина и ретиналем, которая, по данным Эбрей, не превышает 12%.

Таким образом, все фотофизические и фотохимические события, лежащие в основе механизмов зрения, строго локализованы в месте поглощения кванта света.

Высказывается предположение, что первичная фотохимическая реакция зрения (^ис-транс-изомеризация ретиналя) протекает через триплетное состояние 3(jt—п*) хромофора. Основанием для этого вывода служат квантовомеханические расчеты, показывающие, что в триплетном состоянии резко уменьшается энергетический барьер, разделяющий цис- и транс-формы как ряда органических молекул, так и самого ретиналя. В пользу протекания ^ис-тракс-изомеризации ретиналя через триплетное состояние свидетельствуют также и некоторые экспериментальные данные. В частности, обнаружена заселенность триплетных уровней ретиналя при его освещении. В опытах с использованием флеш-фотолиза было зарегистрировано триплет-триплетное поглощение ретиналя, которое не могло иметь места при низкой концентрации молекул в первом триплетном состоянии. Тот же вывод следует из анализа процессов миграции энергии донор—^триплетное состояние ретиналя.

С помощью флеш-фотолиза показано также, что вероятность синглет-триплетной интеркомбинационной конверсии ретиналя составляет 60% от общей вероятности дезактивации синглетного возбужденного состояния. Это удовлетворительно согласуется с величиной квантового выхода фотоизомеризации ретиналя (0,6—0,7) как в свободном состоянии, так и в составе родопсина. Однако предположению о триплетной природе реакции фото-изомеризацни ретиналя противоречат данные, полученные в лаборатории Ламолы: с помощью пикосекундной спектроскопии удалось оценить время цис-транс-превра-щения ретиналя (около 6 пс), которое оказалось слишком коротким по сравнению со временем жизни триплетных состояний.

Остановимся более подробно на квантовых выходах фотоизомеризации ретиналя. Квантовый выход превращения 1\~цис—^полностью транс-форма свободного ретиналя в гексановых растворах, по данным Уолда, сильно зависит от температуры. При температуре 25° С квантовый выход (при ?=365 нм) равен 0,2, в то время как при — 65° С — 0,6. Последняя величина совпадает с усредненным для трех длин волн видимого света (450, 500, 550 нм) значением квантового выхода изомеризации хромофора родопсина в дигитониновом растворе при 20° С. Это совпадение скорее всего означает, что свойства микроокру

Дремами>~140с

жения хромофора, входящего в состав родопсина, и замороженной гексановой матрицы сходны. Еще более высокое значение квантового выхода обесцвечивания различных зрительных пигментов получены Дартнеллем и Кропфом — 0,67. Наконец, по данным Рипса и Уила, квантовый выход фотолиза родопсина в живом глазу человека близок к единице. Приведенные дан- t,°c ные позволяют сделать вывод о том, что pea ль- -195 -ные значения квантового выхода цис-транс-фотоизомеризации ретиналя в родопсине _65 _ чрезвычайно высоки и приближаются к единице.

~20

J I I L

J I—I L

500

600 Л,ш

400

Интересные данные о фотолизе родопсина в дигитониновых экстрактах получены М. А. Островским с сотр. Оказалось, что кванто- о вый выход реакции имел высокие значения (близкие к единице) и практически не зависел от температуры Рис 26. Спектральные изменения, в интервале 20-j-5 °С. сопутствующие фотолизу родопси-Уменьшение темпера- на (Wald G., Brown P., 1958)

ТУПЫ НИЖР 1 0 °С ГО- Освещение проводилось при t= 196° С,

iy\jsn Пите i\j VJ затем образец постепенно нагревался

ПрОВОЖДаЛОСЬ реЗКИМ в темноте

(приблизительно в 100 раз) падением квантового выхода. Для интервала —10-^30 °С квантовый выход также не зависел от температуры. Такая аномальная температурная зависимость указывает на важную роль структурного состояния околохромофорного окружения в определении эффективности фотохимической реакции. Скачкообразный харяктер падения квантового выхода может быть обусловлен кооперативной структурной перестройкой, например, в липидной фазе мембраны.

Итак, фотохимическая дезактивация возбужденной молекулы ретиналя, заключающаяся в ее цис-транс-изо-меризации, переходе М-цис--*- полностью граяс-изомеры, осуществляется, по-видимому, через триплетное состояние. Между первичной фотохимической реакцией и гидролизом родопсина с образованием свободного ретиналя протекает ряд промежуточных темновых реакций. Эти реакции детально изучены в экспериментах с использованием импульсной спектрофотометрии и стабилизации промежуточных продуктов в определенных температурных интервалах (рис. 26). Тем не менее вопрос о количестве и последовательности образования промежуточных продуктов еще далек от окончательного разрешения. Ниже приводится одна из наиболее общепринятых схем превращения родопсина — модифицированная схема Уолда:

* (М-цис-) родопсинш

Я=540

Х=437| I Я=500

Ц >—250 °С

Я-430

(/ярож-)прелюмиродопсин548 tl

гипсородопсин4з0

метародопсин I

480

метародопсин II

380

метародопсин III

465

* щелочной N-ретинили-г деиопсин3б5

J, р

страница 23
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.10.2019)