Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

м организмам и тесно связаны с функционированием фотосинтетического аппарата клетки; специализированные, характерные для эукариотических одноклеточных или колониальных организмов, представляют собой самостоятельные фотобиологические реакции, осуществляемые с помощью особого фоторецепторного аппарата.

У организмов, хлоропласты которых очень малы по сравнению со всей клеткой, таксис означает поиск орга-неллой положения, наиболее соответствующего оптимальной (положительный таксис) или неоптимальной (отрицательный таксис) освещенности. У водоросли Mougeotia, несущей в себе один большой хлоропласт, фототаксическая реакция заключается во вращении хлоропласта вокруг его длинной оси.

Пигменты, поглощающие биологически активный свет, обычно входят в состав надмолекулярных структур клетки, более или менее равномерно распределенных по всему ее объему. Однако в ряде случаев реакция таксиса инициируется в специализированных фоторе-цепторных системах, например, в «глазках» эвглены. Обычно они расположены вблизи глотки, сообщающейся с наружным пространством, и окружают нижнюю часть жгутика. Отдельный глазок состоит из красно-оранжевых плотно, беспорядочно упакованных глобул. Глобулы имеют ламеллярное строение и связаны с несущими жгутик структурами — тонкими фибриллами.

Очень часто фототаксическая реакция одноклеточного организма усиливается с ростом интенсивности стимулирующего света. Так, Дин и Толлин обнаружили, что положительный ответ эвглены пропорционален логарифму интенсивности света, по крайней мере, в пределах ее тысячекратного изменения.

При высоких интенсивностях света характер фототаксиса водоросли изменяется — положительный таксис становится отрицательным. Тип отрицательного фототаксиса (топо- или фоботаксиса) определяется главным образом особенностями организма. У Volvocales наблюдают только топотаксис, а у Euglena — в основном фоботаксис.

При облучении клеток обнаруживается также нейтральная зона, соответствующая переходным интенсив-ностям света между положительной .и отрицательной реакциями. Так, клетки хламидомонады при интенсивности света порядка 10 Вт/м2 не проявляют четкой направленной реакции на свет или от света, их движения становятся беспорядочными и хаотичными. Учитывая, что таксис проявляется даже при таких низких интен-сивностях света, как Ю-4 Вт/м2, можно полагать, что процесс включает в себя эффективные стадии темпового усиления, возможно, сходные со зрительными. Действительно, по данным Уоллеса, достаточно поглощения рецептором семи фотонов света, чтобы вызвать движение жгутика у эвглены.

В литературе обсуждаются возможные механизмы ориентации клеток при топофототаксисе. Каким же образом клетки детектируют направление света: измеряют ли градиент интенсивности света, проходящего через фоторецептор, или же поворачиваются, сравнивая интенсивности света, падающие на фоторецептор под различными углами? Для выбора между этими альтернативными возможностями Файнлейб использовала два экспериментальных подхода. В первом опыте изменялось направление стимулирующего света на 90° и регистрировались положение и ориентация клеток хламидомонады на ленте высокоразрешающего видеомагнитофона, вмонтированного в окуляр микроскопа. Оказалось, что после введения нового стимула через 0,25—0,5 с клетка начинает поворачиваться, а через 1 с занимает новое положение. Во втором эксперименте клетки водоросли облучались микросекундными импульсами, причем импульсы были настолько кратковременные что в течение светового промежутка клетка не успевала переориентироваться. Тем не менее сразу же после импульса происходила ориентация всех клеток — поворот их к уже выключенному источнику света той стороной, на которой фоторецептор расположен ближе к поверхности.

Таким образом, эти эксперименты свидетельствуют о том, что выбор направления к свету клетка водоросли осуществляет через измерение градиента интенсивности проходящего через рецептор света.

Как известно, сопоставление спектров действия со спектрами поглощения пигментов позволяет судить о молекулярной природе активных хромофоров. К настоящему времени изучены спектры действия фототаксисов ряда организмов. В противоположность зрительным «фототаксические» пигменты различных биологических объектов имеют различную природу. Это хлорофилл а, фикоцианин и фикоэритрин у водорослей; каротиноиды у водорослей и простейших; бактериохлорофилл у бактерий; фитохром у хлоропластов некоторых водорослей.

Более подробные данные по спектрам действия фототаксисов можно найти в обзорах Хэллдала и Гаупта. Приведем некоторые примеры. В спектрах действия положительного и отрицательного топофототаксиса Platymonas sub cor dif or mis (рис. 29) представлены максимумы 500, 405, 340, 280 нм и плечо в области 460 нм. На основании сопоставления полученных спектров дейРис. 29. Спектры действия положительного (/) и отрицательного (2) топотаксиса Platymonas sub cor dif or mis (Halldal P., 1961)

Рис. 30. Спектр действия отрицательного фоботаксиса эвглены для поляризованного света (Diehn В., 1969); плоскость поляризации перпендикулярна (/) и параллельна (2) длинной оси организма; суммарный спектр действия (3)

ствия со спектром поглощения каротиноидов было сделано предположение, что молекулярными акцепторами света, приводящего к таксису у этого организма, могут быть каротиноиды. Проявление в спектре действия максимума при 280 нм показывает, что кванты света, поглощаемые ароматическими аминокислотами белков (прежде всего триптофаном), также биологически активны. Скорее всего акцептор света — это каротинопротеид, в котором происходит эффективная миграция энергии от белковой к хромофорной части.

Необходимо отметить, что даже у одного организма инициация фототаксической реакции может быть связана с различными пигментными системами. Так, спектры действия положительных фобо- и топотаксисов эвглены близки между собой и имеют максимумы при 375 и 480 нм. Эти максимумы не принадлежат одному хромофору, а связаны с двумя различными пигментными системами. Во-первых, гексановые экстракты из глазных пятнышек (стигм) имеют лишь один максимум спектра поглощения, соответствующий длинноволновому максимуму спектра действия. Во-вторых, в опытах с облучением линейно-поляризованным светом выявлены две автономные пигментные системы: 375 и 480 нм. В пределах каждой системы молекулы пигмента упорядоченно ориентированы, но эффективные осцилляторы поглощения двух систем расположены под углом 90° друг к другу. Предполагается, что коротковолновая система образована флавинами, а длинноволновая — ^-каротином. Возможно, однако, что длинноволновая полоса в спектре действия определяется не только р-каротином, поскольку из глазных пятнышек Euglena sanguined выделен астаксантин, а у Euglena gracilis, кроме р-каротина, экстрагированы и идентифицированы неоксантин и антероксантин.

Несколько иную форму имеет длинноволновая часть спектра действия отрицательного фоботаксиса эвглены: она представлена главным максимумом при 450 нм и двумя дополнительными — 480 и 412 нм. Этот же спектр действия, полученный для двух взаимно перпендикулярных составляющих поляризованного света (рис. 30), также выявляет две пигментные системы. Для света, поляризованного перпендикулярно к длинной оси организма, характерна только длинноволновая, для поляризованного параллельно — коротковолновая часть спектра действия. Естественно, что аналогичным образом должны быть ориентированы относительно тела эвглены и молекулы пигментов (их осцилляторы поглощения), образующие две системы.

Итак, мы видим, что на основании приведенных данных еще нельзя сказать, какие именно пигменты — каротиноиды или флавины — ответственны за поглощение биологически активного света. В спектрах действия различных типов фототаксиса эвглены обнаруживаются как флавиновые, так и каротиноидные максимумы, поэтому можно думать, что скорее всего спектры действия даже одного типа таксиса представляют собой наложение каротиноидных и флавиновых спектров.

Существует и иная точка зрения. По мнению Дина, биологически активный свет в реакциях таксиса эвглены поглощается флавиновыми пигментами, поскольку спектры действия ее фототаксиса очень похожи на низкотемпературный спектр (77 К) поглощения рибофлавина в этиловом спирте и KJ — ингибитор таксиса — эффективно тушит флуоресценцию флавинов. Вместе с Фрейлихом Дин получил еще одно указание на возможное участие флавиновых пигментов в реакции фототаксиса. В модельных опытах с бислойными мембранами, содержащими рибофлавин, было обнаружено изменение электрического сопротивления мембран после их облучения видимым светом. Характерно, что фотоответ мембран обнаруживал сходную с фототаксической реакцией зависимость от интенсивности света.

В соответствии с точкой зрения Дина о флавиновой природе хромофоров у эвглены находятся результаты опытов Бенедетти и Пэгни, исследовавших спектры флуоресценции парафлагеллярного тела и глазного пятнышка у этой водоросли. Как в спектрах флуоресценции, так и в спектрах возбуждения флуоресценции были выявлены максимумы, свойственные флавиновым, а не каротиноидным пигментам.

Эвглена содержит также много хлорофилловых пигментов. Но, несмотря на это, какого-либо участия в акцепции активного для таксиса света они не принимают. На это указывают не только спектры действия фототаксиса, но и их неизменность у мутантов эвглены, не содержащих хлорофилла.

Совсем другие хромофоры обусловливают фототаксисы у сине-зеленых водорослей. В спектре действия положительного топотаксиса Phormidium uncinatum проявляются четыре отчетливых максимума: 400, 495, 560, 610 нм. Максимумы 400, 495, 560 нм можно приписать фикоэритрину, а максимум 610 нм — фикоцианину.

Наблюдаемое несоответствие иитенсивностей в полосах поглощения фикоэритрина и в спектрах действия таксиса, вероятно, связано с тем, что спектры действия обычно измеряются на интактных клетках, оптическая плотность которых на фоне эффектов экранировки, светорассеяния и миграции энергии может превышать 0,1— 0,2. Это неизбежно должно приводить к искажению истинной «молекулярной» формы спект

страница 28
< 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
(20.11.2019)