Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

влияет и на эффективность бактерицидного или мутагенного действия света в результате изменения концентрации димеров тимина.

Другой пример. Температурный коэффициент Q[0 скорости фотосинтеза на интенсивном свету равен 2,5, а на слабом — 1,2. В первом случае скорость суммарного процесса лимитируется темновой (биохимической), во втором — фотохимической стадией, термически не активируемой.

Следует подчеркнуть, что вероятность вступления синглетной или триплетной возбужденной молекулы в определенную фотохимическую реакцию зависит не только от количества запасенной энергии в ней, достаточного или недостаточного для преодоления энергетического барьера, но и еще, по крайней мере, от двух факторов: характера распределения электронной плотности (прежде всего валентных электронов) и в меньшей степени от расположения ядер, с одной стороны, и времени жизни возбужденных состояний — с другой. Например, разрыв 5,6-двойной связи с образованием циклобутановых димеров по 5- и 6-углеродным атомам определяется рассмотренными ранее специфическими особенностями электронного облака в этой области у первого триплетного состояния. Очевидно также, что при прочих равных условиях вероятность фотохимического превращения вещества тем выше, чем больше время жизни электронно-возбужденного состояния. Из сказанного выше следует еще один важный вывод: первичной «мишенью» действия света являются не ядра или электроны внутренних орбит, а валентные электроны.

Таким образом, вероятность, а следовательно, квантовый выход фотохимического превращения молекул определяются тремя показателями: запасами энергии, электронно-ядерной архитектурой и временем жизни возбужденных состояний. По всем показателям синглетные и триплетные состояния различаются.

Обратим внимание еще на одну характерную особенность фотохимических реакций. Обычно все метаболические превращения в клетках носят ферментативный характер. В противоположность этому первичные фотохимические реакции не катализируются какими-либо специализированными ферментами. (Это не ферментативные реакции.) Единственным известным исключением из правила является фотореактивирующий энзим. Он способен образовывать фермент-субстратный комплекс с ДНК в темноте и быть катализатором лишь при освещении (мономеризация димера тимина). Кроме того, фотореактивирующий энзим представляет собой единственный достоверный пример, когда в каталитическом акте участвуют электронно-возбужденные состояния.

Большинство биологических хромофоров, участвующих в фотохимических, превращениях, соединены кова-лентными или нековалентными связями с белковым носителем, который оказывает определенное влияние на ход фотохимических превращений. Так, с.одной стороны, протохлорофиллид легко превращается в хлорофиллид в связанном с белком состоянии (протохлорофиллид — го-лохром), будучи фотохимически менее активным в свободном виде. Сказанное справедливо и для фотопревращений билитриеновой группировки фитохрома. С другой стороны, фотохимические перестройки хромофора приводят к конформационным модификациям белка-носителя (опсина в родопсине, белка фитохрома).

Итак, кванты света участвуют в жизненных процессах, как правило, через стабильные фотопродукты: hv—>• первичный лабильный продукт—^стабильный фотопродукт—^биологический эффект. Стабильный продукт активно включается в метаболические процессы одним из двух возможных путей: является непосредственным участником биохимических, метаболических реакций, например в качестве субстрата ферментативных реакций или интермедиата биосинтезов (образование хлорофил-лида; АТФ и НАДФНг при фотосинтезе; синтез витамина D и т. д.); непосредственно не участвуя в биохимических реакциях, он меняет конформацию либо биополимеров (их активный центр), либо даже самой мембраны, модифицируя тем самым ферментативную, матричную (или иную) активность биополимеров и барьеры проницаемости (фотолиз триптофанилов и —S—S—связей в белках, ?{ис-тр#яс-изомеризация ретиналя в сетчатке, ди-меризация и гидратация пиримидиновых оснований ДНК или РНК и т. д.).

Первый путь характерен для биосинтетических и энергетических, второй — для информационных и деструктивно-модифицирующих реакций. В конечном счете при любой фотобиологической реакции стабильный, продукт способен приводить к изменениям морфологии, физиологии и характера движения организмов только через ло-средство метаболических, биохимических сдвигов. Ведь даже мутационные изменения ДНК реализуются только через биосинтез белка и последующие метаболические сдвиги. .

Специфический аппарат, выработанный в ходе эволюции и предназначенный для реализации действия фотопродуктов и стыковки их с основными процессами жизнедеятельности, обычно представлен в физиологических реакциях, а в повреждающих, деструктивных, отсутствует. Здесь сдвиги в метаболизме наступают вследствие прямого повреждения жизненно важных биологических структур (ДНК, РНК, белков, мембраны), которые уже не выполняют или выполняют неправильно свои обычные темновые функции. Более того, для самого уникального и ключевого биополимера (ДНК) природа позаботилась о создании «антиусилительного», «ослабительно-го» аппарата, включающего несколько реагирующих систем, которые активно устраняют фотохимические дефекты макромолекулы. .

Во избежание недоразумений следует оговориться, что в ходе эволюционного развития репарационные механизмы возникли, скорее всего, как противоядие против порчи генетического аппарата не только ультрафиолетом, но и проникающей радиацией, химическими веществами и спонтанными ошибками в ходе редупликации генетического материала (радиационный, химический и спонтанный мутагенез). Вместе с тем некоторые из них (например, SOS-система), по-видимому, приводят к появлению ошибок в ходе устранения дефектов, а возникающие при этом мутации способствуют выживанию популяции в экстремальных условиях.

Возвращаясь к физиологическим фотореакциям, отметим, что естественный отбор сконструировал и изготовил специализированные механизмы реализации действия света двух типов: с усилением и без него. Последний работает, например, в фотосинтезе (транспорт электронов с фотосинтетическим фосфорилированием), который с известными энергетическими потерями запасает в органических молекулах лишь часть энергии света (около 30—40%).

Усилительные механизмы в наиболее выраженной и совершенной форме представлены в информационных фотобиологических реакциях, в первую очередь в зрительных. Здесь достаточно попадания в зрительную клетку сетчатки глаза одного или нескольких квантов света, чтобы в нервном волокне возник спайк. Как и в самом совершенном радиоэлектронном устройстве, в этом случае коэффициент усиления по мощности достигает 105—106.

Завершающей стадией любой фотобиологической реакции является конечный макроэффект (синтез органического вещества, движение биообъекта, изменение наследственных свойств организма, гибель клетки и т. д.). Макроэффект может быть достигнут либо сразу после поглощения эффективной дозы света, либо спустя более или менее длительный промежуток времени (лаг-фаза). Продолжительность лаг-фазы определяется не столько фотофизическими и фотохимическими стадиями, сколько аппаратом реализации: его сложностью, числом стадий, оперативностью работы (кинетическими параметрами). Разумеется, что продолжительность лаг-фазы будет в сильной степени зависеть и от внешних условий (температура, состав окружающей среды и т. д.).

Таким образом, рассмотрены все основные стадии фотобиологических реакций: фотофизика, первичная фотохимия, лабильные и стабильные фотопродукты, механизмы реализации и конечный биологический эффект. На многочисленных примерах показано, что даже разнотипные реакции (энергетические, биосинтетические, информационные, деструктивно-модифицирующие) при всем их разнообразии внутренне едины, В еще большей степени это справедливо для однотипных реакций, характеризующихся, как правило, идентичными хромофорами с близкой фотофизикой и фотохимией, а также сходными механизмами реализации. Эти моменты отмечены в соответствующих главах. Внутреннее единство самых разнообразных фотобиологических процессов становится еще более очевидным при рассмотрении роли мембран в фотобиологии.

Следует еще раз напомнить, что большинство хромофоров включено в состав мембран или ассоциировано с ними. Специфика микроокружения хромофора в мембране оказывает существенное влияние на ход фотофизических и фотохимических реакций. Так, включение хромофоров в состав мембран приводит к значительным изменениям параметров поглощения и люминесценции.

Серьезные конформационно-зависимые модификации претерпевают и фотохимические реакции. Например, квантовые выходы инактивации ацетилхолинэстеразы в свободном состоянии и в составе мембраны значительно различаются между собой. Мембрана тормозит фотоокисление липидов; изменение энтропии активации перехода люмиродопсин—^метародопсин I в мембранах палочек в 2 раза меньше, чем в дигитониновых экстрактах. Следовательно, мембрана может ускорять или замедлять фотохимические реакции и даже менять их направление в зависимости от биологической «целесообразности».

Кроме того, способность мембран существовать в нескольких дискретных конформационных состояниях с кооперативными переходами между ними открывает эффективный путь регуляции фотобиологических процессов. Свет также способен инициировать подобные переходы, причем конформационные перестройки могут выступать в роли механизма темнового усиления.

Наиболее правдоподобной представляется следующая картина. Квант света вызывает фотохимические изменения встроенной в мембрану молекулы, в результате чего ее стереометрия сильно нарушается: продукт уже не соответствует той структурной ячейке в мембране, которую занимала ранее исходная, немодифицированная, молекула. Образовавшееся «инородное» тело создает эффект локального «механического напряжения», вызывающего волну распространяющихся по мембране структурных преобразований. Благодаря этому становится возможным выраженное дальнодействие: продукт контролирует структурное и функциональное состояние различ

страница 67
< 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
(06.12.2019)