Биологический каталог




Биохимия природных пигментов

Автор Г.Бриттон

я, уловленная в возбужденных молекулах, может также вызывать повреждения, осуществляя нежелательные химические реакции, которые могут привести к разрушению живых тканей. Различные природные пигменты (особенно порфирины) могли бы служить сенсибилизаторами для катализируемых светом повреждений, особенно в присутствии кислорода, если бы не было соответствующего защитного механизма. Вредное действие на ткани может оказывать не только видимый свет. Ультрафиолет высокой интенсивности поглощается белками и нуклеиновыми кислотами и потенциально способен повреждать эти жизненно важные молекулы.

Одна из наиболее существенных функций многих природных пигментов, главным образом каротиноидов и меланинов, заключается в защите жизненно важных тканей от фотодинамического и в первую очередь фотоокислительного повреждения. Подробно описаны три случая такого фотозащитного действия. На двух из них — роли каротиноидов в защите бактерий от фотоокисления и предотвращении развития фотоинду-цированных повреждений у животных—мы остановимся ниже. О третьем случае — фотозащите фотосинтетических тканей — уже упоминалось в гл. 10.

11.7.2. Восстановление ДНК,

поврежденной УФ-излучением

ДНК кодирует генетическую информацию, которая определяет практически все структуры и функции самих клеток, а также организма, частью которого они являются. Повреждение молекулы ДНК ведет к изменению информации, закодированной в последовательности ДНК и потому может иметь ужасные последствия, если не будет исправлено. Поскольку число молекул ДНК в клетке невелико, а величина этих молекул огромна, существует большая опасность их повреждения химическими веществами, излучением и т. п. Особенно хорошо изучено действие УФ-лучей. Нуклеиновые кислоты поглоТиминовые основания 111-9) Тиминовый "циклобутановый димер"

Рис. 11.4. Димеризация соседних тиминовых оснований в ДНК и обращение этого процесса под действием фотоактивируемого репарнрующего фермента.

щают УФ-излучение с X—260 нм, которое может вызвать в их молекулах структурные изменения. В основном при этом происходит (рис. 11.4) димеризация в ДНК соседних пиримидино-вых оснований (обычно остатков тимина) с образованием так называемых «циклобутановых продуктов» (11.9). В результате димеризации нарушаются нормальные водородные связи между цепями и, следовательно, разрушается структура двойной спирали в этом участке макромолекулы.

К счастью, клетки имеют ряд защитных механизмов, посредством которых они могут восстанавливать повреждения в цепях ДНК- В частности, для исправления повреждений* вызываемых различными воздействиями, в том числе и УФ-из-.лучением, используется механизм репарации путем выщепле-ния, в ходе которого небольшой участок поврежденной цепи ДНК удаляется и замещается новосинтезированным неповрежденным участком. Многие клетки, главным образом бактериальные (но также и клетки человека) используют для репарации ДНК механизм фотореактивации, с помощью которого повреждение может быть исправлено без расщепления молекулы ДНК. При этом с молекулой ДНК, содержащей пиримиди-новый димер, связывается фермент. В результате поглощения ?света (300—500 нм) комплексом фермент —ДНК фермент активируется и восстанавливает поврежденный участок молекулы, расщепляя димеры с образованием нормальных пиримиди-новых оснований.

11.7.3. Защита от фотоокисления у бактерий

Известно много случаев, когда бескаротиноидные мутанты бактерий (в норме образующих каротиноиды) гибнут в результате совместного действия света и кислорода, в то время как окрашенные организмы, принадлежащие к дикому типу, в тех же условиях повреждений не получают. Защитное действие каротиноидов было продемонстрировано на примере как фотосинтезирующих, так и нефотосинтезирующих бактерий.

Фотозащитным действием обладают лишь те каротиноиды, которые поглощают в видимом диапазоне (>400 нм), т. е. для такого действия необходим хромофор, содержащий по крайней мере восемь сопряженных двойных связей. Возможно, что в некоторых случаях каротиноиды в клеточной оболочке осуществляют защиту клетки, отфильтровывая свет опасных длин волн, однако обычно они более непосредственно участвуют в процессе фотосенсибилизации.

Фотодинамическая гибель бактерий наблюдается при наличии света, кислорода, а также эндогенного или экзогенного фотосенсибилизатора. Свет поглощается сенсибилизирующим пигментом, который подвергается межсистемным превращениям и переходит в более долгоживущее, но все еще высокоэнергетическое триплетное состояние. Пигмент в таком состоянии способен передавать избыток энергии молекулярному кислороду, переводя его в высокореакционноспособное синглетное состояние (Юг)- Образовавшийся синглетный кислород может окислить любую подходящую акцепторную молекулу, например молекулу ненасыщенной жирной кислоты. При этом образуются перекиси, которые могут вызвать обширные, а иногда и летальные повреждения чувствительных внутриклеточных процессов.

Каротиноид может нарушить эту последовательность событий, выступая в роли либо предпочитаемого субстрата окисления, либо акцептора избытка энергии триплетного сенсибилизатора или Ю2.

Образующийся при этом триплетный каротиноид распадается, не вызывая нарушений. Подобный защитный механизм очень сходен с описанными механизмами защиты фотосинтетических мембран (разд. 10.4.2), показанными на рис. 10.8.

Защита от фотоокисления, вероятно, является главной функцией каротиноидов у нефотосинтезирующих микроорганизмов, В организмах некоторых примитивных животных для защиты от фотоокисления используются сходные механизмы.

Возможно, у некоторых организмов и в некоторых тканях аналогичную фотозащитную функцию могут выполнять другие поглощающие свет соединения, обладающие антиокислительным действием (например, хиноны), однако сколько-нибудь подробно в этом отношении изучены пока только каротиноиды.

Синглетный кислород, образующийся не в фотохимических, а в каких-то других процессах, также может быть опасен для бактерий. Предполагают, что фагоцитоз бактерий полиморфно-ядерными лейкоцитами животных происходит с участием образующегося биохимическим путем Ю2. В этом случае кароти-ногенные бактерии оказываются более защищенными от воз-действия Ю2, чем бескаротиноидные.

П.7.4. Фотозащита у животных

У животных защита от облучения светом обычно обеспечивается экранирующим слоем пигмента, который либо поглощает свет всех длин волн, либо отфильтровывает особенно опасные лучи. Для целей экранирования наилучшими являются, очевидно, темные пигменты, такие, как меланины, поскольку они сильно поглощают во всем диапазоне видимого и УФ-света. Наиболее известным примером фотозащитной реакции служит пигментация кожи человека. Так называемая «белая кожа» у человека почти прозрачна, однако кератин рогового слоя поглощает значительную часть УФ-лучей. В ответ на продолжительное освещение солнечным светом в процессе формирования солнечного загара усиливается образование кератина и особенно меланина. Загоревшая белая кожа пропускает лишь 5% УФ-лучей с длиной волны 300 нм, тогда как незагоревшая — 25%. У людей с темной кожей почти весь УФ-свет поглощается значительными количествами меланина в коже. Этим обеспечивается адекватная защита от высоких доз лучистой энергии, характерных для тех областей земного шара, где живут темные расы.

Защитные меланины встречаются и у низших животных. Черный слизень (Arion ater) накапливает в наружном покрове меланин в количествах, пропорциональных количеству фотоди-намически свободного порфирина. Сходные примеры корреляции между содержанием меланина и свободных порфиринов ?были описаны у морских животных.

Свободные порфирины, будучи фотосенсибилизаторами, мо-тут оказывать вредное (даже губительное) действие на млекопитающих, в том числе и на человека. Они могут накапливаться при нарушении метаболизма гема, поскольку являются промежуточными продуктами этого процесса. Для больных пор-фирией (разд. 5.10.1) характерна чрезвычайная фоточувствительность; они совершенно не выдерживают освещения солнечным светом. У них отсутствует эндогенный экранирующий пигмент для защиты от действия света. Если больному порфирией ввести (З-каротин, то он будет откладываться в тканях кожи и поглощать свет опасных длин волн. Такой искусственный пигментный экран предотвращает поглощение света порфириновым фотосенсибилизатором.

Считают, что у низших животных в качестве фильтрующих или экранирующих пигментов функционируют не каротиноиды, а соединения других классов, например нафтохиноны у иглокожих. Каротиноиды — широко распространенные пигменты наружных покровов — являются антиоксидантами и в то же время активно поглощают свет. Вполне вероятно, что у животных они осуществляют защиту от фотоокисления так же, как они делают это у бактерий (разд. 11.7.3). Высокие концентрации каротиноидов в яйцах животных, живущих на суше и на мелководье, могут отражать эту фотозащитную роль.

11.8. Биолюминесценция

11.8.1. Введение

Предшествующие части этой главы, да и всей книги, «были посвящены поглощению света молекулами различных пигментов. В заключение следует хотя бы кратко остановиться на обратном процессе — биолюминесценции, — в котором биохимическая энергия используется живыми организмами для генерирования видимого света.

11.8.2 Распространение биолюминесценции

Биолюминесценция была обнаружена у морских бактерий и динофлагеллят, а также у небольшого числа видов грибов. Это явление, однако, лучше изучено у представителей животного царства. Наиболее известный пример — светляк (и его личинка)—наземное насекомое, которое ночью для привлечения партнера использует вспышки или непрерывно испускаемый свет. Однако наиболее часто биолюминесценция встречается у морских животных: рыб, ракообразных, моллюсков, кольчатых червей и кишечнополостных. Биолюминесценция некоторых светящихся животных, главным образом рыб и некоторых головоногих моллюсков, обусловлена их симбиозом с колониями испускающих свет бактерий, У других животных люминесценция является их собственной особенностью и не зависит от симбионтов.

Испускающ

страница 59
< 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

Скачать книгу "Биохимия природных пигментов" (3.06Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(25.04.2017)