Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

азных биологических эффектов. Отсюда вытекают два важнейших вывода:

1) для фотобиологии в целом должно быть характерно большее многообразие, чем для «одноплановых», структурно-функциональных реакций (например, генетических), имеющих только одну биологическую задачу;

2) большего единообразия следует ожидать внутри однотипных фотобиологических реакций (например, фотосинтез).

К этим двум выводам можно добавить еще один. Поскольку все фотобиологические реакции начинаются со взаимодействия кванта света с веществом, приводящего к возникновению электронно-возбужденных состояний, наиболее выраженная общность всех реакций проявляется на их первых этапах. На последующих стадиях происходит специфическое разветвление процессов, приводящее к множественности путей реализации.

Итак, отправной точкой всей фотобиологии является свет, поглощенный молекулами биосубстрата и переведший их в электронно-возбужденное состояние. Электронно-возбужденные состояния возникают либо в результате поглощения кванта света самой молекулой (прямое возбуждение), либо вследствие миграции энергии от соседних молекул (косвенное возбуждение). Миграция, энергии увеличивает поперечное сечение биологически активного поглощения (точнее, элементарного акта фотобиологической реакции), как это наблюдается, например, при фотосинтезе, где многие молекулы-светосборщи-ки работают на одну молекулу .реакционного центра. В других случаях миграция энергии выполняет защитную функцию. Например, перенос энергии от нуклеотидов ДНК к тирозину белков в хроматине снижает эффективность повреждающего действия УФ-света на геном,— поперечное сечение биологически активного поглощения уменьшается.

Возникшие тем или иным способом возбужденные молекулы реализуют свою активность фотохимическим путем с участием синглетных и триплетных состояний.

Не исключена возможность и иного, «теплового» пути (тепловая диссипация), при котором в большей или меньшей степени наблюдается избирательный микроразогрев материала вокруг хромофора, что может привести к разрыву водородных, гидрофобных и других слабых связей и, как следствие, к конформациоиным перестройкам макромолекулы или даже мембраны.

Однако, как правило, в основе фотобиологии лежат именно фотохимические реакции. Для их осуществления обычно достаточно одного кванта света (одноквантовый процесс). Первичные фотохимические реакции, требующие двух квантов и начинающиеся от второго триплетного возбужденного состояния по схеме

S0 + ~> S* ~у Тх + Av2 -* T%i

в фотобиологии носят эпизодический характер. Подчиненное значение в фотобиологии имеют также двухкван-товые процессы типа

S0 + hvt -> S* -+ Р + hv2 Р* ...,

где второй квант поглощается не триплетным состоянием, а лабильным или стабильным фотопродуктом, как это имеет место в фотохимии липидов или на заключительных стадиях биосинтеза хлорофилла.

Первичные фотохимические реакции многообразны и охватывают почти все превращения, рассмотренные в гл. II. На стадии образования первичных фотопродуктов возникает одна из трех ситуаций: либо хромофор претерпевает чисто внутримолекулярные химические перестройки, а соседние молекулы остаются химически неизменными (например, ^кограис-изомеризация \\-цис- и \3-цис< ретиналя в родопсине и бактериородопсине соответственно); либо после быстрых и обратимых превращений хромофор не изменяется, а химические перестройки испытывает другая близлежащая молекула (такая фотокаталитическая функция хромофора свойственна хлорофиллу при фотосинтезе и красителю при фотодинамическом эффекте); либо изменяются одновременно и хромофор и соседняя (или соседние) молекула. Последней может быть биологическая молекула того же (димеры тимина, цитозина, урацила) или другого (димеры тимин-цитози-на, цитозин-урацила) типа, а также неорганические молекулы: НгО, 02 (гидрат урацила, превращение —S—S->2SH в белках, протохлорофиллид-> хлорофиллид при биосинтезе хлорофилла).

В результате первичной фотохимической реакции, как правило, образуется свободный радикал. Известно три основных вида лабильных свободнорадикальных продуктов: катион-радикал, анион-радикал и нейтральный радикал. Благодаря неспаренным электронам свободные радикалы обладают высокой реакционной способностью.

In vitro известны также цепные свободнорадикальные фотохимические реакции, имеющие квантовые выходы вплоть до 106, однако in vivo такие реакции пока не обнаружены. Возможно, известное исключение из правила составляет перекисное окисление липидов, индуцируемое УФ-светом, Тем не менее ряд фотохимических реакций в клетке может идти с квантовым выходом, близким к единице (восстановление хлорофиллом переносчиков электронов, ^wc-траяс-изомеризация ретиналя в сетчатке). Подобная ситуация характерна и для хромофоров, практически не обладающих способностью к флуоресценции. Поскольку квантовый выход фотохимической реакции (ф) определяется соотношением констант скоростей (вероятностей) фотохимического (Кф), люминесцентного (Кл) и термодиссипативного (Кт) путей дезактивации электронно-возбужденного состояния в соответствии с соотношением

Кф

то при <р~1 скорость фотохимической реакции должна значительно превышать скорость диссипации энергии в тепло. Например, времена превращения родопсина в пре-люмиродопсин и разделения зарядов в реакционном центре фотосинтеза лежат в пикОсекундном интервале.

В биологическом эксперименте можно определять как квантовый выход образования первичного лабильного фотопродукта, так и квантовый выход образования всех, промежуточных продуктов вплоть до стабильного. В случае, если конечный биологический макроэффект подчиняется закону «все или ничего» (гибель клетки, мутация, зарождение импульса в фоторецепторной клетке), можно ввести понятие квантового выхода биологической реакции

/ число убитых клеток

т число поглощенных клетками квантов

Величина квантового выхода бактерицидного действия характеризуется весьма низкими значениями: Ф=10~5—10~7. Однако экспоненциальная зависимость доли выживших клеток от дозы света указывает на то, что к гибели клетки приводит поглощение одного-един-ственного кванта света, т. е. ничтожной энергии (около 10~21 ккал) достаточно для того, чтобы убить целую клетку. Иными словами, всего одна молекула «критического» фотопродукта способна реализоваться в конечный макроэффект — гибель клетки. В этом случае квантовые выходы образования критического (но не общего) фотопродукта и макроэффекта должны быть одинаковыми.

С точки зрения термодинамики все фотохимические реакции подразделяются на две категории: 1) эндерго-нические реакции, продукты которых имеют большие запасы свободной энергии, чем исходное вещество; в них запасается часть энергии квантов света (парциальные фотохимические реакции и фотосинтез в целом, бактериородопсиновый синтез АТФ); 2) экзергонические реакции, в которых энергия света не запасается в продуктах реакции, а нужна для преодоления активационного барьера (большинство фотохимических реакций).

Следовательно, в первом случае квант света «ценен» для клетки как источник свободной энергии, которая надолго и прочно утилизируется в форме богатых энергией химических продуктов (АТФ, сахара и т. д.), во втором— энергия кванта света берется лишь на время, «взаймы», для преодоления активационного барьера, конструирования активированного комплекса, причем после завершения фотохимической реакции она вновь отдается окружающей среде в виде тепла.

Чрезвычайно важно, что во всех случаях энергия, необходимая для преодоления активационного барьера при «изготовлении» активных молекул, берется в основном не в тепловой форме, а в виде энергии света. Именно поэтому фотохимические реакции, в которых, как и в темновых реакциях, происходит химическое изменение вещества, сопряженное с преодолением энергетических барьеров, имеют ничтожно малые значения энергии (энтальпии) активации. Их скорости практически не зависят от температуры (Qio^l) и целиком определяются концентрацией возбужденных молекул.

Причинами невыполнения этого общего правила могут быть следующие: 1) зависимость вероятностей тепловой дезактивации, S—^7-интерконверсии и люминесценции от температуры. Поскольку указанные процессы обычно идут с преодолением неодинаковых по величине энергетических барьеров, квантовый выход фотохимической реакции, складывающийся из соотношения вероятностей конкурирующих между собой различных путей дезактивации одной и той же возбужденной молекулы, может зависеть от температуры; 2) стерический, ориен-тациониый фактор, существенный для биомолекулярных реакций. Для того чтобы реакция произошла, возбужденная и невозбужденная молекулы должны быть в момент столкновения ориентированы соответствующим образом. Поэтому при температурах замерзания образцов, где трансляционное и релаксационное движение молекул ограничено, правильно ориентированные молекулы быстро расходуются и при дальнейшем облучении реакция практически не идет (ср^О), как это имеет место при димеризации оснований в замороженных образцах; 3) температурно-зависимые, кооперативные конформационные переходы биополимеров (денатурационные и функциональные), в ходе которых меняются ориентация центров, микроокружение фотохимически активных хромофоров и устойчивость макромолекулы к фотопродуктам. Например, конформеры одних и тех же белков могут различаться по квантовым выходам фотоинактивации почти в 2 раза.

Совершенно очевидно, что в сложной цепи фотобиологических реакций, включающих наряду с первичными фотохимическими стадиями большее или меньшее число темновых химических реакций, скорость суммарного процесса (грубо говоря, время между световым импульсом и конечной биологической реализацией света) сильно зависит от температуры. Суммарный процесс будет иметь энергию активации самой медленной лимитирующей стадии в цепи консекутивных реакций. При неизбежных потерях первичных или промежуточных фотопродуктов от температуры будет зависеть и квантовый выход фотобиологической реакции в целом. Так, температура, воздействуя на скорость деления клеток и активность ферментов репарации ДНК,

страница 66
< 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
(23.08.2019)