Фотобиологические процессы

1. Фотобиологические процессы

Происходят в результате воздействия света на организм. Важнейшими Ф. п. у растений являются фотосинтез (синтез органических молекул за счет энергии солнечного света), фототаксис (движение организмов, например бактерий, к свету или от света), фототропизм (поворот листьев или стеблей растений к свету или от света), фотопериодизм (регуляция суточных и годовых циклов жизни путем циклических воздействий свет — темнота).

У человека и животных к  Ф. п. относят Зрение, фотопериодизм и др. У животных фотопериодически регулируются сезонные и годичные ритмы роста, размножения, запасания жира, линек, миграций и т.д. Под действием Уф-излучения происходит образование в организме витамина D из провитаминов. Пигментация кожи (загар) — защитный Ф. п., приводящий к образованию меланина.

Изучение биофизических  аспектов фотобиологических процессов  является центральным разделом квантовой биофизики. К фотобиологическим относят процессы, начинающиеся с поглощения кванта света биологически важной молекулой и заканчивающиеся какой-либо физиологической реакцией (позитивной или негативной) на уровне организма. К таким процессам относятся фотосинтез, фототаксис и фототропизм.

Зрение – превращение световой энергии в энергию нервного импульса в сетчатке глаза или в аналогичных фоторецепторах.

К фотобиологическим  процессам также может быть отнесена биохемилюминесценция (сверхслабые свечения, биолюминесценция). (Здесь, наоборот, определенные биохимические реакции сопровождаются появлением электронно-возбужденного продукта с последующим испусканием кванта люминесценции.)

Фотобиологические процессы весьма разнообразны. Каждый из них  состоит из многих стадий, начиная с акта поглощения кванта света и заканчивая физиологическими реакциями на уровне целого организма. Условно всякий фотобиологический процесс можно разбить на несколько стадий:

1) поглощение кванта света,

2) внутримолекулярные процессы  размена энергией (фотофизические

процессы);

3) межмолекулярные процессы  переноса энергии возбужденного состояния;

4) первичный фотохимический  акт; 

5) темновые реакции, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов;

6) биохимические реакции с участием фотопродуктов;

7) общефизиологический ответ на действие света.

 Первые три стадии фотохимического процесса одинаковы для процессов фотохимии и люминесценции; поэтому законы фотохимии имеют свои аналоги с законами  люминесценции. Первичный фотохимический акт –  это химическая реакция, в которую вступает поглотившая квант света молекула из возбужденного синглетного или триплетного состояния.

Квантовый выход

Важнейшей характеристикой  фотобиологического процесса в целом  и его первичной стадии, в частности, служит квантовый выход фотохимической реакции. Квантовый выход Q –  это отношение числа прореагировавших молекул к числу поглощенных фотонов. В случае первичных стадий фотохимических реакций квантовый выход равен отношению числа возбужденные молекул вещества, вступающих в фотохимический процесс, к

общему числу возбужденных молекул:

В реальных условиях опыта  квантовый выход можно определять, измеряя убыль исходного вещества ∆A или накопление продукта реакции ∆P за конечное время t под действием облучения объекта монохроматическим светом с интенсивностью I

 

 

 

 

где (1 – T) -коэффициент поглощения; It – доза облучения; It (1 – Т) – общее

количество поглощенных  фотонов.

Определяемый в опыте  квантовый выход Q зависит от условий эксперимента. Так, поглощение действующего света продуктами реакции или посторонними веществами будет снижать Q, а развитие цепных реакций, инициируемых первично образовавшимися радикалами, может привести к высоким квантовым выходам образования продуктов реакции (значительно больше единицы). Для понимания механизма фотохимического процесса особенно важен квантовый выход первичной реакции.

1.1 Фотохимический спектр действия 

Одна из задач при изучении фотобиологических процессов –  определение вещества, которое поглощает действующее излучение и тем самым участвует в первых стадиях процесса. Для этого изучают спектр фотохимического действия и сравнивают его со спектрами поглощения предполагаемых участников реакции.

Сущность такого подхода  поясняется на примере фотохимической инактивации ферментов при ультрафиолетовом облучении. Особенность этой реакции состоит в том, что она протекает по одноударному механизму: под действием поглощенного кванта молекула либо совсем не изменяется, либо полностью инактивируется; вероятность инактивации и есть квантовый выход инактивации Q (рисунок 1)

Рассмотрим кинетику этого  процесса.

Рисунок 1

Пусть в кювете с сечением S (см² ) и толщиной l см находится разбавленный раствор фермента в концентрации n молекул в 1 см³ (мс^-3) всего в кювете находится nSl молекул Пусть, далее, на кювету падает поток квантов света с4 плотностью потока J₀ (см^-2.см^-1). ), который ослабляется на выходе из кюветы до величины J. Каждую секунду раствор будет поглощать  J₀S-JS=J₀ S= J₀S (1-T) фотонов, где T = J / J0 – коэффициент пропускания. При этом в растворе ежесекундно инактивируется число молекул, равное произведению числа поглощенных фотонов на квантовый выход инактивации Q. Таким образом, изменение во времени числа активных молекул описывается уравнением:

 

 

 

Величины J, J₀, s и l связаны между собой по закону Бугера–Ламберта–Бера

 

 

 

где s –  поперечное сечение  поглощения молекулы, см², n – концентрация в числе молекул в 1 см³

 

 

 

 В разбавленных растворах, где nsl << 1, выражение в скобках приблизительно равно nsl (погрешность менее 5% при nsl < 0,1). Тогда

 

 

Решение уравнения дает:

где Д – доза облучения, σ = Qs – поперечное сечение инактивации фермента, имеет размерность площади. 

  1.2 Фотосинтезирующие организмы

Самый примитивный тип  фотосинтеза осуществляют галобактерии, живущие в средах с высоким (до 30%) содержанием хлорида натрия. Простейшими организмами, способными осуществлять фотосинтез, являются также пурпурные и зеленые серобактерии, а также несерные пурпурные бактерии. Фотосинтетический аппарат этих организмов устроен гораздо проще (только одна фотосистема), чем у растений; кроме того, они не выделяют кислород, так как в качестве источника электронов используют соединения серы, а не воду. Фотосинтез такого типа получил название бактериального. Однако цианобактерии (прокариоты, способные к фоторазложению воды и выделению кислорода) обладают более сложной организацией фотосинтетического аппарата — двумя сопряженно работающими фотосистемами. У растений реакции фотосинтеза осуществляются в специализированной органелле клетки – хлоропласте. У всех растений (начиная от водорослей и мхов и кончая современными голосеменными и покрытосеменными) прослеживается общность в структурно-функциональной организации фотосинтетического аппарата.

 

2. Структурная и биохимическая организация фотосинтетического аппарата

Фотосинтетический аппарат  растения — сложно организованная система, обеспечивающая поглощение света  и преобразование его энергии  в энергию химических связей. Структурно-функциональная организация фотосинтетического аппарата может быть рассмотрена на двух уровнях:

• на уровне листа как органа фотосинтеза  в растении;

• на уровне хлоропласта — клеточной  органеллы, где сосредоточены все  структуры, обеспечивающие фотосинтез.

 Лист - специализированный орган  фотосинтеза в растении

Лист как орган растения, приспособленный  к фотосинтезу, сформировался в  результате длительного эволюционного  процесса.

Фотосинтетический аппарат основных групп у бактерий организован по-разному. Это проявляется как в химической природе составляющих его компонентов (набор пигментов , состав переносчиков электронов), так и в структурной организации в клетке.

Фотосинтетический аппарат состоит  из трех основных компонентов:

• - светособирающих пигментов, поглощающих энергию света и передающих ее в реакционные центры;
• - фотохимических реакционных центров, где происходит трансформация электромагнитной формы энергии в химическую;
• - фотосинтетических электронтранспортных систем, обеспечивающих перенос электронов, сопряженный с запасанием энергии в молекулах АТФ .

В фотохимической реакции участвуют, как правило, хлорофиллы или бактериохлорофиллы а в модифицированной форме. Эти же виды хлорофиллов наряду с другими, а также пигментами иных типов (фикобилипротеины ,каротиноиды) выполняют функцию антенны. У некоторых пурпурных бактерий , содержащих только бактериохлорофилл b , он выполняет обе функции. У гелиобактерий бактериохлорофилл g также служит светособирающим пигментом и входит в состав реакционного центра

Два компонента фотосинтетического аппарата - реакционные центры и электронтранспортные системы - всегда локализованы в клеточных мембранах, представленных ЦПМ и у большинства фотосинтезирующих эубактерий развитой системой внутрицитоплазматических мембран - производных ЦПМ. Локализация светособирающих пигментов в разных группах фотосинтезирующих эубактерий различна. У пурпурных бактерий , гелиобактерий ипрохлорофит светособирающие пигменты в виде комплексов с белками интегрированы в мембраны. В клетках зеленых бактерий и цианобактерий основная масса светособирающих пигментов находится в особых структурах, прикрепленных к поверхности мембраны, но не являющихся ее компонентом. Это хлоросомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий .

В хлоросомах зеленых бактерий содержится весь бактериохлорофилл с, d или е (в зависимости от вида), а также небольшие количества бактериохлорофилла а, служащего промежуточным звеном при переносе энергии света от основного светособирающего бактериохлорофилла к бактериохлорофиллу а, локализованному в ЦПМ . С этой формы пигмента энергия света передается на модифицированную форму бактериохлорофилла а реакционного центра. Локализованные в хлоросомах светособирающие бактериохлорофиллы организованы в виде палочковидных структур диаметром 5-10 нм, расположенных параллельно длинной оси хлоросомы. Их высокоупорядоченная организация и упаковка осуществляются с помощью белковых молекул. В основании хлоросомы, примыкающем к ЦПМ, расположен слой молекул бактериохлорофилла а.

В группе цианобактерий обнаружены два типа структурной организации фотосинтетического аппарата. У единственного представителя этой группы - одноклеточной цианобактерий Gloeobacter violaceus - нет тилакоидных мембран и типичных для всех остальных видов фикобилисом . Единственной мембраной является ЦПМ , не образующая никаких впячиваний в цитоплазму. В ЦПМ локализованы реакционные центры и электронтранспортные системы фотосинтеза. Фикобилипротеины ( фикоцианин , аллофикоцианины и фикоэритрины ) в виде слоя толщиной 50-70 нм прилегают к внутренней поверхности ЦПМ.

Клетки всех остальных цианобактерий содержат развитую систему внутрицитоплазматических мембран - тилакоидов , к наружным поверхностям которых прикреплены регулярно расположенные дискретные гранулы - фикобилисомы. Их форма, размеры и количество на единицу поверхности мембраны могут меняться в значительных пределах, но всегда в клетках каждого вида содержатся фикобилисомы одного типа. Молекулы аллофикоцианина и аллофикоцианина В составляют внутреннее ядро фикобилисомы. К нему примыкают расходящиеся в разные стороны палочковидные образования, построенные из агрегированных молекул фикоцианина и фикоэритрина , при этом фикоэритрин располагается на периферической части этих структур. У видов, у которых фикоэритрин отсутствует, палочковидные образования состоят только из фикоцианина.

Такая организация фикобилисом в наилучшей степени обеспечивает перенос энергии возбуждения в направлении:

• фикоэритрин (лямбда мах 565 нм) переходит в
• фикоцианин (лямбда мах 620 нм) переходит в
• аллофикоцианин (лямбда мах 654 нм) переходит в
• аллофикоцианин В (лямбда мах 671 нм) переходит в
• хлорофилл а Амах (лямбда мах 680 нм).

Помимо пигментов в составе  фикобилисом найдены неокрашенные полипептиды, необходимые для высокоупорядоченной пространственной организации фикобилипротеинов в фикобилисоме, а также для прикрепления ее к мембране.

Очень важен вопрос об обратимости  в фотосинтетическом аппарате изменений, вызванных действием засухи. С этим связана полемика, развернувшаяся вокруг положения о временной засухе, как средстве стимуляции фотосинтеза и повышения урожайности пшеницы. 

Вопрос об особенностях формирования структуры и функций фотосинтетического аппарата в процессе эволюции уже давно привлекал к себе внимание биологов , но разрешить его удалось лишь после того, как накопилось достаточно много данных, характеризующих, с одной стороны, условия эволюции Земли в добиологический период и, с другой - особенности использования энергии света различными формами современных растений. 

Причины этого лежат в большой  функциональной сложности фотосинтетического аппарата, существовании многочисленных конкурентных реакций, зависимости скоростей протекания их от процессов доставки в отдельные участки хлюрогаластов исходных субстратов и удаления конечных продуктов, что в свою очередь может определяться состоянием структуры фотосинтетического аппарата. Уже поставлен и начал интенсивно обсуждаться вопрос о путях регуляции ( координации и субординации) различных процессов в хлороплаетах.