Лекция 9, 10. Биофизика фотобиологических процессов Фотобиология изучает действие света на различные биологические системы. Существуют разнообразные фотобиологические процессы, icon

Лекция 9, 10. Биофизика фотобиологических процессов Фотобиология изучает действие света на различные биологические системы. Существуют разнообразные фотобиологические процессы,


1 чел. помогло.
Смотрите также:
Задачи: изучить разнообразные процессы видообразования...
Программа вступительных испытаний по информатике и информационно-коммуникационным технологиям...
Лекция 10
Влияние солнечной активности на биологические объекты 01. 03. 03 Физика Солнца 03. 00...
Влияние солнечной активности на биологические объекты 01. 03. 03 Физика Солнца 03. 00...
Лекция: Спецификация функциональных требований к ис: Процессные потоковые модели...
Синтез комплексного соединения pt(II) с 1,10- фенантролином и...
1. Введение в биологию Явления жизни, признаки живой материи...
Рабочая программа учебной дисциплины «биофизика» для специальности 200401 «Биотехнические и...
Лекция 28
Курс лекций Лекция Введение в земледелие. Лекция Научные основы земледелия...
1 лекция. Интерференция света. Дифракция света...



Загрузка...
скачать
Лекция 9, 10. Биофизика фотобиологических процессов

Фотобиология изучает действие света на различные биологические системы. Существуют разнообразные фотобиологические процессы, к важнейшим из которых относятся фотосинтез, зрение, фоторецепторные реакции, деструктивное действие ультрафиолетового света.

Во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационного барьеров химических превращений. Однако в фотосинтезе при этом происходит непосредственное запасание световой энергии в виде энергии химических связей, конечных продуктов (глюкоза), поскольку последние обладают большим запасом свободной энергии по сравнению с исходными веществами (СО2 и Н;;О). В остальных фотобиологических процессах свет также индуцирует фотохимические реакции, но в их продуктах не содержится избытка свободной энергии по сравнению с исходными веществами. Тем не менее и в этих случаях в последующих за фотохимической стадиях темновых процесах могут инициироваться сложные физиолого-биохимические превращения, в ходе которых мобилизуются большие количества свободной энергии, ранее запасенной в биоструктурах. Конечные результаты такого рода превращений (например, стимулирующее действие света на морфогенез, биосинтез пигментов, фотостимуляция дыхания) по общему энергетическому эффекту могут быть весьма велики, хотя непосредственного запасания энергии света при этом и не происходит.

Последовательность превращений в фотобиологических процессах может включать следующие стадии: поглощение света хромофорной группой и образование электронно-возбужденных состояний – миграция энергии электронного возбуждения первичный фотофизический акт и появление первичных фотопродуктов – промежуточные стадии, включая перенос заряда – образование первичных стабильных химических продуктов – физиолого-биохимические процессы – конечный фотобиологический эффект.

Выяснение механизмов и путей регуляции начальных этапов трансформации энергии электронного возбуждения и сопровождающих ее молекулярных превращений, включая изменения в хромофорных группах, их белковых носителях и окружающей мембране, представляет собой одну из основных задач биофизики. Эта проблема связана с выяснением роли и механизмов участия электронно-возбужденных состояний в биологических процессах.

Общие особенности первичных фотохимических процессов.

Рассмотрим систему, состоящую из нескольких атомов, в которой r – расстояние между ядрами. Первичным этапом любой фотохимической реакции является поглощение кванта света. Возникающий при этом избыток энергии переводит электрон с нижнего энергетического уровня S0, который характеризуется минимальной свободной энергией, в возбужденное состояние, которое обычно является синглетным S*. Данный процесс протекает следующим образом (РИС): поглощение hv является быстрым процессом с характерным временем порядка 10-15-10-16 с. Это время достаточно для изменения потенциальной энергии электронов, однако слишком мало для изменения положения ядер, и – соответственно – изменения их потенциальной энергии. В результате, координата r – не меняется. На следующем этапе происходит снижение потенциальной энергии системы до минимально возможной энергии в состоянии S*, что сопровождается изменением межъядерного расстояния r (волнистая стрелка). Такой процесс продолжается значительно дольше – 10-11-10-12 с. Дальнейшая судьба возбуждения может быть различной. В простейшем случае за время ~10-9- 10-10 с избыток энергии переходит в квант света, который излучается системой. При этом энергия кванта света, равная Е=λh, где h – постоянная Планка, будет определяться разностью энергий между значениями потенциальной энергии S* и S0 при r, соответствующей минимуму потенциальной энергии для S*. Последней стадией такого процесса будет возвращения ядер в такое положение, когда расстоянию между ними соответствует минимум потенциальной энергии для S0 (РИС).

Очевидно, что в данном случае система не может совершать фотобиологических процессов, а лишь излучать флуоресценцию, длина волны которой будет выше, нежели длина волны возбуждающего света (правило Стокса), что объясняется потерей энергии в ходе смещений ядер атомов.

Другой вариант дезактивации возбужденного состояния является прямой переход его в теплоту – тепловая диссипация энергии (РИС). Этот случай качественно мало отличается от предыдущего. Следующий вариант – это переход электронов из синглетного возбужденного состояния в триплетное. Отметим, что синглетное состояние характеризуется разнонаправленным спином (направлением вращения) электронов, в триплетном же – спины пары электронов, располагающихся на одной орбитали являются сонаправленными. Такое состояние является гораздо устойчивее синглетного возбужденного и может иметь время жизни до 10-6 с и больше. Возникающее состояние Т* может опять-таки либо излучаться в виде hv, но уже со значительно меньшей энергией – фосфоресценция, либо переходить в тепло. Наконец, система может иметь не одно, а несколько синглетных возбужденных состояний, в этом случае может происходить переход от S* с большей энергией к синглетным состояниям с меньшей энергией, дальнейшая судьба которых может заключаться во Фл, в тепловой диссипации или переходе к другим S* или Т* состояниям. Отметим, что реализация различных путей диссипации энергии имеет вероятностный характер.

Таким образом, мы описали некую совокупность процессов, которые в общем могут быть названы конверсией энергии, и заключаются в потере энергии системой. Однако, если бы все процессы преобразования энергии сводились к ее конверсии, то само понятие фотобиологии имело бы мало смысла, так как поглощение света не приводило бы ни к каким биологическим эффектам. Поэтому необходимо отметить еще два пути использования энергии света (РИС) – это безызлучательная передача энергии другим молекулам в системе (миграция энергии) или ее использование в тех или иных фотохимических реакциях. Эти процессы также имеют вероятностный характер и могут протекать одновременно в ансамбле систем одного типа, только с разной частотой, зависящей от состояния системы.

На основе этого можно оценить например квантовый выход Фл, т.е. долю фотонов, который излучаются системой обратно в виде Фл. Так если принять, что в системе одновременно протекают все три процесса – внутримолекулярная конверсия (k), миграция энергии (km) и фотохимические превращения (kФ), а k=kФл + kконв, т.е. константе скорости Фл и константе скорости остальных процессов конверсии, то квантовый выход Фл будет:



Фотохимические превращения и миграцию энергии целесообразно будет рассмотреть на более конкретных примерах, однако в качестве предварительного замечания отметим следующий факт. Время жизни Фл, т.е. различных S* состояний, составляет порядка наносекуд и менее. Время жизни Т* состояний порядка микросекунд. При этом средние характерные времена биохимических реакций в растворах – 1-10 мс. Это означает, что протекание фотохимических реакций, даже при участии в них триплетного состояния, в растворах маловероятно. Основной средой, где происходит реализация реакций данного типа являются сложно организованные комплексы, в которых все участники превращении пространственно сближены между собой.

Первичные процессы фотосинтеза

Первичные процессы фотосинтеза связаны с функционированием фотосинтетической ЭТЦ, локализованной в тилакоидной мембране хлоропластов. Напомню, что эта ЭТЦ обеспечивает транспорт е- от воды на НАДФ и перенос Н+ из стромы во внутритилакоидное пространство – люмен. Работа этой системы происходит за счет энергии поглощенных квантов света.

Основными элементами ЭТЦ хлоропластов являются такие комплексы, как ФС1 и ФС2, цит-b/f-комплекс, пигментбелковый светособирающий комплекс (или антенный комплекс), сюда также относят Н-АТФ-синтазу (РИС). Кроме сложный комплексов в работе ЭТЦ важную роль играют также пластохинон и пластоцианин, участвующие в переносе е- между комплексами, а также в транспорте Н+.

Отметим, что в вопросе об организации фотосинтетического аппарата – до сих пор имеются две точки зрения – уницентрическая и мультицентрическая. В соответствии с первой из них – входящие в ЭТЦ комплексы образуют достаточно жестко организованную структуру – фотосинтетическую единицу. При этом транспорт электронов происходит внутри такой структуры. Однако уницентрическая модель не объясняет многих аспектов функционирования фотосинтетического аппарата. Например, на ее основе достаточно сложно объяснить перераспределение потока hv от ФС2 к ФС1 после некоторого периода освещения. Более принятой в настоящее время является мультицентрическая модель, в соответствии с которой жестко организованные фотосинтетические единицы отсутствуют.

Рассмотрим как функционирует данная ЭТЦ хлоропластов.

Первым этапом в ее работе является поглощение кванта света либо ПБССК или собственными антенными комплексами фотосистем. Такие комплексы включают в себя молекулы хлорофиллов а и в и каратиноидов. Необходимость существования таких комплексов объясняется несколькими причинами:

1. Естественная освещенность колеблется от 0.1 до 10 hv/молекулу пигмента. Это означает, что если бы антенные структуры отсутствовали и пигменты имелись бы только в РЦ фотосистем, то при наибольшей интенсивности света ФС получали не больше 1 hv за 100 мс. Это время значительно больше времени перемещения электрона по ЭТЦ – порядка десятков миллисекунд. Т.е. даже в условиях сильного естественного света, при отсутствии антенных структур, ЭТЦ значительную часть времени бы не функционировала. При более слабом свете, когда один квант может падать раз в 1 сек или даже в 10 сек, этот «простой» стал бы еще более выраженным.

2. Спектр возбуждения хлорофиллов а и в, а также каратиноидов несколько различается. Как следствие, если бы поглощение света зависело только от Хл а, образующих РЦ, то спектр поглощаемого фотосинтетическим аппаратом был бы неполным.

3. Наличие ПБССК, функционирующего в виде отдельной субъединицы дает дополнительные возможности в регуляции соотношения потоков квантов света, падающих на ФС1 и на ФС2. Так в темноте, ФС2 и ПБССК локализованы преимущественно в гранальной области тилакоидов, а ФС1 – в стромальной (ПОЯСНИТЬ, РИС). Соответственно, при включении света поток hv будет направлен преимущественно на ФС2. Однако, в силу низкой активности ФС1, на которую кванты света практически не поступают, ЭТЦ хлоропластов будет переходить в сильно восстановленное состояние. В результате этого процесса, происходит активация протеинкиназ, фосфорилирующих ПБССК, который приобретает дополнительный отрицательный заряд и диффундирует в стромальную область. Как следствие происходит перераспределение потока hv к ФС1. Учитывая, что в системе протекает и обратный процесс – дефосфорилирование ПБССК, за счет функционирования фосфатаз с постоянной активностью, соотношение потоков hv на ФС1 и ФС2 в ЭТЦ достигает оптимума.

Собственно перемещение возбуждение в антенной системе происходит по индукционно-резонансному механизму: возбужденное состояние электрона в одном комплексе индуцирует переход в возбужденное состояние электрона в другом комплексе, само при этом переходя в исходное (РИС – цепочка систем, где переход из одной S* в S0 индуцирует обратный переход в следующей, аналогия с серией высвечиваний и поглощений hv) . Необходимым условием реализации такого типа перемещения возбуждения в системе является.

1. Близкое расположение пигментов, между которыми осуществляется перенос энергии.

2. Спектр излучения отдающего электрон пигмента должен быть близок к спектру возбуждения принимающего электрон пигмента (НАПОМНИТЬ, что такое спектр возбуждения и спектр излучения), т.е. при переходе от одной молекулы к другой длина волны света должна расти, а его энергия – соответственно – падать. Именно эта особенность придает направление передаче возбуждения, т.к. вследствие потери энергии вероятность обратных реакций снижается.

3. При этом энергия взаимодействия между пигментами должна быть достаточно мала (~10-3 эВ) , а время колебательной релаксации (СМ. ВЫШЕ) должно быть много меньше, чем время переноса возбуждения. Отметим, что если бы последнее условие не выполнялось, то система бы не успевала релаксировать к минимуму потенциальной энергии за характерное время индукционно-резонансного перехода, то возбуждение просто уходило бы в обратном направлении, и направленный его транспорт бы не происходил.

Отметим также, что в общем случае индукционно-резонансный перенос возможен не только между S* состояниями, но и между Т*. Запретными являются S-Т и Т-S переходы, которые противоречат закону сохранения спина, т.е. при передаче возбуждения спин не меняется, хотя он может меняться в самом возбужденном состоянии.

В то же время, закон сохранения спина не является абсолютным и передача между возбужденным триплетным и синглетным состояниями или наоборот может также происходить, но вероятность такого перехода – обменно-резонансного пути передачи энергии в 106-109 раза ниже, чем у индукционно-резонансного, поэтому во многих случаях им можно пренебречь.

Нельзя исключать и другие пути передачи энергии в антенном комплексе.

Это, например, экситонный механизм, для некогерентных экситонов. В общем случае, экситонный перенос возбуждения происходит если энергия взаимодействия между молекулами достаточно велика (~10-2 эВ), а время передачи возбуждения сопоставимо или меньше, нежели время колебательной релаксации. При этом если время передачи экситона много меньше времени смещения атомов (время смещения несколько меньше времени релаксации, которое включает в себя ряд смещений???), то никаких ограничений на дальнейшую передачу экситона не существует и речь идет о когерентном экситоне. Такой экситон может свободно перемещаться по возбудимой системе, по сути, он как бы «размазан» по ней, в силу чего нельзя говорить о его определенной локализации. Описывается такой экситоны уравнением для волны и не может служить в качестве механизма переноса энергии в ПБССК, так как время его нахождения на каждом из атомов недостаточно для запуска дальнейшей цепочки реакций. Однако возможна и иная ситуация, когда время переноса экситона превышает или равно времени смещения атомов. В этом случае экситон локализован, так как в зоне его нахождения возникает локальная деформация атомной структуры. Перемещение такого экситона может быть описано, как серия «скачков» по атомной решетке, причем время жизни некогерентного экситона больше, чем время жизни когерентного – 10-12-10-13 с и 10-13-10-14с, соответственно. Первый диапазон приближается ко времени колебательной релаксации энергии – 10-11-10-12 с, в силу чего некогерентный экситон может, с какой-то вероятностью, использоваться в ЭТЦ (за счет перехода энергии в минимум S*). Более того, существуют данные, что время жизни экситона в ПБССК может быть значительно больше достигая величин порядка 10-9 сек.

После того, как возбуждение переходит из антенного комплекса в ФС1 или ФС2 перенос энергии осуществляется уже переносом электронов между компонентами ЭТЦ. Значительную часть такого переноса составляет обычный «надбарьерный» транспорт, когда перенос е- определяется преодолением им потенциального барьера между переносчиками с различным окислительно-восстановительным потенциалом (РИС, ПОЯСНИТЬ). Однако исследование переноса электронов при низкой температуре показали, что какая-то часть переноса е- в этом случае сохраняется и этот процесс отклоняется от кинетики ожидаемой из уравнения Аррениуса (РИС). Предполагается, что определенную роль в переносе электроном может играть так называемый туннельный эффект.

Туннельный эффект обусловлен квантовыми свойствами электрона, в соответствии с которыми, в частности нельзя говорить о его определенной пространственной организации, а лишь – о вероятности нахождения в той или иной точке. В силу этого электрон, может оказаться и в точке за потенциальным барьером (РИС), при условии, что эта точка не является значительно удаленной от него пространственно, иначе вероятность обнаружить его в этой точке пренебрежимо мала. Если при этом возникшее в ходе тунелирования состояние комплекса успеет стабилизироваться, т.е. электрон в нем потеряет избыточную энергию, то местом наиболее вероятной локализации электрона станет уже новое состояние комплекса.

Это можно пояснить на примере РИС. Так в D-A электрон в силу своих вероятностных свойств может оказаться в состоянии, которому соответствует R общее для обоих состояний комплекса и D-A, и DA-, не преодолевая потенциальный барьер между системами. Если возникший комплекс DA- успеет релаксировать к стабильному состоянию, то перенос электрона произойдет.

Рассмотрим теперь непосредственную последовательность событий, происходящую при транспорте электронов по ЭТЦ.

После того, как возбуждение достигает, так называемого пигмента-ловушки, которым в ФС2 является Р680 – Хл а680, а в ФС1 – Р700 – Хл а700, энергия возбуждения может расходоваться на Фл, тепловую диссипацию или разделение зарядов. При этом скорость разделения зарядов достаточно высока – характерное время этого процесса ~10 псек, что значительно быстрее процессов Фл и тепловой диссипации ~ нескольких нсек. Как результат в условиях невосстановленной акцепторной части, квантовый выход фотохимических реакций достаточно высок – около 95%, а – например – Фл – мал – 3%.

В качестве первичного акцептора е- рассматривается обычно феофитин, однако в настоящее время появляются данные о том, что перенос электрона с Р680 на Фео идет не прямо, а через промежуточную стадию, связанную с восстановлением двух промежуточных акцепторов – Хл а, расположенных параллельно (РИС). С Фео электрон переносится на следующий акцептор, имеющий хинонную природу – пластохинон а (Qa), с которого е идет на следующий хинонный акцептор – Qb. Скорость переноса при этом замедляется – характерные времена реакций составляют сотни нсек и сотни микросек, соответственно.

Qb – осуществляет сопряжение между одно- и двухэлектронным потокоми. Так этот хинон может принимать на себя 2е, после этого протонируется, поглощая 2 Н из стромы, и переходит в пластохинол (РИС – пластохинон, семихинон, пластохинол). Пластохинол отделяется от ФС2 и диффундирует в тилакоидной мембране в составе пула пластохинонов. Затем он связывается с сайтом связывания комплекса цитохромов b-f, который расположен с внутренней стороны тилакоидной мембран. Там происходит окисление пластохинола до пластохинона, 2 е идут на комплекс цитохромов, 2Н – в люмен. Одновременно, пластохиноны диффундируют обратно к ФС2, связываются с ней, образуя Qb. Отметим, что реакции переноса пластохинонов одни из самых медленных - ~ десятков мсек, что по-видимому объясняется их зависимостью от диффузионной стадии. Отчасти такая медлительность компенсируется большим количеством Пх, около 10 на 1 РЦ.

Один из е попавших на цит b-f комплекс восстанавливает второй подвижный переносчик в ЭТЦ хлоропластов – Пц, который диффндирует к ФС1, характерное время – ~мсек. Другое электрон идет на пластохинон Qc, расположенный со стромальной стороны тилакоидной мембраны и восстанавливает его. Получив 2 е, этот пластохинон протонируется, захватив 2 Н и стромы и идет в пул хинонов, а его место занимает другой хинон из пула.

Одновременно с описанным процессам перенос е идет на донорной стороны ФС2 и в ФС1. В ФС1, возбуждение индуцирует перенос е с Р700 через первичный акцептор ФС1 на Р430. Характерное время процесса – порядка 100-н псек. Затем е идут на Фд, и с помощью фермента Фд-НАДФ-редуктазы могут идти на НАДФ+. Это будет так называемый нециклический поток электронов, являющийся основным в ЭТЦ. Характерные времена этих реакций – 10-ки мс. В качестве донора, восстанавливающего Р700+ выступает Пц. Характерное время этого процесса – мсек.

Параллельно, для того чтобы поток е был непрерывным, необходимо восстановление и Р680+, которое осуществляется с помощью первичного донора, по-видимому, тирозина – характерное время процесса 1 мксек.

Донором е для тирозина служит КВК – комплекс Mg-содержащих белков, способных к окислению воды. Он имеет 5 состояний – ПЕРЕЧИСЛИТЬ, РИС. В последнем состоянии с 4 +, он может окислять 2 Н2О, получая 4 е. При этом образуется молекула О2 и 4Н+.

Кроме нециклического, в ЭТЦ хлоропластов может реализовываться еще 2 пути.

Это циклический, когда е с ФС1 идет на цит b-f комплекс (с помощью ферредоксина) и восстанавливает Qc. Затем, при участии пула Пх, происходит циклическое движение е. ФС2 в этот процесс не вовлекается

Псевдоциклический путь сопровождается переносом е с Фд на О2 и образованием активных форм кислорода.

И циклический, и псевдоциклический пути не являются основными у современных растений и реализуются часто в условиях стресса.

Кроме НАДФН2, который возникает в результате НЦ-потока е, перенос е через ЭТЦ сопровождается формированием градиента Н – протоны перекачиваются из стромы в люмен тилакоида. Так, например, для НЦ-потока е – на 1 е переноситься 1.5 Н. Кроме того протоны возникают при окислении воды. рН в люмене может достигать 5, а в строе – 8.

Еще один процесс, сопровождающий работу ЭТЦ это генерация МП на тилакоиде. Он имеет следующую кинетику (РИС) резкое возрастание величины МП в первый момент после освещения, а затем трансформация значительной его части в градиент рН на тилакоиде. В максиме градиент МП может быть в предела +90 - +180 мВ. В стационарном состоянии - +20 - +60 мВ.

Оба градиента играют важную роль в образовании второго продукта световой стадии АТФ, синтез которого осуществляется Н-АТФ-синтазой. Это F0F1 фермент, качественно сходный по своему строению с уже рассмотренной нами ранее Н-АТФазой.

Попробуем оценить, сколько нужно протонов для синтеза АТФ. Так если градиент рН=3, то перенос 1 моля протона будет сопровождаться изменением энергии F*3*0.58≈18 кДж. Если градиент МП на мембране 60 мВ, то эта энергия возрастет до 24 кДж. Однако даже в этом случае двух Н недостаточно для синтеза 1 АТФ (48 кДж < 50 кДж), поэтому на синтез 1 АТФ требуется не менее 3 Н. По некоторым данным их может быть и больше – 4.

Синтез АТФ происходит и при Ц-потоке и ПЦ-потоке, однако скорость синтеза может быть другой.

Математическое моделирование ЭТЦ

Рассмотрим коротко вопрос о моделировании ЭТЦ хлоропластов.

Напомню, что в общем случае при кинетическом моделировании превращения описываются системой дифференциальных уравнений вида







При анализе обычных цепочек химических превращений f обычно задают на основе закона действующих масс. В соответствии с ним – скорость реакции пропорциональна концентрации участвующих в ней реагентов. Этот закон опирается на представление о реакционной среде как о некотором объеме, в котором плавают реагенты и при их столкновении – если энергия столкновения будет выше энергии активации – произойдет реакция.

Очевидно, что это же описание мы можем в простейшем случае применить и для ферментативной реакции и в частности – попытаться сделать это для ЭТЦ.

Так, например, для цепочки окислительно-восстановительных реакций



где Е1 и Е2 – ферменты между которыми переносится е, а k - константы скоростей прямых и обратных реакций. Скорость переноса е будет задаваться уравнением:



Из уравнений видно, что скорость переноса будет зависеть от произведения концентраций обоих реагентов Е1 и Е2. Т.е. при одновременном увеличении концентрации фермента и субстрата мы получим квадратичное возрастание скорости реакции.

Очевидно, что в мультиферментных комплексах такого не происходит. Так если мы увеличим вдвое количество работающих ФС2 – то поток е с них возрастет также в 2 раза, а не в 4, как можно было бы ожидать, описав на основе закона действующих масс перенос е от феофетина к пластохинону А.

Т.е. реакции в мультиферментных комплексах линейные, в то время как из применения закона действующих масс в этом случае следуют нелинейные зависимость.

На основании этого моделирование работы мультиферментных комплексов требует особого подхода. Он заключается в том, что в качестве переменных модели выступают не концентрации различных ферментов мультиферментного комплекса, а концентрации самого мультиферметного комплекса в различных состояниях (или вероятности его пребывания в различных состояниях).

Поясним на рассмотренном примере. Если эта реакция протекала вне комплекса – то мы можем по сути обойтись двумя переменными – концентрациями восстановленного Е1 и восстановленного Е2. То есть имеем уравнения:





Если же имеет место мультиферментный комплекс, то картина иная – у нас имеется 4 возможных его состояния – (1) Оба фермента невосстановлены – Е1Е2, (2) Восстановлен Е1- Е1-Е2, (3) Восстановлен Е2 – Е1Е2-, (4) Оба восстановлены Е1-Е2-. В этом случае получаем уже 4 уравнения – для разных состояний комплекса, причем в нашем случае концентрация состояний Е1Е2 и Е1-Е2- меняться не будет:





А для оставшихся состояний уравнения будут линейны:





Таким образом, такой подход позволяет достаточно корректно описать мультиферментные комплексы и – в частности – сохранить линейный характер уравнений, характерный для их работы. Последний момент является принципиальным, так как введение нелинейных членов может качественно изменить поведение системы.

В то же время этот подход имеет и недостатки. Главный из них – это крайне быстрое возрастание числа переменных при усложнении комплекса. Как мы видим 2-м переменным классического подхода – соответствуют 4, 3-м – 8, 4 – 16 и т.д. Т.е. работая с мало-мальски сложной системой, мы получим огромные системы уравнений.

В качестве примера можно привести описание акцепторной стороны ФС2, использованное в моделях Ризниченко с соавторами (РИС).

В этом описании донорной стороны учитывается 28 состояний, т.е. необходимо для этого описания необходимо решить систему из 28 линейных дифференциальных уравнений. Это можно сделать только численно и даже в таком случае – это не самая простая задача. Если же мы введем в систему еще различные состояния донорной стороны – сложность системы возрастет многократно.

Т.е. мы видим, что обратной стороной увеличения корректности модели является ее значительнее усложнение. Как вы помните, существуют приемы позволяющие упростить подобные модели, например, путем использования быстрых переменным, метод который мы уже рассматривали в кинетике. В то же время, универсальных способов упрощения системы не существует.

Еще один подход к таким системам заключается в так называемом многочастичном моделировании. Особенность этого подхода, что в его рамках симулируется движение каждой частицы в системе. Этот подход требует значительно более простого чем предыдущий математического аппарата – требуется лишь корректно описать движение реагентов в вязкой среде, но с другой стороны – требует больших вычислительных мощностей.

Существует ряд примеров успешного использования этого метода для описания фотосинтеза. Так, например, он был использован в некоторых работах для описания взаимодействия между мультиферментными комплексами в ЭТЦ хлоропластов, и позволил учесть влияние фактора диффузии протонов между гранальной и стромальной частями тилакоидной мембраны на работу ЭТЦ.

Фотопревращения родопсина

Рассмотрим еще один пример фотобиологического процесса, играющего важную роль в функционировании живых систем, в первую очередь – животных.

Исследования молекулярных механизмов фотопревращений родопсина представляют собой важную область биофизики фотобиологических процессов. Зрительный пигмент родопсин является практически единственным белком в фоторецепторной мембране зрительной клетки сетчатки глаза (на его долю приходится до 80% всего белка в мембране). Хромофором родопсина также служит ретиналь, находящийся в комплексе с опсином. Фотопревращения родопсина тесно сопряжены с ионными и ферментативными процессами, лежащими в основе зрительной рецепции, а также с возникновением , трансмембранной разности потенциалов на фоторецепторной мембране за счет сдвига протона в мембране.

Фоторецепторная мембрана

Способность рецепторных клеток сетчатки глаза реагировать на изменение светового потока лежит в основе зрительного восприятия позвоночных и беспозвоночных животных. Процесс трансформации энергии света в фоторецепторный сигнал у позвоночных происходит в светочувствительных клетках сетчатки — палочках и колбочках. Палочки обеспечивают сумеречное зрение. Наиболее подробно молекулярные и мембранные механизмы зрительной рецепции изучены в палочках позвоночных. Палочка способна генерировать зрительный сигнал в ответ на поглощение одного кванта. При этом в ней возникает вполне измеримый рецепторный электрический потенциал, являющийся нейрофизиологическим выражением зрительного сигнала.

Наружный сегмент палочки состоит из стопки многочисленных дисков, расположенных перпендикулярно длинной оси клетки. Например, палочка лягушки достигает 60 мкм в длину, 6—8 мкм в диаметре, а ее наружный сегмент содержит 1000—1500 дисков. Диск толщиной 15—16 нм образован двумя соединенными по краям мембранами толщиной около 7 нм. Внутреннее расстояние между почти прилегающими друг к другу мембранами не более 1,5—2,0 нм. Основной молекулярной фоточувствительной структурой зрительной клетки является фоторецепторная мембрана.

Родопсин

Фоторецепторная мембрана образована фосфолипидным бислоем, в который встроены молекулы зрительного пигмента родопсина. Вследствие крайне низкой вязкости фоторецепторной мембраны молекула родопсина испытывает в ней быструю вращательную и более медленную латеральную диффузию. Родопсин — хромопротеин с молекулярной массой порядка 40 000. Больший гидрофобный фрагмент молекулы (около 26 000) находится внутри рецепторной мембраны. Хромофором родопсина служит ретиналь (РИС), представляющий собой половину молекулы β-каротина в 11-цис-форме.В некоторых условиях может образовываться так называемый изородопсин, хромофор которого представляет собой не 11-цис-, а 9-цис-ретиналь. Полипептидная цепь опсина содержит около 400 аминокислот, половина из которых — гидрофобные. Ковалентная связь ретиналя с опсином осуществляется при образовании альдиминной связи вида (РИС).

Отметим, что важной особенностью ретиналя является наличие цепочки коньюгированных двойных сязей (- = - = -), которая и обеспечивает возможность функционирования его в качестве пигмента. При поглощении света происходит «сдвиг» двойных связей:

-=-=-= + hv → =-=-=-

Аналогичные структуры имеются и в других пигментах, включая Хл, где они замкнуты в цикл.

Спектральные свойства родопсина

Эти свойства обусловлены взаимодействием хромофора с опсином. Максимум спектра поглощения изолированного ретиналя лежит около 370—380 нм, а максимум поглощения опсина — 278 нм. Взаимодействие 11-цис-ретиналя с опсином сопровождается сдвигом его полосы поглощения в зеленую область с образованием основного максимума около 500 нм. Причины такого сдвига до конца не ясны.

Фотолиз родопсина

Общий путь поглощения света родопсином достаточно сложен (РИС). Под действием поглощенного света ретиналь испытывает цепочку переходов между различными изомерами, образуя «на выходе» транс-форму, которая диссоциирует с опсином. Цепочка биохимических реакций запускается, по-видимому, именно на этом этапе.

Результатом такой диссоциации является уменьшение натриевой проводимости и – как следствие – гиперполяризация плазмалеммы колбочки. В настоящее время общепринято, что зрительный сигнал в пределах НСП передается с помощью каскада родопсин трансдуцин цГМФ-фосфодиэстераза. Последняя представляет собой фермент, который, будучи в активированном состоянии (а это происходит при передаче сигнала в каскаде), гидролизует цГМФ и снижает его цитоплазматическую концентрацию, что и приводит к закрыванию катионных каналов и соответственно гиперполяризации плазматической мембраны колбочек. Иными словами, цГМФ выполняет в зрительных клетках функцию вторичного посредника, или мессенджера

По-видимому, определенную роль в реализации сигнального каскада играют и ионы Са, так как снижение их концентрации в силу закрытия катионных каналов индуцирует инактивацию каскада, расщепляющего цГМФ.

Фоторегуляторные процессы

Действие света на растительные и микробные организмы не ограничивается фотосинтезом. Существует большое количество других, прямо не связанных с фотосинтезом фотобиологических процессов, среди которых в первую очередь следует выделить процессы фоторегуляции. В отличие от фотосинтеза они не участвуют непосредственно в запасании энергии квантов света. Однако фоторегуляторные системы выполняют весьма важную функцию, регулируя многие стороны жизнедеятельности организмов.

Особенностью фоторегуляторных систем является их высокая квантовая чувствительность, сочетающаяся с большой эффективностью биологического действия. Это обусловлено триггерным принципом действия систем фоторегуляции: здесь свет служит только сигналом, запускающим сложную цепь последовательных биохимических изменений, приводящих в конечном результате к определенному фотобиологическому эффекту. Триггерный механизм действия света лежит в основе таких известных фоторегуляторных процессов, как фотоморфогенез, фототропизм, фотопериодизм, фототаксис, фотоиндуцированный биосинтез пигментов и ряд других.

Любой фоторегуляторный процесс включает несколько последовательных стадий: поглощение кванта света и образование электронно-возбужденного состояния фоторецептора; фотофизическую реализацию энергии возбуждения и сенсибилизацию фотохимической реакции; образование промежуточных фотопродуктов и конечное проявление фотобиологического эффекта.

Идентификация природы пигментов-сенсибилизаторов — первоочередная задача при изучении механизмов фоторегуляторных реакций. Однако пигменты сенсибилизаторы большинства фоторегуляторных процессов до сих пор не идентифицированы и о природе их судят только по спектрам действия фотобиологических эффектов. Исключение составляет фитохром — пигмент, характеризующийся универсальностью распространения среди растительных организмов. Именно благодаря открытию этого пигмента в изучении механизмов фоторегуляторных реакций достигнут значительный прогресс. Закономерности функционирования фитохромной системы имеют во многом общий характер с другими фоторегуляторными системами.

Фитохром — хромопротеин. Его оптические свойства и способность выполнять функцию фоторецептора обусловлены хромофором — линейным тетрапирролом (или билитриеном), который ковалентно связан с белком. Взаимодействие между хромофором и белковой частью пигмента имеет важное значение, поскольку от этого зависит характерное свойство фитохрома — его фотообратимость и наличие двух взаимопревращающихся форм. Одна форма обладает длинноволновым максимумом поглощения при 660 нм (Фбб0), а другая — при 730 нм (Ф730). Переход одной формы фитохрома в другую индуцируется красным (660 нм) и дальним красным (730 нм) светом:



Физиологически активной формой фитохрома является Ф730. С ее фотоиндуцированным образованием связаны многообразные изменения в метаболизме, активности ферментов, движениях, росте и дифференциации растений. Доказательствами зависимости физиологической реакции от фитохрома могут служить спектр действия этой реакции с максимумом при 660 нм и обратимость эффекта.

Совокупность полученных к настоящему времени экспериментальных данных свидетельствует о том, что Ф730 индуцирует структурные перестройки мембран. Косвенно на это указывают опыты, в. которых при активации фитохромной системы выявлены изменения проницаемости клеточных мембран для ионов, электрического потенциала и адгезивных свойств поверхности растительных клеток. Так, в экспериментах с изолированными корешками проростков фасоли показано, что облучение корней красным светом приводит к развитию положительного биоэлектрического потенциала, тогда как при последующем воздействии дальним красным светом возникает отрицательный биопотенциал.

Фотодеструктивные реакции

Фотодеструктивные реакции индуцируются в биологических системах главным образом ультрафиолетовым (УФ) светом. Однако при определенных условиях они могут протекать и при действии света более длинноволновой области спектра. В этом случае повреждение биологически важных макромолекул происходит не за счет прямого поглощения ими квантов света, а в результате фотосенсибилизирующего либо фотодинамического действия определенных фотосенсибилизаторов.

До недавнего времени при изучении механизмов биологического действия УФ-света основное внимание уделяли фотодеструктивным реакциям, которые индуцируются коротковолновым УФ-излучением (254 нм), так как наибольшая биологическая активность именно коротковолнового УФ-излучения, которое, как известно, интенсивно поглощается нуклеиновыми кислотами и белками.

В качестве примера фотодеструктивных реакций, индуцированных УФ можно привести фотоповреждение ДНК – его фотодимеризацию.

Эта реакция была показана в водных растворах тимина:



Затем установлено, что подобные процессы могут протекать и в интактных ДНК. Более того, фотоповреждение, связанное с димеризацией (прежде всего – остатков тимина), может составлять до 70-80% от всех летальных повреждений, вызванных коротковолновым УФ.

Имеются и другие типы фотодеструктивных процессов.




Скачать 232.02 Kb.
оставить комментарий
Дата04.03.2012
Размер232.02 Kb.
ТипЛекция, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

плохо
  3
не очень плохо
  1
средне
  1
хорошо
  1
отлично
  5
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх