Кинетика фотобиологических процессов и зависимость от интенсивности света. Фотосенсибилизация.

Фотобиологические процессы - процессы, которые начинаются с поглощения квантов света биологически функциональными молекулами и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией в организме или тканях.

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 – 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; Зрение – превращение световой энергии в энергию нервного импульса в сетчатке глаза или в аналогичных фоторецепторах; Действие ультрафиолетовых лучей (бактерицидное или бактериостатическое действие на микроорганизмы, мутагенное действие, канцерогенное действие, образование витамина D из провитаминов, эритемное действие на кожу, образование загара, терапевтические эффекты).

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.

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.

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.

Фотосенсибилизация с участием O2. Фотодинамические процессы. Фотовозбуждённый сенсибилизатор вступает в RedOx реакцию с макромолекулами, в результате образуются реакционноспособные радикалы сенсибилизатора и молекулы биологического субстрата. Радикалы вступают в реакцию с кислородом.

А другом случае происходит перенос энергии от фотосенсибилизатора на кислород с образованием синглетного кислорода или супероксид-иона. АФК реагируют с биологическими молекулами и повреждают их.

Фотосенсибилизация без участия O2. Фотостатические процессы. Возбуждённый фотосенсибилизатор взаимодействует с субстратом, вызывая его изменение, но не образует с субстратом постоянного соединения.

Возбуждённый фотосенсибилизатор образует устойчивое соединение с субстратом, нарушая его свойства.

Фотосинтез. Спектр действия, поглощение и миграция энергии в фотосинтетической единице. Механизмы разделения зарядов в реакционном центре. Генерация потенциалов. Роль мембранных структур. Электронтранспортная цепь и две фотохимические реакции.

Фотосинтез - процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических пигментов.

Световая фаза фотосинтеза происходит на свету и только на внутренних мембранах хлоропласта – в тилакоидах, в которые встроены молекулы хлорофилла. В реакциях световой фазы участвуют хлорофилл, вода, ферменты и молекулы-переносчики, встроенные в мембраны.

Молекулы хлорофилла поглощают свет, электроны их атомов приходят в возбужденное состояние и перескакивают на орбитали, удаленные от ядра. Вследствие этого связь электронов с ядром ослабевает. Затем электроны подхватываются молекулами-переносчиками и выносятся на наружную сторону мембраны тилакоида.

В это же время под воздействием света происходит фотолиз воды, содержащейся в жидком веществе хлоропластов. Молекулы воды разлагаются на протоны водорода (H+) и ионы гидроксида (OH-). Последние отдают свои электроны, которые, в свою очередь, восполняют утраченные молекулами хлорофилла электроны. Гидроксильные группы (OH), соединяясь между собой, образуют молекулы воды и молекулярный кислород (O2), который выступает как побочный продукт фотосинтеза.

Протоны водорода накапливаются на внутренней стороне мембраны тилакоида. Постепенно по обеим сторонам мембраны между разноименно заряженными электронами и протонами водорода возникает разность потенциалов. При достижении критического уровня разности потенциалов протоны водорода начинают продвигаться по каналу белка АТФ-синтетазы, встроенного в мембрану тилакоида. Прохождение протонов водорода через канал АТФ-синтетазы сопровождается освобождением энергии, которая запасается в виде синтезируемой АТФ. На наружной стороне мембраны тилакоида протон водорода присоединяет электрон, превращаясь в атомарный водород (H).

В результате световой фазы синтезируются молекулы АТФ, образуется атомарный водород, выделяется молекулярный кислород. Эффективность световой фазы фотосинтеза велика: в результате фотохимических и фотофизических реакций запасается около 96% энергии поглощенного света.

Для осуществления темновой фазы свет не является обязательным условием, она протекает без участия света. Процессы темновой фазы происходят в строме хлоропластов, куда от тилакоидов гран поступают молекулы-переносчики, АТФ, а из воздуха – углекислый газ.

В строме имеется особое вещество – рибулозобифосфат (РиБФ), присоединяющий к себе углекислый газ с образованием шестиуглеродного промежуточного вещества. Оно, в свою очередь, распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК), которая является продуктом фотосинтеза, использующим энергию образующихся в световой фазе АТФ и атомарный водород. Через цепь химических реакций ФГК превращается частично вновь в РиБФ, частично – в глюкозу.

Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит следующим образом:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + O2

Физические механизмы процессов поглощения, запасания и миграции энер­гии молекулами хлорофилла. Поглощение фотона (hν) обусловлено переходом системы в различные энер­гетические состояния. В молекуле в отличие от атома возможны электронные, колебательные и вращательные движения, и общая энергия молекулы равна сумме этих видов энергий. Основной показатель энергии поглощающей систе­мы - уровень ее электронной энергии, определяется энергией внешних элек­тронов на орбите. Согласно принципу Паули, на внешней орбите находятся два электрона с противоположно направленными спинами, в результате чего образуется устойчивая система спаренных электронов. Поглощение энергии света сопровождается переходом одного из электронов на более высокую ор­биту с запасанием поглощенной энергии в виде энергии электронного воз­буждения. Важнейшая характеристика поглощающих систем - избирательность поглощения, определяемая электронной конфигурацией молекулы. В сложной органической молекуле есть определенный набор свободных орбит, на кото­рые возможен переход электрона при поглощении квантов света. Согласно «пра­вилу частот» Бора, частота поглощаемого или испускаемого излучения v дол­жна строго соответствовать разности энергий между уровнями: V= (E2 – E1)/h, где h - постоянная Планка.

Каждый электронный переход соответствует определенной полосе погло­щения. Таким образом, электронная структура молекулы определяет характер электронно-колебательных спектров.

Запасание поглощенной энергии связано с возникновением электронно-воз­бужденных состояний пигментов.

Известно два основных типа воз­бужденных состояний - синглетные и триплетные. Они отличаются по энергии и состоянию спина электрона. В синглетном возбужденном состоянии спины электронов на основном и возбужденном уровнях остаются антипараллельны­ми, при переходе в триплетное состояние происходит поворот спина возбужден­ного электрона с образованием бирадикальной системы. При поглощении фото­на молекула хлорофилла переходит из основного (S0) в одно из возбужденных синглетных состояний – S1 или S2, что сопровождается переходом электрона на возбужденный уровень с более высокой энергией. Возбужденное состояние S2 очень нестабильно. Электрон быстро (в течение 10-12 с) теряет часть энергии в виде тепла и опускается на нижний колебательный уровень S1, где может находиться в течение 10-9 с. В состоянии S1 может произойти обращение спина электрона и переход в триплетное состояние Т1, энергия которого ниже S1. Возможно несколько путей дезактивации возбужденных состояний:

· излучение фотона с переходом системы в основное состояние (флуорес­ценция или фосфоресценция); · перенос энергии на другую молекулу; · использование энергии возбуждения в фотохимической реакции.

Миграция энергии между молекулами пигментов может осуществляться по следующим механизмам. Индуктивно-резонансный механизм (механизм Фёрстера) возможен при условии, когда переход электрона оптически разрешен и обмен энергией осуществляется по экситонному механизму. Понятие «экситон» означает электронно-возбужденное состояние молекулы, где возбужденный электрон остается связанным с молекулой пигмента и разделения зарядов не происходит. Перенос энергии от возбужденной молекулы пигмента к другой молекуле осуществляется путем безызлучательного переноса энергии возбуж­дения. Электрон в возбужденном состоянии представляет собой осциллиру­ющий диполь. Образующееся при этом переменное электрическое поле может вызвать аналогичные колебания электрона в другой молекуле пигмента при выполнении условий резонанса (равенство энергии между основным и воз­бужденным уровнями) и условий индукции, определяющих достаточно силь­ное взаимодействие между молекулами (расстояние не более 10 нм).

Обменно-резонансный механизм миграции энергии Теренина-Декстера имеет место в том случае, когда переход оптически запрещен и диполь при возбуж­дении пигмента не образуется. Для его осуществления необходим тесный кон­такт молекул (около 1 нм) с перекрыванием внешних орбиталей. В этих усло­виях возможен обмен электронами, находящимися как на синглетных, так и на триплетных уровнях.

ЭЛЕКТРОНТРАНСПОРТНАЯ ЦЕПЬ фотосинтеза, система переносчиков электронов в мембранах хлоропластов, осуществляющая транспорт электронов по градиенту потенциала от воды к конечным акцепторам с образованием аденозинтрифосфата (АТФ) и восстановленного никотинамидаденинди-нуклеотидфосфата (НАДФН -Н+).

Разделение зарядов в реакционном центре включает три стадии.
^ Первая стадия — первичное разделение зарядов. Высоко разрешающая техни­ка в фемтосекундном интервале (10^-15 с) позволила выделить два процесса на начальной стадии преобразования энергии — перенос энергии и перенос электронов в реакционном центре:

В первые мгновенья (в пределах 100 фс) устанавливается равновесие энер­гии возбуждения между П₆₈₀ и молекулой хлорофилла а «внутренней» фокуси­рующей антенны, т.е. перенос энергии происходит быстрее, чем перенос элек­трона. До переноса электрона от П на Фео происходит ряд событий. Так же, как и у пурпурных бактерий, реакционный центр ФСП асимметричен и две молекулы хлорофилла в димере не эквивалентны. В одной молекуле хлорофил­ла а (П₁)

кето-группа при С₉ и кетоэфирная группа при С₁₀ образуют водород­ные связи с аминокислотами белка D1, а вторая молекула хлорофилла а (П₂) на белке D2 образует только одну водородную связь за счет кетоэфирной груп­пы (см. рис. 3.26). Поскольку П₁ образует большее число водородных связей, ее редокс-потенциал выше и электрон-движущая сила больше. В связи с этим при возбуждении димера (П*) электрон переходит с одной молекулы хлорофилла в димере к П₁ и образуется диполь. Электрон локализуется на одной молекуле хлорофилла а в димере. Возникает переходное состояние, которое представля­ет собой состояние с переносом заряда. Образование диполя и локального элект­рического поля вблизи П₁вызывает переориентацию окружающих молекул Н₂О. Это приводит к изменению конформации специальной пары и снижению энергии П , что облегчает перенос электрона к Фео. Таким образом, внутри­молекулярное движение электрона в димере облегчает перенос электрона к Фео и, следовательно, сдвиг электрона в димере к П₁можно рассматривать как начальную стадию разделения зарядов.

^ Вторая стадия — фотоокисление пигмента П . Разделение зарядов между возбужденным П и первичным акцептором электрона Фео осуществляется в течение нескольких пикосекунд. В результате образуется первичная радикальная пара (П -Фео ). В течение следующих 200 пс происходит перенос электрона от Фео на Q_A с образованием вторичной радикальной пары

(П -Фео-Q ) — восстановленного Q и окисленного П .

Третья стадия — восстановление пигмента. Окисленный пигмент П имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал (1,12 В) и является очень активным окислителем, который может вызвать окислительную де­струкцию окружающих структур. Донором электрона для П в нормальных физиологических условиях является тирозин Z, для которого источником элек­трона служит сложная система фотоокисления воды. В ряде случаев при нару­шении процессов фотоокисления воды в восстановлении П могут участво­вать тирозин D, цитохром b₅₅₉, Хл_Z, β-каротин.