Основные виды фотобиологических процессов. Стадии фотобиологических процессов

Процессы, происходящие в биологических системах при поглощении лучистой энергии, называются фото биологическими. Все фотобиологические процессы делятся на три основные группы. К первой группе относятся процессы фотосинтеза биологически важных соединений за счет поглощаемой организмом солнечной энергии. Наиболее важное значение имеет фотосинтез углеводов, происходящий у зеленых растений, бактерий и водорослей. Фотосинтез углеводов является единственным биологическим процессом, при котором происходит увеличение свободной энергии всей биологической системы. Все остальные процессы в растительных и животных организмах протекают за счет потенциальной энергии химических связей, накапливаемой в фотосинтезирующих организмах при поглощении энергии солнечного излучения.

Другим примером синтетического процесса может служить синтез основного фотосинтетического пигмента — хлорофилла — из его предшественника протохлорофиллидина. Этот процесс протекает почти мгновенно в первые секунды освещения этиолированных проростков растения.

Процессы синтеза могут происходить и при действии излучения на более простые системы, например на смесь воды, углекислого газа, метана и аммиака. При этом могут образовываться жирные кислоты, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания. В последнее время эти реакции привлекают особое внимание исследователей, поскольку они могли служить источником возникновения жизни на Земле. Из выше-

названных простых соединений под действием энергии солнечных лучей могли синтезироваться полипептиды, нуклеиновые кислоты и другие вещества.

Ко второй группе фотобиологических процессов можно отнести процессы, не связанные с увеличением энергии системы и химическим синтезом. Это такие процессы, как зрение животных, фототаксис, фототропизм и фотопериодизм растений. Это сложные и вместе с тем строго закономерные явления: движение частей растения навстречу солнцу, суточный и годовой ритмы и т. д. С помощью этих процессов осуществляется регуляция роста и развития растений. Роль названных явлений, происходящих с участием электромагнитного излучения, заключается в получении информации организмом об окружающей среде. Переносчиком информации в данном случае служит свет.

К третьей группе фотобиологических процессов относятся такие процессы, результатом которых является поражение живой структуры, деструкция биологически важных соединений. Как следствие деструктивных изменений происходит подавление жизнедеятельности организма. Все эти деструктивные изменения наблюдаются главным образом при поглощении фотонов коротковолнового ультрафиолетового излучения, обладающих большой энергией.

Кроме этих групп фотобиологических процессов, известны и другие, пока еще мало изученные явления, например стимулирующее действие света на развитие животных. Еще известно явление фотореактивации — снятие поражающего действия ультрафиолетового облучения при последующем облучении организма видимым светом. К последним относится также явление сверхслабого свечения тканей, возникающего в ходе биохимических реакций.

Таким образом, даже беглый обзор основных фотобиологических процессов свидетельствует об их чрезвычайном многообразии и специфичности. Из этого обзора ясна также важность изучения фотобиологических процессов. Существует ли нечто общее во всех этих явлениях, что дало бы общие принципы для их изучения и анализа их механизма? Такая общность существует. Она заключается в глубоком сходстве самых первых этапов всех фотобиологических процессов — их фотофизических и фотохимических стадий.

В основе всех фотобиологических процессов лежат фотохимические реакции. К основным фотохимическим реакциям относятся следующие.

Фотоионизация — выбивание электрона квантом излучения за пределы молекулы. При фотоионизации образуются ионы или свободные радикалы.

Фотовосстановление и фотоокисление — перенос электрона с одной молекулы на другую. Одна молекула при этом окисляется, а другая восстанавливается.

Фотодиссоциация — процесс распада молекулы на ионы под действием кванта излучения.

Фотоизомеризация — изменение пространственной конфигурации молекулы под действием света, изменение структуры молекулы.

Фотодимеризация — образование химической связи между мономерами при действии фотонов света.

Таким образом, элементарная фотохимическая реакция может быть связана либо с потерей электрона молекулой, либо с его приобретением, либо с деструкцией молекулы. Деструкция молекул приводит к изменению их химических свойств; например, белок при деструкции теряет свои ферментативные своиства.

Любая фотохимическая реакция протекает в две стадии. Первая стадия — световая. Эта стадия представляет собой чисто физический процесс — поглощение кванта излучения молекулой. Молекула переходит при этом в возбужденное состояние:

где А —молекула вещества, поглощающая свет (часто этой молекулой является молекула пигмента, например молекула родопсина или хлорофилла); А* —та же молекула, нов возбужденном состоянии после поглощения кванта излучения hv.

Процесс возбуждения представляет собой акт запасания энергии молекулой. Электроны молекулы, участвующие в поглощении квантов, переходят при этом с основного энергетического уровня на более высокий уровень. Общая энергия молекулы повышается при этом на величину энергии поглощенного кванта. Процесс возбуждения молекулы обратим. Молекула может за очень короткое время (10^-12—10^-8 с) растратить запасенную энергию в тепло или высветить квант люминесценции и перейти в исходное невозбужденное состо- 7 3

Схема 4. Общая схема стадий фотобиололических процессов.

яние. Возбужденная молекула, обладая избыточным запасом энергии, может вступить в фотохимические реакции, которые в темноте термодинамически невозможны. Вступая во взаимодействие с окружающими молекулами, воспринимая или отдавая электрон, возбужденная молекула превращается в радикал, ион или ион-радикал. Образовавшиеся радикалы и ион-радикалы называются первичными восстановителями или первичными окислителями. На этом условно световая стадия фотохимической реакции заканчивается.

Вторая стадия фотохимической реакции называется темновой. Образовавшиеся первичные восстановители и первичные окислители — радикалы — содержат неспаренные электроны на внешних орбитах и поэтому обладают высокой химической активностью. Они способны уже в темноте осуществлять окислительно-восстановительные реакции. Первичные восстановители и первичные окислители вступают в сопряжение с биохимическими реакциями и изменяют их. Изменение биохимических реакций приводит к изменению общефизиологического состояния организма и к совершению какого-либо физиологического акта.

Таким образом, всякий фотобиологический процесс можно представить следующей схемой: поглощение квантов — фотохимические реакции — химические и биохимические реакции — физиологический акт. В качестве физиологических актов можно назвать следующие: выделение кислорода при фотосинтезе, движение листьев у растений навстречу солнцу, реакция живот-

ного на освещение, гибель организма при сильном облучении и т. д.

Приведенный путь фотобиологического процесса является не единственным. Энергия возбужденной молекулы может расходоваться еще по нескольким направлениям, кроме основного, рассмотренного выше: 1) высвечиваться (люминесценция); 2) переходить в тепло;

3) передаваться другой молекуле (миграция, энергии);

4) молекула может переходить в триплетное состояние (схема 4). После миграции энергии или перехода молекулы в триплетное состояние снова могут происходить дальнейшие фотохимические превращения.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

Согласно основному закону фотохимии, который является следствием закона сохранения энергии, фотохимическое действие может оказывать только тот свет, который поглощается данной системой. Тот свет, который не поглощается данной системой, фотохимических реакций вызывать не будет. Поэтому для рассмотрения энергетики фотобиологического процесса необходимо знать поглощательную способность системы. В этом отношении наиболее существенны два фактора: 1) общее количество поглощаемой энергии или число квантов, поглощаемых в единицу времени (первый фактор). Этот показатель обычно оценивается с помощью оптической плотности объекта; 2) величина поглощаемого кванта (второй фактор). Первый фактор определяет возможное число реакций, совершающихся в единицу времени, т. е. скорость процесса. Второй фактор определяет энергетику самой фотореакции, т. е. определяет, какая реакция возможна.

Поток световых квантов, проходя через систему, содержащую молекулы вещества, ослабляется. Ослабление потока квантов происходит вследствие того, что часть квантов поглощается (захватывается) молекулами. Пусть I — интенсивность светового потока, т. е. количество квантов, проходящих через данный образец в единицу времени. Ослабление интенсивности света dI будет зависеть от количества столкновений квантов с молекулами вещества. Очевидно, что число этих столкновений пропорционально числу молекул на пути све-

тового потока, т. е. пропорционально концентрации С вещества. С другой стороны, оно должно быть также пропорционально количеству самих квантов, проходящих через систему в единицу времени, т. е. интенсивности светового потока I. Если взять достаточно малое расстояние dI, на котором происходит поглощение, то ослабление интенсивности потока dI будет пропорционально этому расстоянию. Установленные зависимости можно выразить уравнением:

— dI = k • I • С • d l, (3)

где k — коэффициент пропорциональности; знак «минус» перед dI показывает, что световой поток уменьшается. Уравнение (3) представляет собой линейное дифференциальное уравнение первого порядка. Запишем его в следующем виде:

Проинтегрировав левую и правую части, получим:

где l — толщина образца (длина оптического пути); В — константа интегрирования, которую необходимо определить. Пусть l = 0, Тогда

В= -ln I ₀,

где I ₀ — интенсивность потока, входящего в вещество. Подставляя значение В в предыдущее уравнение, получаем:

ln I ₀— 1n I = k • C • l, или

(4)

Отсюда

I = I ₀ • e- ^{k C l} (5)

где е — основание натуральных логарифмов.

Уравнения (4) и (5) являются выражением закона Ламберта—Бера: интенсивность светового потока, про ходящего через вещество, экспоненциально уменьшается в зависимости от длины оптического пути и концентрации вещества в образце.

В уравнении (4) заменим натуральный логарифм на десятичный и новый коэффициент пропорциональности обозначим ε. Тогда.

(6)

Десятичный логарифм отношения интенсивности падающего света к интенсивности выходящего из образца, света называется оптической плотностью. Обозначив ее через D, получим:

(7)

В этом случае закон Ламберта—Бера можно сформулировать следующим образом: оптическая плотность об разца прямо пропорциональна концентрации вещества в образце и длине светового пути. В уравнении (7) ε называется молярным коэффициентом поглощения. Если l = 1и С =1, то ε=D т. е. — это оптическая плотность образца толщиной в одну единицу (1 см) при концентрации вещества 1 моль/л.

Оптическая плотность показывает поглощательную способность вещества. Поглощение тем больше, чем больше отношение I ₀/ I, т. е. чем больше оптическая плотность.

Вещество неодинаково поглощает свет различной длины волны. Кривая зависимости оптической плотности вещества от длины волны поглощаемого света называется спектром поглощения. Обычно спектры поглощения молекул имеют непрерывный характер, но обнаруживают максимумы на той длине волны света, где имеется максимальное поглощение квантов света. На рис. 10 приведены спектры поглощения некоторых биологически важных соединений, поглощающих свет в видимой и ультрафиолетовой областях солнечного спектра. Белки имеют максимум поглощения на длине волны 280 нм, нуклеиновые кислоты — в области 260 нм, родопсин— 500 нм, хлорофилл а имеет два максимума поглощения: 430 и 680 нм.

Как видно из рисунка, спектры поглощения имеют иногда довольно сложный вид, характерный для данного вещества и зависящий от структуры и свойств молекул данного вещества.

Изучение спектров поглощения какого-либо фотобиологического процесса позволяет выяснить, какое вещество ответственно в данном процессе за поглощение света. Это достигается в результате сравнения спектров исследуемого процесса и спектров известных веществ. Кроме этого, по положению максимумов на шкале длин. волн можно определить длину волны света, преимущественно поглощаемого этим веществом. Знание длины волны поглощаемого света позволяет определить энергию поглощаемых квантов. А по величине энергии поглощаемых квантов можно рассчитывать расположение электронных и колебательных энергетических уровней молекулы, а также переходы молекул из одного энергетического состояния в другое. Кроме всей этой информации, величина оптической плотности дает сведения о концентрации вещества в исследуемой пробе. По величине максимумов поглощения на основании уравнения (7) можно делать заключения о концентрации вещества в исследуемом объекте.

Метод исследования фотобиологических процессов с помощью спектров поглощения называется абсорбционной спектрофотометрией. Спектры поглощения получают с помощью специальных приборов — спектрофотометров. На рис. 11 изображена схема строения спектрофотометра. Свет от источника света Л попадает в монохроматор М, который дает излучение строго определенной длины волны. Из монохроматора свет попа-

дает в кювету К с раствором исследуемого вещества. Из кюветы ослабленный поток квантов направляется в ФЭУ — фотоэлектронный умножитель, который преобразовывает энергию квантов в электрическую энергию и усиливает ее. В некоторых случаях вместо ФЭУ может быть использован обыкновенный фотоэлемент с усилителем. От ФЭУ электрический ток поступает на регистрирующее устройство Г, прокалиброванное в единицах оптической плотности. Им может быть гальванометр или самописец. Поворачивая ручку монохроматора, на объект посылают свет различной длины волны и с регистрирующего устройства снимают показания.

В современных спектрофотометрах спектр монохроматора развертывается автоматически и также автоматически записываются показания на движущейся ленте самописца. В этом случае кювету с раствором ставят в камеру, включают прибор и получают готовую кривую — спектр поглощения.