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-

71

 

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.

72

 

 

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-

74

 

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-

75

 

 

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.

76

 

 

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.

77

 

 

 

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-

78

 

 

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.