А.Б.Рубін, О.Р.Кольс, Т.Е.Кренделева та ін
Однієюз найважливіших фундаментальних проблем біофізики є розшифровка механізмівпервинних процесів дії світла на різні біологічні системи. Світлоє одним з ключових факторів середовища проживання більшості організмів.Рецепція світла і трансформація його енергії лежить в основі зору, фотосинтезу іряду фоторегуляторних процесів у рослин, в ініціації яких беруть участьспеціалізовані фоторецептори, наприклад, родопсин, хлорофіл, фітохром, фототропін,кріптохром. Поглинаючи світло певного спектрального діапазону, фоторецепторивступають в фотохімічні реакції з утворенням первинних фотопродуктов.Останні беруть участь у біохімічних процесах клітинної регуляції, що призводитьдо розвитку кінцевих фотобіологічних ефектів. У той же час світло індукуєпротікання в клітинних структурах різних деструктивних фотохімічнихреакцій, природа і ефективність яких залежить від довжини хвилі і інтенсивностівипромінювання, наявності відповідних фотоактивних хромофорів і їх внутрішньоклітинноїлокалізації, а також здатності клітин до фотозащіте і репараціїфотоповрежденія. Найбільш ефективно деструктивні реакції індукуютьсявисокоенергетичним ультрафіолетовим (УФ) випромінюванням (<290 нм). Екологічнимикомпонентами оптичного випромінювання сонця яаляется середньохвильове УФ (СУФ, 290-320нм), довгохвильовий УФ (ДУФ, 320-400 нм) і видиме світло (400-700 нм).Зменшення концентрації стратосферного озону веде до підвищення інтенсивностіСУФ, який за рахунок прямого поглинання нуклеїновими кислотами та білкамивикликає утворення в них пошкоджень, що обумовлюють цитотоксичні, мутагенніі канцерогенні ефекти. ДУФ і видиме світло, які макромолекуламибезпосередньо не поглинаються, можуть індукувати деструктивні реакції зарахунок фотосенсибілізації за участю ендогенних і екзогенних сенсибілізатора(Хромофорів), здатних у фотозбудження змозі реагувати збіосубстратами з утворенням реакційноздатних радикалів або генеруватиактивні форми кисню, які викликають окислювальний стрес.
Молекулярна фотобіологія
-->>
Дослідженняв цій області пов'язані з вивченням фундаментальних механізмів впливу світлана клітини дріжджів і бактерій. Основна проблема полягає у виявленніфотоіндукованих реакцій і вивченні природи світлочутливості живийклітини при дії оптичного випромінювання. У центрі уваги -експериментальне вирішення наступних питань:
якіпотенційно фотоактивних хромофори (сенсибілізатори) можуть вступати вфотохімічні реакції в клітці, яка не містить спеціалізованіфоторецепторні системи;
якаприрода первинних фотопродуктов, відповідальних за розвиток кінцевогофотобіологічних ефекту;
якезначення для протікання фотореакцій і прояви ефекту мають внутрішньоклітинналокалізація фотоактивного хромофора та його молекулярне мікрооточення;
якімеханізми можуть лежати в основі фотоіндукованого модифікації цитотоксичнихефектів оптичного випромінювання, яка спостерігається при комбінованихвпливах світла різної довжини хвилі і інтенсивності.
Дослідження,проведені на клітинах дріжджів, дозволили виявити, що низькоінтенсивниймонохроматичне світло в діапазоні 290-380 нм індукує два різнихфотобіологічних ефекту в залежності від дози опромінення: фотозахист відУФ-інактивації та фотостимуляції розмноження клітин. Обидва ефекти засновані на фотомодуляцііактивності ферменту, що каталізує синтез серотоніну - метаболіту, у якогобули виявлені раніше не відомі функції - протектора ДНК від УФ-пошкоджень ірегулятора клітинного поділу. При більш високих інтенсивностях і дозах ДУФ-випромінювання викликає летальний ефект, в основі якого лежать фотодинамічноїреакції. Показано, що функцію ендогенного сенсибілізатора виконуєлокалізований в ядрі клітини НАДН. Встановлено здатність НАДНфотогенеріровать супероксидний аніон-радикал кисню з наступнимутворенням перекису водню і гідроксильного радикала, якийбезпосередньо бере участь у формуванні одноланцюгових розривів ДНК.Короткочасна дія видимого світла в малих дозах (максимумефективності в червоній області спектру при 680 нм) індукує захисний ефектв умовах інактивує опромінення клітин СУФ і ДУФ. Встановленоцитотоксична дія видимого світла, опосередковане ендогеннимсенсибилизатором протопорфірину. В умовах індукованого накопичення в мітохондріяхклітини високого рівня сенсибілізатора та подальшої його РЕЛОКАЛІЗАЦІЇ вплазматичну мембрану і ядро ​​спостерігається багаторазове збільшення летальногоефекту внаслідок взаємодії деструктивних процесів, що протікають в цихструктурах.
ВЯк першочергове завдання при вивченні молекулярного механізмувиявленого фотозахисні ефекту, індукованого червоним світлом, необхіднаідентифікація фоторецептора, опосредующего цей ефект. Отримані раніше данідають підстави припускати, що фоторецептором в дріжджовий клітці можеслужити хромопротеїд, аналогічний фітохром - універсальному фоторегуляторномупигменту рослин. У мікроорганізмів функціональна роль фітохромом поки невизначена, хоча гени, що кодують апофітохром, нещодавно знайдені у деякихбактерій і грибів. Інше завдання пов'язана з вивченням молекулярних основфотосенсибілізуючу активності і фотолабільності ендогенного протопорфірину, що бере участьв фотодинамічної інактивації дріжджових клітин, в залежності від молекулярногомікрооточення.
Молекулярні механізми фотосинтезу
Найважливішоюфундаментальною проблемою біофізики є вивчення фотосинтезу - процесуперетворення світлової енергії сонця в хімічну енергію тканинфотосинтезуючих організмів. У первинній (світловий) стадії енергія поглинутихквантів світла використовується для розриву хімічних зв'язків відновлювача (ввипадку вищих рослин - для фотолізу води), а частина її, в кінцевому рахунку, запасаєтьсяв нових хімічних зв'язках. У подальшій (темнової) стадії фотосинтезузапасені енергія використовується для відновлення вуглекислоти до цукрів увідновлювальному пентозофосфатном циклі, здійснюється створення органічногоречовини з неорганічної. Первинні процеси фотосинтезу включають кількаетапів: поглинання світла хлорофілом антенного комплексу, міграцію енергіїпоглинених квантів до реакційним центрам (РЦ) фотосистем, фотохімічнеподіл зарядів, перенос електронів по фотосинтетичноїелектрон-транспортного ланцюга, сполучений з запасанием енергії у вигляді хімічнихзв'язків кінцевого відновленого продукту - відновленого НАДФ, а такожАТФ.
Оскількирізні етапи первинних процесів фотосинтезу перебігають у різних компартментахфотосинтетичної мембрани і характеризуються різними часами, длярозуміння механізму процесу фотосинтезу необхідні дослідження, що проводятьсяфахівцями різного профілю та використанням об'єктів різної складності - відізольованих макромолекулярних білкових і пігмент-білкових комплексів, різнихсубхлоропластних частинок, хлоропластів, фотосинтезуючих клітин водоростей донативних рослин. Це вимагає співпраці фотофізіков, біохіміків іфізіологів рослин. Крім того необхідна лабораторна техніка, що дозволяєдосліджувати процеси в різному временнГім діапазоні.
Ключовийенергопреобразующей структурою в фотосинтезуючих організмах єреакційні центри фотосистем, вбудовані в фотосинтетичні мембранипігмент-білкові комплекси, що виконують за рахунок енергії світла високоефективний(Квантовий вихід - до 100%) і дуже швидкий (менш 1 нс) трансмембраннийперенос електронів проти напрямку термодинамічного потенціалу, вВнаслідок чого, у кінцевому підсумку, і запасається сонячна енергія.
Впроведених дослідженнях використовуються різні сучасні методи кінетичноїабсорбційної та люмінесцентної спектрофотометрії широкого часового діапазонуреєстрації, ЕПР, ЯМР, ядерний гамма-резонанс, сучасні підходитеоретичного аналізу одержуваних результатів і побудови адекватнихфізичних моделей процесів. Є біохімічна база для отриманнявисокочистих активних фотосинтетичних препаратів різного складу, включаючиізольовані мембранні білково-пігментні комплекси різного рівняорганізації. Основними методами вивчення ме...
