Біофізика фотобіологічних процесів

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...ханізмів перетворення світловоїенергії в первинних стадіях фотосинтезу є:

виміркінетик загасання флуоресценції (імпульсна флуориметрії) з тимчасовимдозволом до 10 -12 с;

лазернаабсорбційна спектроскопія фемто-, піко-і наносекундного (10 -14 - 10 -8 с)діапазону, що дозволяє досліджувати послідовність і швидкості реакційперетворення енергії кванта світла в енергію електрохімічного потенціалу;

спектроскопіякомбінаційного розсіювання світла, що дозволяє вивчати природу хімічних зв'язківсинтезованих під дією світла з'єднань;

широкийспектр традиційних методів оптичної спектроскопії, спектроскопії перехіднихпроцесів, комп'ютерного моделювання та радіоспектроскопії.

Методамиімпульсної флуорометріі і абсорбційної спектроскопії високого (10 -14 - 10 -8з) тимчасового дозволу досліджуються процеси міграції енергії електронногозбудження в антенних пігмент-білкових комплексах, захоплення збудженняфотоактивним пігментом РЦ - первинним донором електрона, і темнова реакціїподілу зарядів і переносу електрона в акцепторної ланцюга електронноготранспорту. Показано, що білки, що містять пігменти антени і кофактор, зачаси менш 10 -12 с здатні здійснювати тонку підстроювання початкових ікінцевих станів донора і акцептора енергії (електрона). У самий початковиймомент часу виникає неравновесное початковий стан донора енергії(Електрона). В результаті процесу сольватації за участю водневих зв'язківвідбувається зниження рівня енергії донора і формування найбільш вигідноюконфігурації потенційної поверхні для реактантов. Як наслідок, імовірністьзворотних (даремних) реакцій падає, а ефективність прямих енергетичновигідних реакцій істотно зростає.

Нанорозмірні синтетичні енергопреобразующіесистеми

Базовіпринципи високоефективного перетворення світлової енергії при фотосинтезілягли в основу створення синтетичних енергопреобразующіх структур на основіпорфіринів. Сконструйовані різні хімічні структури, здатні до 1%міжмолекулярних (діади) і внутрішньомолекулярних (димери) перенесенню енергіїелектронного збудження від донора до акцептора. У цих синтетичнихтрикомпонентних системах (безметалльний порфирин - Zn порфирин - хінон)здійснена послідовність подій, що реалізовуються в фотосинтезуючихорганізмах: поглинання світла в†’ міграція енергії в†’ поділзарядів. Такі синтетичні структури можуть стати прообразом штучнихенергопреобразующіх пристроїв майбутнього.

Перспективи(Як у фундаментальному, так і в прикладному аспекті) пов'язані з можливістюстворення гібридних нанорозмірних біоенергетичних та біосенсорних пристроїв.Фотосинтетичний реакційний центр є природним наноструктурнихосвітою. Саме специфіка протікання фотофізичних і фотохімічних процесівв нанорозмірних структурах пояснює унікальні енергопреобразующіе властивостіфотосинтетичних РЦ. Гібридні пристрої типу: РЦ - нанотрубка абомолекулярний провід - електрод - зовнішня електрична ланцюг можуть статипрообразом біоелектричних генераторів енергії.

Бактеріородопсин

Еволюційнонайбільш раннім фотопреобразующім комплексом є білок бактеріородопсин, що здійснюєсветоиндуцированного трансмембранний перенос протонів, що створюють В«рушійну силуВ»для подальшого синтезу АТФ. Цей білок, що виконує в даний час функціїтак званого В«бесхлорофільногоВ» фотосинтезу у деяких видів архей, надзвичайностійкий до різних впливів. Фізичні механізми функціонуванняданого фотопреобразующего комплексу привертають найпильнішу увагудослідників протягом останніх десятиліть.

Впроведених на кафедрі біофізики роботах було показано, що конформаційнарухливість фототрансформірующіх білків, як і у випадку класичних ферментів,відіграє ключову роль в їх функціонуванні. Її роль проявляється, починаючи зпикосекундной стадій переносу електрона, в яких мікроконформаціоннаядинаміка забезпечує швидкі релаксаційні процеси, що супроводжуютьефективну тимчасову стабілізацію первинного поділу заряду. Набагато більшповільні конформаційні зміни, що призводять до формування виділенихструктурних станів макромолекулярного комплексу, контролюють спрямованістьі швидкість подальшого перенесення зарядів. Була показана найважливіша роль станувнутрішньомолекулярних водневих зв'язків у зазначених процесах.

Детальневивчення впливу температурного фактора на первинні фотофізичні процесиперетворення світлової енергії дозволило сформулювати концепціюфотоконформаціонного переходу як ефективного механізму регулювання швидкостіпереносу електронів в фоточутливої вЂ‹вЂ‹макромолекулярної структурі.

Іммобілізаціяцих білків в полімерних матрицях, формування на їх основі тонкихорієнтованих плівкових структур, включення напівпровідникових та інших електропровіднихкомпонентів в створювані конструкції відкриває широкі можливості вивченняпрактичного застосування білків РЦ і бактериородопсина. Є приладова базадля формування та вивчення властивостей упорядкованих моно-і багатошаровийбагатокомпонентних плівкових конструкцій за участю фоточутливих білків(Техніка Ленгмюра-Блоджетт, атомно-силова та тунельна мікроскопія, електрохімічнийаналізатор).

Кисень-який виділяє комплекс хлоропластів (КВК)

фотохімічногоподіл зарядів в РЦ фотосистем індукує транспорт електронів в ЕТЦфотосинтезу. У вищих рослин і водоростей донором електронів є вода.Побічний продукт окислення води, кисень, викидається в атмосферу, йогонакопичення в атмосфері привело до її радикальної трансформації і послужилофундаментом для розвитку численних форм тварин. Процес, що супроводжуєтьсяфотоокислення води з виділенням кисню, називається Оксигену фотосинтезом,і початкові його стадії (окислення води) здійснюються в пігмент-білковому комплексіфотосистеми II. Поглинання світла ФС II пов'язане з роботою каталітичногоцентру - кисень виділяє комплексу. КВК складається з 4 катіонів марганцю і 1катіона кальцію. Фундаментальна роль даного металоферментів вфункціонування біосфери визначає високу інтенсивність дослідженьмеханізмів роботи КВК і ФС II. Однак, незважаючи на значні успіхи врозумінні основ функціонування ФС II, робота її ключової ланки, КВК, все щезалишається неясною.

Впроводяться в даний час дослідженнях ФС II широко використовуються новітніметоди, що застосовуються в передових областях біофізики, біохімії, молекулярноїбіології, нанотехнології для вивчення каталітичних центрів металоферментів, механізміввнутрішньо-і міжмолекулярної перенесення електрона, структурної організації тафункціонування наноструктур. До них можна віднести різні методи реєстраціїфлуоресценції, рентгеноструктурний аналіз, точковий мутагенез, комп'ютернемоделювання структури, рентгенівську спектроскопію, ЕПР, інфрачервонуспектроскопію з Фур'є розкладанням і т.д. Дослідження КВК, що проводяться накафедрі біофізики, спрямовані на з'ясування структурної організації КВК звикористанням розробленого методу заміщення катіонів марганцю на катіонизаліза, а також ролі кофакторів КВК - катіонів кальцію і аніонів хлору - вокисленні води.

Проблеми регуляції первинних процесів фотосинтезу

Фотосинтетичнийапарат має складну багаторівневу систему регуляції, яка повинназабезпечувати ефективне використання енергії світла, а також сполученнясвітлових і темнових процесів фотосинтезу. Існує ціла ієрархіярегуляційних механізмів, що залежать від фізіологічного стану і змінсередовища, які умовно можна розділити на В«повільніВ» і В«швидкіВ». В«ПовільніВ»припускають перебудову і зміну структури хлоропласта і його компонентів, їхдія пов'язана з включенням генетичного апарату і синтезом нових білків, длячого потрібен певний час (хвилини, години). Ці процеси залежать відроботи регуляторних білків, які активуються під дією світла.

МеханізмиВ«ШвидкійВ» регуляції, відповідальні за динамічні зміни у функціонуванніокремих ділянок фотосинтетичного ланцюга, з синтезом білка не пов'язані. Вонизасновані на змінах констант взаємодії переносників, наприклад, внаслідокзміни їх конформації, і спрямовані на недопущення перевосстановленності ЕТ...Цпри високих освещенностях. З результатів досліджень останніх років, проведенихна кафедрі біофізики, можна припускати, що наслідком наявності гнучкої системирегуляції є захист від окисних пошкоджень, а метою швидкої

Наявність

Існуєфлуоресценції.

Перспективнимплям.

ЯкВ

Проумов.

Вельми.

Список літератури

Для