Фотобиология

- Франц Болл открыл зрительный пурпур – родопсин сетчатки глаза,

наблюдая выцветание сетчатки лягушки при освещении.

1967 г. – Джордж Уолд - Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытия, связанные с первичными физиологическими и химическими зрительными процессами»

глаза.

клетки-фоторецептора - палочки

палочки.

глаза и сетчатки .

г. по химии «за раскрытие подробной схемы того, как работают

рецепторы, связанные с G-белками (GPCRs)»

Роберт Лефковиц

Брайан Кобилка

на структуре родопсина, но необходимость в новых структурах GPCR-рецепторов просто огромна. Особенно это

касается тех из них, для которых пытаются разработать новые лекарства».

• Выявлено более 1000 генов человека, которые кодируют белки сем. GPCR (1-2% генома).
• Около половины GPCR реагируют на запахи и являются частью обонятельной системы.
• Одна треть – это рецепторы сигнальных соединений (дофамина, серотонина, простагландина, глюкагона, гистамина).
• Около 40% лекарственных средств направлены на GPCR

ретиналя.
Помимо белковой части – опсина, молекула родопсина включает остаток

11-цис-ретиналя, связанный ковалентно с
ε- аминогруппой остатка лизина. Родопсин обладает характерным спектром поглощения при 500 нм.
Поглощение молекулой кванта света индуцирует изомеризацию 11-цис-ретиналя в полностью транс-форму. В результате изменяется геометрия ретиналя, а спустя 10 мс происходит аллостерический переход родопсина в его активную форму

родопсина.

синтез
АТФ в клетках H. halobium
В 1971 году В.

Стоккениус и Д. Остер-хельт выделили из галофильных бактерий Halobacterium halobium хромопротеид интенсивного пурпурного цвета.

В качестве хромофорной части группы бактериородопсин содержит 13-цис и транс-ретиналь. Бактериородопсин выполняет роль светозависимого протонного насоса, создающего градиент ионов водорода, энергия которых используется для синтеза АТФ

моря с галобактериями

- вид вдоль мембраны, б - вид на мембрану сверху).

Цилиндрами показаны семь спиралей этого белка. Показаны и соединяющие эти спирали петли, а также (голубым цветом) молекула ретиналя, прикрепленная внутри бактериородопсина.    

протона

счет энергии света у H. halobium

счет энергии света у H. halobium
Протонная проводимость осуществляется при содействии прикрепленной

внутри пучка спиралей молекулы кофактора — ретиналя. Он перекрывает центральный канал бактериородопсина. Поглотив фотон, ретиналь переходит из полностью-транс в 13-цис форму. При этом он изгибается и переносит протон с одного конца семиспирального пучка на другой. А потом ретиналь разгибается и возвращается назад, но уже без протона.

транспорт:
генерация АТФ в реакторах;
опреснение морской воды;
генерация электрической энергии из света;
фотоэлектрические

применения:
ультрабыстрая световая детекция;
искусственная сетчатка;
детекция подвижности;
фотохромные применения:
хранение информации:
2D-носители;
3D-носители;
голографические носители;
различные применения:
детекция радиации;
биосенсорные приложения.

в РЦ фотосистем - ФСI и ФСII

2)Фотохимические реакционные центры (РЦ),

где происходит трансформация электромагнитной энергии в химическую. Совокупность РЦ и светособирающих пигментов – фотосинтетическая единица (300 мол хлорофилла)

3)Фотосинтетические электрон-транспортные системы, обеспечивающие перенос электронов, сопряженный с транслокацией протонов, созданием ∆μн+ и синтезом АТФ и НАДФН

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Солнцем
1) Цикличность в работе хлорофилла (донор ↔ акцептор) была открыта

в 1948 г. акад. Красновским (реакция обратимого фотохимического восстановления хлорофилла)
2) Функциональный элемент тилакоидной мембраны – квантосома - ФСI + ФСII, которые сопряжены системой переноса электронов
3) Перенос протонов от Н2О до НАДФ+ сопровождается транспортом 4 электронов против градиента редокс- потенциала от +0,81 В →
-0,43 В, ∆ Е0׀ = 1,24 В, что требует энергии квантов света.
4) Z-схема фотосинтеза описывает путь, по которому электроны от Н2О переходят к НАДФ+ , согласно уравнению:
2 Н2О + 2НАДФ+ + 8 фотонов → О2 + 2НАДФН + 2Н+

На каждый электрон, переходящий от Н2О к НАДФ поглощается 2 фотона, по одному на каждую фотосистему

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

мембране

биохимии и микробиологии

ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
У растений фотосистема I направляет поток

электронов от реакционного центра Р700 по цепи переносчиков к ферредоксину, который передает их на восстановление НАДФ+ до НАДФН
Реакционный центр Р680 фотосистемы II растений высвобождает богатые энергией электроны и передает их пластохинону. Возникшая в ФСII электронная "дырка" заполняется электроном от Н2О.
Фотолиз воды высвобождает О2. Восстановленный пластохинон переносит е− на цитохром b6f и затем на Р700, заполняя «дырку», образовавшуюся при потере е− в результате фотовозбуждения.
4) Поток электронов через фотосистемы I и II приводит к образованию НАДФН и АТФ (3:2). Циклический поток электронов приводит только к образованию АТФ.

электронов направляется от Н2О через ФСII, промежуточную цепь переносчиков и

ФСI к НАДФ+.
2) Перенос электронов через цепь переносчиков, связывающих ФСI и ФСII, вызывает перекачивание протонов внутрь тилакоида (люмен).
3)Возврат протонов Н+ наружу в строму происходит через протонные каналы СFo АТФ-синтазы. СF1 АТФ-синтаза катализирует синтез АТФ.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

В хлоропластах (а) фактор сопряжения F1 ориентирован во

внешнюю среду (строму), а в митохондриях ( б) обращён в сторону матрикса (внутренняя часть митохондрии)

в митохондриях и хлоропластах
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

а) реакции фотолиза воды и б) перенос электронов через цитохромный

комплекс b6f. Оба эти процесса сопровождаются перекачиванием протонов через мембрану тилакоидов против градиента концентрации в люмен, где ∆рН=3,0. Протоны воды закачиваются в люмен (внутреннее пространство тилакоидов) с помощью кислород-образующего Мn-содержащего белкового комплекса, который является протонным насосом, работающим за счет энергии переноса электронов.

2)Создаваемая при этом протон-движущая сила служит источником энергии для синтеза АТФ АТФ-синтазой. Это процесс фотофосфорилирования.

дыхания, которые обеспечивают кругооборот электронов в биосфере
ФГОУ ВПО ЮФУ каф.

биохимии и микробиологии

процессе фотосинтеза, пополняя электронный фонд хлорофилла Р680 по мере

потери им своих π-электронов под действием Солнца, а клеточное дыхание снова порождает воду, электроны которой не способны придать ей химическую активность в организме животных и человека. Этот кругооборот электронов называют «электронным чертовым колесом биосферы»: от воды к жизни через фотосинтез и обратно к воде через клеточное дыхание. Крутит это электронное колесо биосферы Солнце.

В случае микроорганизмов различают бактериостатический (клетки живут, но не размножаются)

и бактерицидный (клетки гибнут) эффекты.
Мутагенные, канцерогенные эффекты, эритемное действие на кожу.
Фотодинамический эффект – сенсибилизация организма к действию видимого света в присутствии фотосенсибилизатора (красителя, пигмента) и кислорода. Данный эффект был открыт
О. Раабом и Х. фон Таппайнером в в 1888 г. Суть открытия: когда интенсивность света в поле микроскопа была достаточно большой, окрашенные акридином или другими флуоресцирующими красителями клетки парамеции прекращали движение и погибали, причем спектр действия этого эффекта соответствует спектрам поглощения красителей.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

образованием катион-радикала и сольватированного электрона. При распаде катион-радикала возникает нейтральный

радикал.
АН + hν = АН* = AH+• + esolv
AH+• = A• + H+
2) Фотолиз цистина с разрывом S-S связей и возникновение радикала цистеина – тиильного радикала (CS•)
2.Действие УФ-излучения на нуклеиновые кислоты
1) Образование фотодимеров тимина, урацила, цитозина и смешанных димеров.
2) Реакция гидратации урацила и цитозина.
3) Разрывы полинуклеотидной цепи ДНК.
4) Образование внутримолекулярных ковалентных сшивок между двумя комплементарными цепями ДНК в растворе.
5) Фотоденатурация ДНК.
6) Индукция сшивок нуклеиновая кислота-белок в составе РНП и ДНП.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

липидов (индуктор – синглетный кислород)
2) Повышение проницаемости биомембран для различных

веществ, и прежде всего для ионов.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Важный путь образования 1О2 – фотодинамические реакции с участием пигментов

- сенсибилизаторов.
Токсичность пигментов и красителей, которая появляется на свету и в присутствии кислорода, называется фотодинамическим действием.

2.Вызывает развитие фотодинамических болезней человека, животных, растений (гиперицизм, фагопиризм, порфирии, церкоспороз).

3.Создание новых медицинских технологий - фотодинамическая терапия рака (Т.Догерти, 1970); внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК).

Фотосенсибилизаторы - это вещества, которые способны "усиливать" действие света за счет передачи его энергии другим веществам и тем самым запускать цепь различных физических и химических процессов.

синтезе гема, что приводит к появлению необычно большого количества фотосенсибилизаторов

- порфиринов в крови, тканях и моче.

Важнейшие симптомы: сверхчувствительность кожи к свету - эритемы, язвы, желудочно-кишечные расстройства, боли, онемения мускулов. Некоторые формы порфирии поражают ЦНС (недостаток производного порфирина витамина В12 ), диапазон проявлений: от раздражительности и мрачности до полной психической ненормальности.

По мнению доктора Дэвида Долфина, известного специалиста по порфирии, люди,

которых в Средние века считали вампирами или оборотнями, могли страдать именно эти редким заболеванием.
Д. Долфин утверждает, что на больного отрицательно влияет даже слабый солнечный свет. Повреждения кожи бывают такими серьезными, что нос или пальцы могут полностью разрушиться. Губы и десны могут значительно уменьшиться при сохранении нормальных размеров зубов — в результате получается подобие звериной челюсти с клыками. К тому же у больных порфирией бывает усиленный рост волос. Д. Долфин пишет:
…попробуйте представить, как в Средние века воспринимали того, кто выходил на улицу только по ночам, а вид его напоминал звериный — повышенная волосатость, крупные зубы, обезображенное лицо. Предполагается (и это более чем вероятно), что таких людей вполне могли считать вампирами и оборотнями.

Д. Долфин предполагает, что эти люди были жертвами порфирии и «стремились ослабить симптомы своей страшной болезни». Больные порфирией отчаянно желали достать кровь, поскольку из-за нехватки гемоглобина наступала смерть. Хотя эффект от гемоглобина, попадающего в организм, чрезвычайно мал, т.к. он расщепляется в желудочно-кишечном тракте, но гем, в принципе, может использоваться для синтеза собственного гемоглобина.

гем, ПФ входят в состав цитохромов и других ферментов

свету и ультрафиолетовым лучам, вызывает заболевание животных гиперицизм

свету и ультрафиолетовым лучам, вызывает заболевание животных фагопиризм

белок церкоспорин, запускающий реакцию фотосенсибилизации и образование АФК).

- активно развивается во многих странах мира
Принцип метода: опухолевые клетки

разрушаются под действием активных форм кислорода, которые образуются в фотохимической реакции фотосенсибилизации.

Необходимые условия ФДТ :
свет определенной длины волны,
Фотосенсибилизатор (ФС), избирательно накапливающийся в опухолевых клетках,
кислород.
ФС переносит энергию света на кислород, благодаря чему последний переходит в возбужденное синглетное состояние и вызывает разрушение опухолевых клеток.

глаза.