Фотобиология ФГОУ ВПО ЮФУ каф биохимии и микробиологии

Фотобиология ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии 1

Биофизика зрительного восприятия 1877 г. - 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» ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Механизм зрительного восприятия. Строение глаза. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Строение сетчатки и зрительной клетки-фоторецептора - палочки ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Механизм зрительного восприятия. Строение палочки. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Механизм зрительного восприятия. Строение глаза и сетчатки. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Пространственная структура зрительного родопсина ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Лауреаты Нобелевской премии 2012 г. по химии «за раскрытие подробной схемы того, как работают рецепторы, связанные с G-белками (GPCRs)» Роберт Лефковиц Брайан Кобилка ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

• 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 «Мы ещё в начале пути» , — сказал Кобилка. — «В драгдизайне давно уже используют модели, основанные на структуре родопсина, но необходимость в новых структурах GPCR-рецепторов просто огромна. Особенно это касается тех из них, для которых пытаются разработать новые лекарства» .

Механизм зрительного восприятия. Строение 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 ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии 11

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Цикл фотопревращений родопсина. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии 14

Схема активации зрительного каскада ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии 15

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Пурпурная мембрана и бактериородопсин Светозависимый синтез АТФ в клетках H. halobium В 1971 году В. Стоккениус и Д. Остерхельт 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 ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Пруды на юге Мертвого моря с галобактериями ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Бактериородопсин в мембране (а - 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. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Структура бактериородопсина и путь протона ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Механизм перекачивания протонов за счет энергии света у H. halobium ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Механизм перекачивания протонов за 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. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Технические приложения бактериородопсина (проекты): протонный 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: 2 D-носители; 3 D-носители; голографические носители; различные применения: детекция радиации; биосенсорные приложения. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Фотоэнергетический процесс – фотосинтез

Состав фотосинтетического аппарата 1)Светособирающие пигменты, поглощающие энергию света и передающие ее 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

Хлорофилл – «электронный насос» , который приводится в действие и регулируется 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 Н 2 О до НАДФ+ сопровождается транспортом 4 электронов против градиента редокс- потенциала от +0, 81 В → -0, 43 В, ∆ Е 0 42, 1 = ׀ В, что требует энергии квантов света. 4) Z-схема фотосинтеза описывает путь, по которому электроны от Н 2 О переходят к НАДФ+ , согласно уравнению: 2 Н 2 О + 2 НАДФ+ + 8 фотонов → О 2 + 2 НАДФН + 2 Н+ На каждый электрон, переходящий от Н 2 О к НАДФ поглощается 2 фотона, по одному на каждую фотосистему ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Главные и вспомогательные фотопигменты ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии 37

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Строение фотосистемы в тилакоидной мембране ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Локализация ФСI и ФСII в тилакоидных мембранах ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Основной фотохимический процесс – это индуцированный светом перенос электронов 1) 2) 3) 4) У растений фотосистема I направляет поток электронов от реакционного центра Р 700 по цепи переносчиков к ферредоксину, который передает их на восстановление НАДФ+ до НАДФН Реакционный центр Р 680 фотосистемы II растений высвобождает богатые энергией электроны и передает их пластохинону. Возникшая в ФСII электронная "дырка" заполняется электроном от Н 2 О. Фотолиз воды высвобождает О 2. Восстановленный пластохинон переносит е− на цитохром b 6 f и затем на Р 700, заполняя «дырку» , образовавшуюся при потере е− в результате фотовозбуждения. Поток электронов через фотосистемы I и II приводит к образованию НАДФН и АТФ (3: 2). Циклический поток электронов приводит только к образованию АТФ. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Пути протонов и электронов в тилакоидной мембране 1) Индуцированный светом поток электронов направляется от Н 2 О 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. СF 1 АТФ-синтаза катализирует синтез АТФ. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Схема расположения H-ATP-синтазных комплексов. Хлоропласт Митохондрия В хлоропластах (а) фактор сопряжения F 1 ориентирован во внешнюю среду (строму), а в митохондриях ( б) обращён в сторону матрикса (внутренняя часть митохондрии) ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Сравнение направления движения протонов по градиенту и ориентации АТФ-синтазного комплекса в митохондриях и хлоропластах ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Фотофосфорилирование 1)Во время фотосинтеза происходят: а) реакции фотолиза воды и б) перенос электронов через цитохромный комплекс b 6 f. Оба эти процесса сопровождаются перекачиванием протонов через мембрану тилакоидов против градиента концентрации в люмен, где ∆р. Н=3, 0. Протоны воды закачиваются в люмен (внутреннее пространство тилакоидов) с помощью кислородобразующего 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-синтазой. Это процесс фотофосфорилирования. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Сравнение дыхания и фотосинтеза Дыхание Фотосинтез 1) х. АДФ + х. Рн + ½ О 2 + Н+ + НАДН 1) 2 Н 2 О + 2 НАДФ+ + 8 фотонов + → х. АТФ + Н 2 О + НАД‾ 3 АДФ + 3 Рн → О 2 + 2 НАДФН + 2 Н+ + 3 АТФ 2) Экзергонический процесс: перенос е‾ идет по градиенту редокспотенциала - от НАД+/НАДН (Ео 23, 0 - = ׀ В) к О 2/ Н 2 О (Ео 28, 0+= ׀ В), ∆Ео 41, 1 =׀ В 2) Эндергонический процесс: перенос е‾ идет против градиента редокспотенциала – от Н 2 О (Ео 18, 0+ = ׀ В) к НАДФ+/НАДФН (Ео 34, 0 - = ׀ В), ∆Ео 42, 1 =׀ В и требует энергии фотонов 3)Проходит в митохондриях 4) АТР-синтасома → АТР-синтаза + аденин-нуклеотидтранслоказа + фосфаттранслоказа 3)Проходит в тилакоидах 4) Квантосома → ФСI + ФСII 5) ∆μн+ создается между межмембранным пространством митохондрий и матриксом 5) ∆μн+ между люменом тилакоида и стромой 6) Фактор F 1 АТР-синтазы обращен в 6) ) Фактор СF 1 АТР-синтазы обращен в матрикс, катализирует окислительное строму, катализирует фосфорилирование фотофосфорилирование

Электронная схема жизни – это совокупность процессов фотосинтеза и клеточного дыхания, которые обеспечивают кругооборот электронов в биосфере ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Электроны воды «оживляются» в процессе фотосинтеза, пополняя электронный фонд хлорофилла Р 680 по мере потери им своих πэлектронов 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. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Повреждающие и летальные реакции при действии света Гибель организма при УФ-излучении. В случае микроорганизмов различают бактериостатический (клетки живут, но не размножаются) и бактерицидный (клетки гибнут) эффекты. 2. Мутагенные, канцерогенные эффекты, эритемное действие на кожу. 3. 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. 1. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Фотодеструктивные процессы 1. Действие УФ-излучения на белковые системы 1) Фотоионизация ароматических аминокислот с образованием катионрадикала 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

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

3. Действие УФ-излучения на липиды и биологические мембраны. 1) Перекисное фотоокисление липидов (индуктор – синглетный кислород) 2) Повышение проницаемости биомембран для различных веществ, и прежде всего для ионов. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Роль синглетного кислорода 1 О 2 1. Важный путь образования 1 О 2 – 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.

Фотодинамические болезни 1. Порфирии – клинические расстройства, связанные с нарушениями в 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 В 12 ), 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. 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. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Порфирины (ПФ)— самые распространенные пигменты в природе. К ним относятся хлорофиллы, гем, ПФ входят в состав цитохромов и других ферментов протопорфирин

Зверобой содержит гиперицин - вещество, повышающее чувствительность кожи к видимому свету и ультрафиолетовым лучам, вызывает заболевание животных гиперицизм

Гречиха содержит фагопирин - пигмент, повышающий чувствительность кожи к видимому свету и ультрафиолетовым лучам, вызывает заболевание животных фагопиризм Фагопирин

Церкоспороз листьев (сероватая пятнистость) – поражение растения грибром р. Cercospora (содержит белок церкоспорин, запускающий реакцию фотосенсибилизации и образование АФК).

Фотодинамическая терапия (ФДТ) – новый способ лечения некоторых видов рака - 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.

Основные этапы фотодинамической терапии рака.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Механизм зрительного восприятия. Строение глаза. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии