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

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 10

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

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии 13

Схема активации зрительного каскада ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии 14

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Пурпурная мембрана и бактериородопсин 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 Светозависимый синтез которых используется для синтеза АТФ в клетках H. halobium 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

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

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

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 31

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии 34

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

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

Основной фотохимический процесс – это индуцированный светом перенос электронов 1) 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 2) 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. 3) 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. 4) 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

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

Пути протонов и электронов в тилакоидной мембране 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 1. реакции фотолиза воды и 2. перенос электронов через цитохромный комплекс b 6 f сопровождаются перекачиванием протонов через мембрану тилакоидов в люмен, где ∆р. Н=3, 0 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 2) Эндергонический процесс: перенос е‾ идет по градиенту редокс- е‾ идет против градиента редокс- потенциала - от НАД+/НАДН потенциала – от Н 2 О (Ео 18, 0+ = ׀ В) к (Ео 23, 0 - = ׀ В) к О 2/ Н 2 О (Ео 28, 0+= ׀ В), НАДФ+/НАДФН (Ео 34, 0 - = ׀ В), ∆Ео 41, 1 =׀ В ∆Ео 42, 1 =׀ В и требует энергии фотонов 3)Проходит в митохондриях 3)Проходит в тилакоидах 4) АТР-синтасома → АТР-синтаза + 4) Квантосома → ФСI + ФСII аденин-нуклеотидтранслоказа + фосфаттранслоказа 5) ∆μн+ создается между 5) ∆μн+ между люменом тилакоида и межмембранным пространством стромой митохондрий и матриксом 6) Фактор F 1 АТР-синтазы обращен в 6) ) Фактор СF 1 АТР-синтазы обращен в матрикс, катализирует окислительное строму, катализирует фосфорилирование фотофосфорилирование

Электроны воды «оживляются» в процессе фотосинтеза, пополняя электронный фонд хлорофилла Р 680 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. ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

Повреждающие и летальные реакции при действии света 1. 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 Оскаром Раабом и Херманна 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

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

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

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.

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

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

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