Первичные стадии фотобиологических процессов

К фотобиологическим относятся процессы, начинающиеся с поглощения света одним из биологически важных соединений и заканчивающиеся определенной физиологической реакцией организма. Различают негативные (вредные) и позитивные (полезные) фотобиологические процессы.

Негативные фотобиологические эффекты в организмах человека и животных делят на два типа: фототоксические и фотоаллергические

Фототоксическими эффектами называют световые повреждения кожи или глаз, не сопровождающиеся аллергическими реакциями. Клинически они проявляются в форме эритемы, эдемы, пигментации, помутнения хрусталика и т. д.

Фотоаллергические эффекты включают в себя первичный иммунологический механизм аллергической сенсибилизации.

К позитивным фотобиологическим эффектам у животных организмов относятся:

· зрение,

· фотопериодизм—регуляция суточных и годовых циклов жизни животных путем циклических воздействий свет : темнота. Процесс осуществляется под действием видимого света. У человека и млекопитающих фотопериодическим рецептором являются глаза, у некоторых птиц — гипоталамус, у рыб — эпифиз, у насекомых — мозг.

· Образование витамина D из провитаминов, происходящее под действием УФ-света.

У растений важнейшими фотобиологическими процессами являются фотосинтез, фототаксис, фототропизм, фотопериодизм.

Хотя фотобиологические процессы очень разнообразны, но любой из них можно разбить на ряд стадий:

1. Поглощение кванта света

2. Внутримолекулярные процессы размена энергии.

3. Межмолекулярный перенос энергии возбужденного состояния (миграция энергии).

4. Первичный фотохимический акт.

5. Темновые превращения первичных фотохимических продуктов, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов.

6. Биохимические реакции с участием фотопродуктов.

7. Общефизиологический ответ на действие света.

ИК, видимое и УФ-излучения могут вызывать фотобиологические процессы в биоструктурах.

Видимый свет вызывает в растениях реакции фотосинтеза,

При действии дальнего УФ-излучения ε > 12 эВ может происходить образование свободных радикалов ароматических и серосодержащих белков и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот.

ИК и видимые волны активируют термо- и зрительные рецепторы соответственно. Действие ИК-излучения на организм связано, прежде всего, с тепловым эффектом в поверхностных тканях. Для прогрева используют коротковолновую часть ИК-диапазона.

УФ-излучение проникает в ткани организма на глубину до 1 мм. Поглощение УФ-излучения связано с фотохимическими реакциями и может привести к появлению эритемы (покраснение и загар). Выделяют три зоны действия УФ на организм: А - антирахитная (400-315 нм) - идет синтез витамина Д; В - эритемная (315-280 нм) возникает эритема, ожоги; С - бактерицидная (280-200 нм) - может вызывать канцерогенез, мутации, бактерицидный эффект. Последний используется в операционных и перевязочных отделениях клиник для дезинфекции помещений.

Фотосинтез

Фотосинтез в зеленых растениях определяет существование всех высших форм жизни. Так как кислород в атмосфере Земли образован именно в результате фотосинтеза. Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид

Здесь w— квант света, (СН₂0) — фрагмент молекулы углевода. При фотореакции выделяется энергия 470 кДж/моль. Изменение свободной энергии составляет 504 кДж/моль, следовательно, изменение энтропии равно—113 Дж/(моль*К) (при 300 К). На образование одной молекулы 0₂ расходуется 8 квантов света с суммарной энергией около 1470 кДж/моль. Тем самым коэффициент использования солнечной энергии равен 500/1470 = 0,34.

Таким образом, фотосинтез в зеленых растениях означает реакцию между окислителем СО₂ и восстановителем Н₂0.

Энергия, необходимая для реакции, подается светом. Первая стадия процесса состоит в поглощении света пигментами, среди которых наиболее важен хлорофилл.

Фотосинтез можно определить, как процесс фотоиндуцированного электронного транспорта, конечным результатом которого является усвоение СО₂. Скорость фотосинтеза зависит от интенсивности падающего света I. Грубо говоря, скорость образования некоего субстрата пропорциональна числу поглощенных квантов. Этот неустойчивый субстрат преобразуется далее в ферментативных процессах. Опыт показывает, что для продукции одной молекулы О₂ нужно n ~ 8 молекул субстрата. На один ферментативный комплекс или на одну молекулу обобщенного фермента {фото синтетическая единица) приходится около 300 молекул хлорофилла (50 в фотосиитезирующих бактериях).

Скорость фотосинтеза можно представить эмпирической формулой, подобной формуле Михаэлиса — Ментен (с. 178):

где k_E — константа скорости ферментативной реакции, п~ 8, E— концентрация фермента.

Скорость vзависит от температуры K. При большой интенсивности падающего света I >> Кнаступает насыщение, V_max = k_EE/n, Величина k_E находится путем измерения зависимости выхода O₂ от продолжительности интервалов времени между вспышками l<t при импульсном освещении. Среднее время, необходимое для превращения одной молекулы субстрата, составляет ~0,02 с. Иными словами, k_E = 1/0,02 = 50 (c^-1).

Концентрация Е = [Сhl]/300, [Chl] — концентрация хлорофилла. Получаем V_max = 50 [Chl]/n • 300 = 0,02 [Сhl] с^-1. Максимальная скорость фотосинтеза при постоянном освещении равна одной молекуле О₂ на молекулу хлорофилла за 50 с.