PDF (1123296), страница 15
Текст из файла (страница 15)
У многих организмов (бактерии, простейшие, ракообразные, грибы и др.) свечение происходитпостоянно и непрерывно, если в окружающей среде есть кислород. У других биолюминесценция происходит отдельнымивспышками и связана с условиями жизнедеятельности (голод, период размножения и др.). Биологическое значениебиолюминесценции различно. Так, у светящихся насекомых вспышки биолюминесценции служат сигналом, позволяющимсамцам и самкам находить друг друга; у ряда глубоководных рыб — для освещения и приманки добычи; у каракатицы — длязащиты от хищников (путём выбрасывания светящейся жидкости) и др.
В некоторых случаях источником биолюминесценцииживотного являются светящиеся бактерии-симбионты (например, т. н. несамостоятельное свечение ряда рыб).Первичные процессы фотосинтеза. Структурная организация и функционирование фотосинтетических мембран.Перенос электрона в первичных стадиях процессах фотосинтеза.Последовательность отдельных реакций в фотобиологических процессах включаетследующие стадии: поглощение квантасвета хромофорной группой и образование электронно-возбужденных состояний -> миграция энергии электронноговозбуждения -> первичный фотофизический акт и появление первичных фотопродуктов -> образование первичныхстабильных химических соединений -> физиолого-биохимические процессы -> конечный фотобиологический эффект.В основе первичных процессов фотосинтеза лежит сложная совокупность окислительно-восстановительных реакций переносаэлектрона в электрон-траспортной цепи (ЭТЦ).Z-схемa фотосинтеза: восстановленные продукты ФС II служат донорами электронов для ФС 1.
Возбуждение светом, которыйв основном поглощается ФС П, должно приводить к восстановлению промежуточных переносчиков в ЭТЦ, а возбуждение ФС1, наоборот, к их окислению.Фотосистемы ФС2 и ФС1 функционируют последовательно: донором электронов для ФС1 служат восстановленные врезультате действия ФС2 фотопродукты. Дальний красный свет(длина волны > 680 нм) поглощается преимущественнопигментами ФС1 и вызывает окисление цитохрома, который восстанавливается ФС2 при поглощении коротковолнового света(длина волны < 680 нм). Оптимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается при определенном соотношении междуколичеством возбужденных ФС1 и ФС2, которое зависит от спектрального состава света. Поглощение света происходитпигментами светособирающего (СС) пигмент - белкового (ПБ) комплекса (ССПБК), от которого, как из резервуара, энергиявозбуждения передается на пигмент - белковые комплексы ФС1 и ФС2 (ПБК1 и ПБК2) и далее непосредственно креакционным центрам РЦ1 и РЦ2:Схема миграции энергии в фотосинтетическом аппарате высших растенийВ зависимости от конформационного состояния фотосинтетических мембран изменяется топография расположения ПБК1 иПБК2 , их связь с ССПБК, и распределение энергии возбуждения между ФС1 и ФС2.
Это определяется присутствием ионов всреде, рН среды, степенью фосфорилирования и поверхностным зарядом белков ССПБК. В различных физиологическихусловиях изменяется роль этих факторов, что таким образом имеет регуляторное значение для распределения энергиивозбуждения между фотосистемами.Билет 16.Миграция энергии. Доказательства миграционной передачи энергии.
Примеры миграции энергии в биологическихсистемах.Участие белков в метаболизме и их функциональная активность всегда связаны с изменением их функциональногоэлектронного состояния, которое обуславливает конформационные переходы. Сами электронные переходы и изменениеэлектронного состояния биополимеров происходят намного быстрее, чем вызванные ими конформационные перестройки.Поэтому в первом приближении электронные и конформационные переходы можно рассматривать отдельно.Особую роль играют миграция энергии электронного возбуждения и транспорт электронов в биологических структурах.Одним из первых сообщений о миграции энергии электронного возбуждения в белке были опыты по фотодиссоциациикарбомиоглобина комплекса С0-миоглобин.
Под действием света в присутствии кислорода происходило отщепление СО откарбомиоглобина с образованием оксимиоглобина:Белок-гем-СО => (свет, О2) Белок-гем-О2 + СО.Фотохимическая реакция отщепления СО от гема вызывается светом, погло-щенным гемом, и достаточно эффективна придлинах волн около 410 нм. Однако, кроме того, в области 280 нм, где до 40% энергии поглощают ароматические груп-пыбелка, возбуждение приводит к такому же эффективному распаду связи гем-СО. Это свидетельствует о миграции энергии отбелка на гем. Затем эта энергия растрачивается на фотохимическое отщепление оксида углерода:Белок*-гем-СО =>Белок-гем*-СО =>Белок-гем-O2+СО.Один из наиболее важных процессов миграции энергии осуществляется в фо-тосинтезе.
Здесь происходит перенос энергииот фикоэритрина и фикоцианина на хлорофилл в направлении реакционного центра, где происходит первичный актфо-тосинтеза.Транспорт электрона:·На дальние расстояния·Не зависит от поступательных движений донора и акцептора·Не нужен непосредственный контакт донора и акцептора·Основа ФС и дыхания·Может идти и при очень низких температурах (жидкий азот)Роль электронного возбуждения в ФС– преодоление активационного барьера первой реакции. Однако вфотосинтезе сво-бодная энергия конечных продуктов выше, чем начальных (С02 и Н20), и поэтому здесь происходитеще и запасание энергии света в виде энергии химических связей продуктов фотосинте-заФизическая причина переноса электрона с донора на акцептор(кулоновские взаимодействия).
Стадии индуктивнорезонансного механизма:1.Возбужденный донор Д* генерирует переменное электромагнитное поле за счет осцилляции(периодическогоизменения во времени) заряда е2.Взаимодействие поля и электрона на невозбужденном А3.Если частота колебания поля совпадает с частотой перехода е на возбужденный уровень, то происходит переносэнергии4.Молекула Д* возвращается в основное, а молекула А переходит в возбужденное состояние А* БЕЗЫЗЛУЧАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС.Веро-ятность индуктивно-резонансного перехода пропорциональна сте-пени перекрытия спектра флуо-ресценции донора испектра поглощения акцептора (рис. 2) и обратно пропорциональна R в 6ой степени, где R — расстояние междувзаимодействующими молекулами.
Расстояния, на которых эффективно происходит индуктив-но-резонансный переносэнергии, составляют около 20—50 А со скоростями 10 в6-10в 11 с-1.При понижении температуры спект-ральные полосы флуоресценции Д и поглощения А сужаются, степень их перекрытияуменьшается и вероятность переноса па-дает. Индуктивно-резонансный перенос возможен не только между синглетнымиуровнями донора и акцептора, но и по триплет- сннглетному (Дт->Аs1) и синглет-триплетному механизму (Дs->Ат). На болеекоротких расстояниях 1—З А порядка длины химической связи электронные орбитали донора и акцептора могутперекрываться.
Тогда перенос возбуждения осуществля-ется по так называемому обменно-резонансному механизму, прикотором происходит «обмен» электронами и электронными со-стояниями.В фотосинтетических мембранах обменно-резонансная пере-дача происходит от хлорофилла в состоянии S1 на болеенизкий триплетный уровень каротиноидовХлS1 (спины вверх-вниз)+Kap s0 (спины вверх-вниз)= Хл s0 (спины вверх-вниз)+KapТ (оба спина вверх).Как видно, здесь не сохраняется суммарный спин в системе Д и А. В то же время молекулы каротиноидов, поглотившие свет иперешедшие в состояние S1 могут отдавать энергию хлоро-филлу, так как их S1 уровень расположен выше S1 уровняхло-рофиллаХлS0 (спины вверх-вниз)+Kap s1 (спины вверх-вниз)= Хл s1 (спины вверх-вниз)+KapS0 (спины вниз-вверх).Другой, так называемый экситонный механизм миграции энергии, возбуждения осуществляется при большихэнергиях взаимодействия (около 10 в -2 эВ).
В этом случае время миграции тау много меньше 10 в -12 с и составляет 10 в -13 –10 в -14 с. Возбуждение, попавшее в молекулу донора, может перейти в соседнюю молекулу акцеп-тора раньше, чем успеетпроизойти релаксация на нижние ко-лебательные уровни состояния s1 молекулы донора. Возбужде-ние как бы бежит поверхним колебательным уровням взаимо-действующих молекул, не успевая локализоваться на каждой из них в отдельности(рис. 3).В этой ситуации возбуждени-ем одновременно охвачено несколько сот молекул, и оно носит коллективный характер.Такой тип миграции называется экситонным, а сама область возбуждения, включающая большое число молекул,— экситоном.В фотосинтетических мембранах экситонный механизм имеет место при миграции энергии в пре-делах группы однородныхмолекул пигмента, фиксированных на одном и том же белковом носителе.
Перенос между разны-ми пигмент-белковымикомплексами идет по индуктивно-резо-нансному механизму.Оптические свойства листьев высших растений и спектральные методы оценки состояния фотосинтетическогоаппарата in situ.Исследование спектров флуоресценции - зависимости интенсивности излучения от длиныволн I=f(лямбда) - позволяет проводить качественный и количественный анализ различных компонентов в биологических имодельных системах, изучать их состояние, (например, агрегацию, комплексообразование и т.д.) и взаимодействие с другимисоединениями.По положению максимума (нм, см-1) в спектре флуоресценции можно судить о величинекванта энергии, запасаемой в молекуле данного компонента системы, а сопоставлениеспектров флуоресценции и поглощения дает информацию о миграции энергии(межмолекулярном переносе энергии возбуждения в системе).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
