Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, приводящие к запасанию энергии
Улавливание энергии света биомолекулами

Можно смело утверждать, что Жизнь на нашей планете обязана солнеч­ному свету. Энергия света поглощается фотосинтезирующими организмами и запасается в виде химических связей органических соединений, а остальные обитатели Земли (возможно, лишь за исключением способных к хемосинтезу бактерий) используют энергию этих связей для того, чтобы осуществить в клетках окислительное или субстратное фосфорилирование.

Видимый свет представляет собой форму электромагнитного излучения с длиной волны 400—700 нм, и его происхождение обусловлено сложными процессами, происходящими на Солнце. Одним из результатов этих процес­сов является испускание энергии в виде квантов видимого света (фотонов), которые достигают земной поверхности. Энергия фотонов обратно пропор­циональна их длине волны, и наибольшей энергией характеризуются фотоны с наименьшей длиной волны, соответствующей фиолетовому краю видимого спектра.

Способность вещества поглощать свет зависит от его атомной структуры. Когда фотон сталкивается с атомом или молекулой, способными поглощать свет данной длины волны, энергия фотона поглощается одним из электронов и атом или молекула переходят в более богатое энергией возбужденное со­стояние. Возбуждение длится 10^-9—10^-8 с, после чего молекула возвращается в первоначальное состояние, которое называется основным и характеризует­ся меньшей энергией, чем возбужденное. При возврате в основное состояние возбужденная молекула может терять свою энергию несколькими способами: 1) энергия может рассеиваться в виде тепла; 2) часть поглощенной энергии может немедленно испускаться в виде света (флуоресценция) или после не­которой задержки (фосфоресценция). Испускаемый при флуоресценции и фосфоресценции свет обычно характеризуется большей длиной волны и меньшей энергией, чем свет, вызвавший возбуждение молекулы. Кроме этого (3), поглощение света может вызывать фотохимические реакции, в которые способны вступать возбужденные молекулы.

Фотохимические реакции представляют собой диссоциацию на ионы или радикалы либо присоединение протонов, что может сопровождаться разры­вом связей, реакции фотоприсоединения и фотоотщепления, а также изомери­зации. Возбужденные молекулы способны превращаться в сильные окислите­ли и восстановители и индуцировать соответствующие процессы по отноше­нию к другим молекулам. Все перечисленные реакции с участием возбужден­ных светом молекул становятся возможными, поскольку с повышением энер­гии молекулы приобретают химические свойства, нехарактерные для их не­возбужденных форм.

Фотохимические реакции приобретают особую роль, когда затрагивают жизненно важные для клетки структуры. Первостепенное значение в этом отношении играют нуклеиновые кислоты, азотистые основания которых, как известно, испытывают на себе фотодинамическое действие коротковолнового света. В результате различного рода фотохимических превращений (в первую очередь, образования пиримидиновых димеров) в составе ДНК появляется большое количество изменений, которые, не будучи репарированными, за­крепляются в виде мутаций (глава 2).

С другой стороны, фотохимические реакции чрезвычайно важны для та­ких явлений, как фотосинтез и фоторецепция. Среди биологических молекул есть специализированные, способные в ответ на поглощение света обуслов­ливать определенные процессы в клетках. Такими молекулами служат, в пер­вую очередь, фотосинтетические пигменты, участвующие в запасании свето­вой энергии в ходе фотосинтеза. В возбужденном состоянии молекулы хло­рофилла способны инициировать фотоокисление молекул воды, что сопрово­ждается транспортом возбужденных электронов по компонентам фотосистем. Другой класс светочувствительных биомолекул представлен зрительными фоторецепторами, которые в ответ на поглощение света генерируют нервный импульс. Фотохимическая реакция, запускающая данный процесс, состоит в изомеризации молекулы зрительного пигмента.