Фотохимические процессы в биологических системах

Из всех известных в природе фотохимических процессов наибольшее значение имеет фотосинтез. Основоположником учения о фотосинтезе является К. А. Тими­рязев. Фотосинтез является основой существования всего живого на земле. Фото­синтез зеленых растений — это единственный первоисточник накопления органи­ческого вещества на Земле, которое служит для питания человека и животных. Вся растительность земного шара создает ежегодно около 120 млрд. т органиче­ского вещества, из них примерно 10 млрд. тонн производит человек, выращивая на площади около 2,5 млрд. га пищевые и кормовые растения.

Кислород, содержащийся в атмосфере Земли, имеет биогенное происхождение, т. е. также является продуктом фотосинтеза зеленых растений. Расчет показывает, что растениями ежегодно возвращается в атмосферу около 4,7^.10¹¹ т газообраз­ного кислорода.

В зеленом листе растения под воздействием солнечной радиации протекает целый комплекс фотохимических процессов, в результате которых из воды, угле­кислого газа и минеральных солей образуются крахмал, клетчатка, белки, жиры и другие сложные органические вещества. Процесс фотосинтеза очень сложен. Он осуществляется при непосредственном участии важнейшего природного фотока­тализатора—хлорофилла и сопровождается целым циклом химических превра­щений, не зависящих от солнечной ради­ации. В этих превращениях участвует большое число разнообразных биоката­лизаторов — ферментов. Суммарное урав­нение фотосинтеза обычно выражают в виде реакции превращения двуокиси уг­лерода и воды в гексозу:

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Однако это уравнение, как и большин­ство суммарных уравнений в биологии, не выражает основных особенностей про­цесса.

Важнейшей заслугой К. А. Тимирязе­ва является материалистическое научное обоснование фотосинтеза. Тимирязев впервые показал, что фотосинтез подчи­няется закону сохранения и превращения энергии. Таким образом, были опроверг­нуты идеалистические воззрения на про­цесс фотосинтеза, объяснявшие его дей­ствием нематериальной «жизненной си­лы».

Не менее важной заслугой Тимиря­зева является открытие роли хлорофил­ла как сенсибилизатора фотохимических реакций, происходящих при фотосинтезе. Он экспериментально установил, что фо­тосинтез осуществляется преимуществен­но в красных и синих лучах видимого спектра. Тимирязев провел следующий опыт. Ряд стеклянных трубочек, напол­ненных смесью воздуха и диоксида уг­лерода и содержащих по одному одина­ковому зеленому листу, был выставлен на разложенный с помощью трехгранной призмы солнечный свет так, что в каж­дой части солнечного спектра находилась одна трубочка. Через каждые несколь­ко часов определялось содержание диоксида углерода в трубочках. Оказалось, усвоение СО₂ происходит только в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом, т. е. в красных, оранжевых и желтых частях спектра.

Таким образом, Тимирязев показал, что именно хлорофилл является поглоти­телем света в зеленых растениях и что этот пигмент, поглощая кванты света, об­ладает способностью передавать их далее молекулам веществ, являющихся ис­ходными при фотосинтезе.

При этих реакциях хлорофилл испытывает обратимое окислительно-восстановительное превращение. В основеструктуры хлорофилла лежит порфириновое ядро, называемое хлорином. Оно состоит из четырех соединенных СН-мостиками остатков пиррола, которые связаны двумя основными и двумя координационными связями с центральным атомом магния. Кроме того, в молекулу хлорофилла входит остаток молекулы высокомолекулярного непредельного спирта фитола. В настоящее время из­вестно не менее пяти видов хлорофилла, которые отличаются друг от друга строением молекулы.

Помимо хлорофилла, который является основным видом фотосинтетических пигментов, в зеленом листе (в так называемых хлоропластах, представляющих со­бой сложные специализированные биологические структуры) содержатся и дру­гие пигменты — каротиноиды и фикобелины, которые обычно называют вспомо­гательными. Эти пигменты, по современным представлениям, принимают известное участие в фотосинтезе, а также защищают хлорофилл от фотоокисления. Помимо пигментов, основными компонентами хлоропластов, в которых, собственно, и осу­ществляется весь процесс фотосинтеза, являются липоидные вещества и белки, которые содержат большое число ферментов, необходимых для осуществления по­следующих стадий фотосинтеза, не связанных с воздействием солнечной радиации.

Многие вопросы фотосинтеза, несмотря на бурное развитие науки, остаются мало изученными и до настоящего времени. Как уже упоминалось ранее, процесс фотосинтеза состоит из двух стадий — световой и темновой, причем обе эти ста­дии тесно связаны между собой.

Поскольку исходным процессом фотосинтеза является поглощение света хло­рофиллом, приближенно фотосинтез можно представить в виде следующей схемы.

В световой стадии хлорофилл, поглотив квант света, переходит в возбужден­ное состояние и в таком виде через ряд промежуточных процессов вызывает раз­ложение молекулы воды на атом водорода Н и радикал ОН по схеме

где символом X условно обозначена молекула хлорофилла; X* — та же молеку­ла в активном состоянии.

Далее молекула хлорофилла, присоединяя атом водорода, восстанавливается. Радикалы ОН, соединяясь попарно, образуют молекулу пероксида водорода Н₂О₂, которая как непрочное соединение распадается на воду и кислород:

X + Н = ХН

4ОН = 2Н₂О₂

2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂

После завершения этих реакций наступает темновая стадия процесса фото­синтеза, сущность которой состоит в передаче водорода молекулой восстановлен­ного хлорофилла молекуле СО₂ с образованием органических соединений типа уг­леводов. Этот процесс совершается под действием соответствующих ферментов по схеме: 4Н + СО₂ = СН₂О + Н₂О

В итоге за счет полимеризации получается конечный продукт фотосинтеза — гексоза С₆Н₁₂О₆.

То, что выделяемый в процессе фотосинтеза кислород принадлежит воде, а не двуокиси углерода, было доказано А. П. Виноградовым (1946) с помощью мето­да меченых атомов. Так, при использовании воды Н₂¹⁸О весь ее кислород ¹⁸О был найден после осуществления фотосинтеза в свободном молекулярном кислороде, а при работе с С¹⁸О₂ и Н₂¹⁶0 выделяется свободный кислород ¹⁶О, тогда как кис­лород ¹⁸О входил в состав органических соединений. Установление этого факта имело существенное значение для теории фотосинтеза, так как ранее многие уче­ные считали, что молекулярный кислород образуется путем светового разложения или фотолиза СО₂.

Приведенная выше схема фотосинтеза является лишь приближенной и не от­ражает всех деталей этого чрезвычайно сложного явления. В последние годы было установлено, что на восстановление одной молекулы СО₂ до углерода затрачива­ется не один, а 8—12 квантов энергии. Это свидетельствует о том, что в процессе фотосинтеза происходит по крайней мере восемь первичных фотохимических ре­акций, которые совершаются в определенном порядке с другими (не фотохимичес­кими) реакциями.

Известно, что далеко не каждая молекула хлорофилла или другого пигмента, поглотившая свет и сохранившая достаточное количество энергии для фотохими­ческой реакции, является центром подобной реакции. На самом деле фотохимиче­ская активность, т. е. непосредственная связь с фотохимической реакцией, осу­ществляется лишь примерно одной молекулой из 200—250 молекул хлорофилла. Об этом явлении А.Г. Пасынский пишет: «...Могло бы создаться неправильное представление, что основная масса хлорофилла является фотохимически неактив­ной и играет в листе роль запасного вещества, как иногда предполагалось в лите­ратуре.

В действительности такое положение является необходимым следствием кван­товой природы действующего света. Поглощение света данной молекулой хлоро­филла не происходит непрерывным потоком; кванты света, падающие подобно каплям дождя, поглощаются все время разными молекулами хлорофилла.

По данным Рабиновича, даже на прямом солнечном свету каждая молекула хлорофилла поглощает квант света всего один раз за 0,1 с, а при менее благо­приятных условиях — гораздо реже. Между тем скорость последующих фермен­тативных реакций является чрезвычайно высокой. Если бы в этих условиях каж­дая молекула хлорофилла была самостоятельным центром фотохимической реак­ции, связанным с необходимыми вспомогательными ферментами, то такое устрой­ство было бы столь же нецелесообразно, как если бы каждый участок крыши, на который падает отдельная капля дождя, был оборудован самостоятельным водо­стоком. В листе для подобного устройства просто не хватило бы места, не говоря уже о том, что оно могло бы использоваться лишь незначительную часть времени.

Напротив, соединение большой группы (200—250) молекул хлорофилла с од­ним центром фотохимической реакции обеспечивает его непрерывную работу, по­добно тому, как присоединение одного водостока к достаточно значительной по­верхности крыши позволяет получить из отдельных капель непрерывный поток во­ды. Ясно, что при этом вся масса молекул хлорофилла активно участвует в полезномпроцессе, хотя она связана лишь с одним центром превращения поглощенной лучистой энергии в химическую».

Все это лишний раз подтверждает чрезвычайную сложность процесса фото­синтеза, каждая ступень которого требует не только определенных условий среды, но и очень сложной системы вспомогательных веществ, а также строго определен­ной внутренней структуры внутриклеточного содержимого. На важность структур­ных факторов указывает то, что зеленый лист, подвергшийся механическому воз­действию (например, если прокатать его на стекле толстой стеклянной палочкой), теряет способность к фотосинтезу.

Изучение процессов фотосинтеза очень важно не только с чисто теоретической точки зрения, но и с точки зрения получения высоких и устойчивых урожаев. По­знать эти процессы, научиться управлять ими — вот те задачи, на решение кото­рых направлены в настоящее время усилия целой армии отечественных и зарубеж­ных ученых.

Очень важное значение имеют происходящие под действием УФ - света реакции димеризации азотистых оснований в ДНК и РНК. Основными хромофорами (хромофор - часть молекулы, поглощающая свет и обусловливающая цвет вещества) молекул ДНК являются азотистые основания нуклеотидов. Поглощение азотистыми основаниями квантов УФ – света приводит к образованию электронно-возбужденных синглет­ных состояний, возникающих в результате П → П* переходов.

В электронновозбужденном состоянии пиридиновые основания всту­пают в реакцию димеризации, которая состоит в соединении двух азо­тистых оснований по 5,6 - двойной углеродной связи с образованием циклобутанового кольца между остатками молекул азотистых оснований. Таким образом, от­дельные нуклеотиды оказываются связанными не только через остатки фосфорной кислоты, но и через азотистые основания. Для этой реакции квантовый выход γ = 2 ∙10^-2 . Эта реакция вызывает так называемые "точечные" мутации; 80 % всех летальных мутаций, свя­занных с результатами воздействия УФ - излучения, являются следстви­ями димеризации тимина.

При небольшой интенсивности облучения возникают полезные точеч­ные мутации. В результате облучения родительских форм УФ - светом и отбора полезных признаков создан сорт пшеницы Эритроспермум-103.