Фотобиологические процессы и фотохимические реакции

Поглощение света биологическими системами может сопровождаться специфическими фотохимическими реакциями, которые дают начало различным фотобиологическим процессам.

Фотобиологические процессы - процессы, которые начинаются с поглощения квантов света биологически функциональными молекулами и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией в организме или тканях.

К фотобиологическим процессам относятся:

• фотосинтез - синтез органических молекул за счет энергии солнечного света;

• фототаксис - движение организмов (например, бактерий) к свету или от света;

• фототропизм - поворот листьев (стеблей) растений к свету или от него;

• фотопериодизм - регуляция суточных и годовых циклов животных путем циклических воздействий «свет - темнота»;

• зрение - восприятие света глазом, сопровождающееся превращением световой энергии в энергию нервного импульса; помутнение хрусталика;

• изменения состояния кожи под воздействием света: эритема, эдема, загар, пигментация, ожог, рак кожи.

Стадии фотобиологических процессов

Все разнообразие фотобиологических процессов условно можно свести к реализации нескольких последовательных стадий:

• возбуждение молекулы при поглощении кванта света;

• первичные фотохимические реакции с образованием продуктов, способных участвовать в химических реакциях без участия света;

• вторичные химические реакции;

• физиологический отклик ткани или организма.

Фотохимическими реакциями называют такие химические реакции, которые протекают только под воздействием света.

Начальной стадией любой фотохимической реакции является поглощение фотона, которое переводит молекулу в возбужденное состояние. Энергия фотонного возбуждения составляет несколько электрон-вольт, в то время как энергия теплового возбуждения при обычных температурах не превышает нескольких сотых электронвольта (Е_фот >> Е_тепл). Высокая энергия фотовозбуждения и обусловливает возможность протекания таких реакций, которые в обычных условиях неосуществимы.

Фотонное возбуждение молекулы запускает один из двух возможных механизмов изменения ее химических свойств, каждый из которых затем порождает цепочку обычных химических превращений.

• Изменение донорно-акцепторных свойств молекулы

В возбужденной молекуле появляется электрон на высоко расположенной свободной орбитали. Такой электрон легко отделяется от молекулы, и она вступает в реакции фотоокисления. В этом случае возбужденная молекула становится донором электрона. Типичными донорами являются возбужденные молекулы триптофана и тирозина (ароматические аминокислоты).

C другой стороны, после перехода электрона на один из верхних энергетических уровней на основной орбитали S₀ образуется вакансия, в результате чего молекула может вступить в восстановительную реакцию с подходящим донором. В этом случае она становится акцептором электрона. Примером такой реакции служит фотовосстановление хлорофилла.

Продукты первичных окислительно-восстановительных реакций являются свободными радикалами (имеют неспаренный электрон)

• и обладают высокой химической активностью. Они вступают во вторичные реакции, которые и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией.

Фотоизомеризация молекулы

Химические свойства молекулы определяются не только составом входящих в нее атомов, но и их взаимным расположением. Молекулы с одинаковым составом и разной пространственной конфигурацией называются изомерами. Их химические свойства различны.

Фотоизомеризация - изменение пространственной структуры молекулы, возникающее после ее фотовозбуждения.

Упрощенная схема фотоизомеризации показана на рис. 1.

Молекула поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние с сохранением первоначальной конфигурации. Взаимодействие с окружающими молекулами приводит к безызлучательному снятию части возбуждения с одновременным изменением пространственной конфигурации. Заканчивается процесс образованием изомера в основном (невозбужденном) состоянии.

Рис. 1. Упрощенная схема фотоизомеризации

Примером пространственных изомеров являются цис- и трансизомеры, в молекулах которых заместители у атомов углерода расположены соответственно по одну и по разные стороны плоскости двойной связи (рис. 2).

Переход от одного изомера к другому связан с поворотом на 180° вокруг двойной связи.

Рис. 2. Цис- и транс-изомеры

У человека цис-транс-фотоизомеризации пигмента ретиналя принадлежит основная роль в зрительной рецепции.

Основные понятия и формулы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

Фотобиологические процессы и фотохимические реакции

Поглощение света биологическими системами может сопровождаться специфическими фотохимическими реакциями, которые дают начало различным фотобиологическим процессам.

Фотобиологические процессы - процессы, которые начинаются с поглощения квантов света биологически функциональными молекулами и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией в организме или тканях.

К фотобиологическим процессам относятся:

• фотосинтез - синтез органических молекул за счет энергии солнечного света;

• фототаксис - движение организмов (например, бактерий) к свету или от света;

• фототропизм - поворот листьев (стеблей) растений к свету или от него;

• фотопериодизм - регуляция суточных и годовых циклов животных путем циклических воздействий «свет - темнота»;

• зрение - восприятие света глазом, сопровождающееся превращением световой энергии в энергию нервного импульса; помутнение хрусталика;

• изменения состояния кожи под воздействием света: эритема, эдема, загар, пигментация, ожог, рак кожи.