Фотофизические и фотохимические превращения биосистем. Классификация фотобиологических процессов.

Фотобиологическими называют процессы, начинающиеся с поглощения света биологическим соединением и заканчивающиеся определенной физиологической реакцией организма. Фотохимические и фотофизические процессы являются ключевыми в жизнедеятельности биосистем. Подавляющее большинство фотобиологических реакций относятся к эндергоническим.

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 (Ефот >> Етепл). 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.

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.

Энергия света необходима для преодоления активационных барьеров и химических превращения.

Функции света в живых системах:

1 Энергетическая – обеспечение живых систем свободной энергией солнца.

2 Информационная – обеспечение взаимодействия живых систем с окружающей средой.

Классификация фотобиологических процессов.

А) с энергетической т.з.

1. Эндергонические фотобиологические реакции – реакции, в результате которых образуются фотопродукты, обладающие большими запасами свободной энергии. Эти запасы больше, чем у исходных веществ. Смысл: превращение световой энергии в химическую.

2. Экзергонические фотобиологические реакции – идут с уменьшением или без существенного изменения свободной энергии системы (большинство фотобиологический реакции, например, зрение).

В ) с функционально-физиологической т.з (биологической стороны):

1. Энергетические фотобиологические р-ции (АТФ)

2. Информационные фотобиологические р-ции – кванты света по средством образования продуктов запускают усиленные механизмы, организм получает информацию. Например, токсины, зрение у животных, тропизмы, периодизмы.

3. Фотобиосинтетические реакции – отдельные промежуточные стадии последовательных реакций синтеза (например, витамина D, хлорофилла, активация ферментативных систем, синтез пигментов).

4. Деструктивно – модифицирующие фотобиологические реакции – свет повреждает молекулы объекта, индукция химических процессов приводит к повреждению или гибели клеток (организма). Наряду с этим может быть стимуляция или модификация жизненных процессов. Большинство фотобиологических реакций относятся к деструктивно-модифицирующим. Их разделяют на: летальные, мутационные, патофизиологические.

Общая схема фотобиологических процессов.

Отдельный фотобиологический процесс представляет собой сложную последовательность различных стадий:

1. Поглощение энергии фотона хромофорной группой биомолекулы и образование электронно-возбужденных состояний системы

2. Миграция энергии электронного возбуждения

3. Первичный фотофизический акт и появление первичных фотопродуктов

4. Промежуточные стадии, включающие перенос заряда

5. Образование стабильных химических продуктов

6. Физиолого-биохимические процессы

7. Конечный фотобиологический эффект.

Первичные фотохимические продукты (молекулы в электронно-возбужденном состоянии, свободные радикалы) крайне неустойчивы и быстро переходят либо в исходные вещества, либо в устойчивые фотопродукты.