Wybrane elementy fotobiologii Fizyczny mechanizm wybranych procesów fotochemicznych

Zakres fotobiologii Zainteresowania fotobiologii dotyczą procesów zachodzących w żywych organizmach pod wpływem promieniowania o długości fali λ = 300 – 1000 nm. Najważniejsze procesy fotobiologiczne: 1. Widzenie – w świecie zwierząt, 2. Fotosynteza – w świecie roślin, 3. Przykłady innych procesów fotobiologicznych: fotoperiodyzm, fotomorfogeneza, emisja pomieniowania przez organizmy żywe i in.

Przykład procesu fotobiologicznego zachodzącego w świecie zwierząt Widzenie Przykład procesu fotobiologicznego zachodzącego w świecie zwierząt

Widzenie Fotoreceptory kręgowców: składają się z pręcików i czopków, których mozaika tworzy siatkówkę: 1. Pręciki: odpowiadają za widzenie barwne przy dużych natężeniach światła. 2. Czopki: odpowiadają za szare widzenie o zmroku.

Widzenie Barwniki wzrokowe: 1. Najważniejszy barwnik wzrokowy to rodopsyna (purpura wzrokowa) składająca się z chromoforu 11-cis retinolu związanego kowalencyjnie z opsyną (rodzaj apoproteiny). 2. Jodopsyna (fiolet wzrokowy) – występuje w czopkach oczu ssaków. 3. Porfinopsyna – w pręcikach ryb słodkowodnych. 4. Cyjanopsyna – w czopkach ryb słodkowodnych.

Widzenie Ryc. Schematyczna budowa rodopsyny

Widzenie Budowa struktur wzrokowych: - Każdy z pręcików zawiera 106 – 109 makrocząsteczek rodopsyny. - Barwniki ułożone są regularnie w warstwach lipidowo-białkowych zwanych lamellami, a 1 pręcik zawiera kilkaset do tysiąca takich warstw. - Błony receptorów wzrokowych ssaków mają kształt spłaszczonych dysków i odznaczają się budową typową dla innych błon biologicznych, z tą jednak różnicą, że zawierają regularną mozaikę barwników, w której jedna cząsteczka rodopsyny zajmuje 250 nm2.

Widzenie Ryc. Schemat budowy górnej części pręcika siatkówki

Widzenie Chromofory barwników wzrokowych: 1. Oddzielony chromofor rodopsyny – retynina1 – aldehydowa pochodna witaminy A1. 2. Oddzielony chromofor porfinopsyny – retynina2 – aldehydowa pochodna witaminy A2.

Widzenie Ryc. Budowa chemiczna różnych form retinalu.

Widzenie Mechanizm widzenia: 1. Absorpcja fotonu przez chromofor prowadząca do wzbudzenia elektronowego. 2. Uwolnienie z błony fotoreceptora substancji przekazującej sygnał (przypuszczalnie jony Ca2+) co prowadzi do zmian potencjału elektrycznego komórki. 3. Powstały sygnał (impuls elektryczny) jest transportowany poprzez układ nerwowy do wyższych centrów wzrokowych.

Widzenie Jednym z ważniejszych czynników warunkujących widzenie są właściwości optyczne barwników wzrokowych Ryc. Widma absorbcyjne barwników wzrokowych. Na rysunku dolnym: 1- porfiropsyna, 2- izoporfiropsyna, 3- batoporfiropsyna

Widzenie Przyczyny przesunięcia maksimów absorpcyjnych poszczególnych barwników wzrokowych: 1. Różnice w wiązaniach chromoforu z białkiem. 2. Różne konformacje chromoforów. 3. Oddziaływanie łańcucha wiązań sprzężonych chromoforu z ładunkami elektrycznymi znajdującymi się w jego sąsiedztwie. 4. Najczęściej wszystkie ww. efekty są ze sobą sprzężone

Widzenie Znaczenie różnic we właściwościach optycznych barwników wzrokowych: Zmiany w konformacji i stanie barwników wzrokowych warunkujące ich właściwości optyczne leżą u podstaw mechanizmu pierwotnej reakcji fotochemicznej w strukturach wzrokowych. Pierwotna reakcja fotochemiczna polega na zmianie konformacji chromofru z 11-cis na trans podczas wzbudzenia elektronowego.

Widzenie Uwarunkowania różnic we właściwościach optycznych barwników wzrokowych: 1. Położenie naładowanych grup w otoczeniu wiązań sprzężonych chromoforu. 2. Dyspersyjne oddziaływania łańcucha wiązań sprzężonych chromoforu z silnie polarnymi grupami lipidowo-białkowego otoczenia (zdaje się mieć większe znaczenie dla rozpatrywanych procesów.

Widzenie W oparciu o powyższe można wnioskować, że receptor wzrokowy to nie tylko połączenie barwnika z białkiem, ale cały układ lipidowo-białkowych membran.

Widzenie Pełen schemat przemian chromoforów wzrokowych: Pod wpływem światła dochodzi do wzbudzenia barwnika lub też jego odbarwienia na skutek oddzielenia chromoforu od białka. Izomeryzacja taka zachodzi w czasie 6 ps, a produktem jest batorodopsyna, która jest prekursorem szeregu dalszych postaci, powstających bez udziału światła. Zanik batorodpsyny trwa średnio ok. 100 ns, podczas których może ona ulegać spontanicznym przemianom do rodopsyny lub izorodopsyny

Schemat przemian chromoforów wzrokowych:

Widzenie Powiązanie zmian konformacyjnych chromoforu z sygnałem elektrycznym: - w organizmach prostych światło zmienia przepuszczalność błon dla jonów Na+, - w organizmach złożonych (np. kręgowców) nie następuje bezpośrednia zmiana przepuszczalności błony. Proces odbywa się za pośrednictwem jonów wapnia, które uwalniając się z błony oddziaływują na jej powierzchnię, co prowadzi do zmian przepuszczalności.

Widzenie Wyjaśnienia widzenia barwnego: Złożenie działania trzech rodzajów chromoforów czułych na światło czerwone, zielone i błękitne. Wniosek ten potwierdzają różne formy rodopsyny występujące u różnych organizmów oraz różne rodzaje opsyny warunkujące powstawanie różnych barwników wzrokowych.

Przykład procesu fotobiologicznego zachodzącego w świecie roślin Fotosynteza Przykład procesu fotobiologicznego zachodzącego w świecie roślin

Fotosynteza Proces fotosyntezy polega na syntezie węglowodorów i wydzielaniu O2 przy równoczesnym pobieraniu H2O i CO2. Istotą procesu jest przeniesienie elektronów z wody na substraty, czemu towarzyszy wydzielanie enrgii

Chemosynteza Proces chemosyntezy przebiega u niektórych bakterii, a donorem energii jest siarkowodór.

Fotosynteza Akt pierwotny fotosyntezy: Absorpcja kwantu promieniowania przez receptor za pośrednictwem elektronów π w układzie wiązań sprzężonych występujących w każdym z barwników.

Fotosynteza Ryc. Barwniki fotosyntetyczne

Fotosynteza Barwniki fotosyntetyczne: Należą do nich chlorofile a, b, c, d, bakteriofil, karotenoidy i in. Jednym z ważniejszych jest chlorofil a (Chl a), który występuje u roślin wyższych i glonów w różnych postaciach powstałych na skutek oddziaływań z różnym mikrootoczeniem. Odmiany chlorofili oznacza się w zależności od maksimów absorpcyjnych.

Fotosynteza Ryc. Układ barwników w fotosystemach PS I i PS II. PS I zawiera więcej form chlorofilu absorbujących światło o większych długościach fali.

Fotosynteza Oddziaływania między barwnikami Agregacja cząsteczek barwników z udziałem wody prowadząca do powstawania nowych wiązań, przesunięć grup chemicznych i zmian widm absorpcyjnych. Oddziaływania między chlorofilem a wodą prowadzić mogą do powstawania antysymetrycznego stanu trypletowego, który nie ma możliwości powrotu do stanu podstawowego, dzięki czemu może odgrywać rolę pułapki.

Fotosynteza Procesy pierwotne fotosyntezy: Zachodzą w krótkim czasie 10-15 do 10-6 s po absorpcji światła. Obejmują: a) absorpcję światła przez barwnik, b) relaksację cząsteczek wzbudzonych do stanu równowagi termicznej z otoczeniem, c) przekazywanie energii wzbudzenia między antenami (cząsteczkami barwników odpowiedzialnymi za absorpcję światła), d) dotarcie energii do centrum reaktywnego i ej pułapkowanie w centrum.

Fotosynteza Procesy pierwotne fotosyntezy: Absorpcja światła przez barwnik: Czas trwania wzbudzonej cząsteczki chlorofilu trwa 10-9 s, a gromadzenie i stabilizacja produktów fotosyntezy 10-9 do 10-4 s. Przekazywanie energii wzbudzenia: Wzbudzony chlorofil przekształca część energii we fluorescencję lub ciepło, a resztę kieruje do centrów reaktywnych. Do jednego centrum energię dostarcza ok. 250 cząsteczek chlorofilu (w roślinach zielnych) lub ok. 40 (u bakterii), które tworzą 1 jednostkę fotosyntetyczną.

Fotosynteza Procesy pierwotne fotosyntezy: Dostarczenie i gromadzenie energii w centrum reaktywnym: Gromadzenie energii w centrum następuje w wyniku międzycząsteczkowego przekazywania energii stanu wzbudzonego, tzw. migracji energii. Proces ma charakter chaotyczny, aż do momentu trafienia energii do centrum reaktywnego.

Fotosynteza Ryc. Schematyczny przebieg fotosyntezy

Fotosynteza Modele migracji energii: Rezonansowy: polega na przekazywaniu energii wzbudzenia z jednej molekuły na drugą, bez przenoszenia ładunku i bez strat energii związanych z fluorescencją. Wzbudzony barwnik staje się dipolem elektrycznym generującym w bezpośrednim otoczeniu pole elektryczne. Cząsteczki o takiej samej częstotliwości drgań tworzą układy rezonansowe, w których energia wzbudzenia przekazywana jest z donora na akceptor. Model wymaga spełnienia 2 warunków: 1. Widma D i A muszą być zbieżne. 2. D i A muszą się znajdować w niewielkiej odległości.

Fotosynteza Modele migracji energii: Ekscytonowy: zakłada zbiorowe wzbudzanie całego zespołu barwników. Następuje pokrywanie się orbitali poszczególnych barwników odpowiadających ich stanom wzbudzonym. W wyniku tych zmian powstaje orbital wspólny dla całego układu, a stan wzbudzenia odnosi się do całości. Model ekscytonowy wymaga wyższej organizacji całego układu – warunek ten spełniają np. struktury związane z ułożeniem chlorofilu w chloroplastach. Obecnie skłania się raczej w kierunku modelu pośredniemu bliższemu jednak rezonansowemu.

Fotosynteza Etapy procesu: Odłączanie z cząsteczki wody wodoru jako donora protonów i elektronów. W roślinach zielnych ma tu miejsce wydzielanie tlenu cząsteczkowego. Zmiana stanu wodoru kosztem energii świetlnej. Wodór przechodzi ze stanu trwałego związania w cząsteczce wody lub innego donora wodoru do postaci w jakiej może się włączyć w mniej trwały sposób w produkty fotosyntezy. Synteza cukrowców z dwutlenku węgla i wodoru. Etap zachodzi bez udziału światła, lecz przy udziale energii zeń otrzymanej. Składa się z licznych reakcji enzymatycznych.

Fotosynteza Centra reaktywne (RC): Struktury odpowiedzialne za dostarczenie energii. Dwa rodzaje w opisywane w oparciu o maksimum pochłaniania światła: P 680 i P 700. Zawierają światłoczułą postać chlorofilu oraz akceptor i donor przypuszczalnie powiązane z białkiem. Energia trafiająca do centrum wzbudza pułapkę, co powoduje przekazanie e- od barwnika do akceptora a następne do donora. Kolejna reakcja odtwarza pierwotny stan centrum. Ostateczny efekt działania centrów reaktywnych to redukcja CO2 i fosforylacja w reakcji cyklicznej.

Fotosynteza Centra reaktywne (RC): Do przebiegu fotosyntezy u roślin wyższych niezbędne jest współdziałanie obu center reaktywnych. Przy absorpcji światła tylko przez jeden układ wydajność procesu obniża się.

Fotosynteza Energetyka: Przemiany CO2 i H2O wody do cukrowców i O2 wymagają dla stężeń substratów i produktów występujących w warunkach naturalnych ΔG = 503 kJ na mol CO2 Z tego magazynowane jest 469 kJ/mol a pozostałe 34 kJ/mol pochłania zmiana entropii: gdzie: ΔG – zmiany entalpii swobodnej, ΔH – zmiany entalpii, ΔS – zmiany entropii, T – temperatura.

Fotosynteza Energetyka: Jeden kwant światła o długości λ = 680 nm (długofalowy koniec absorpcji barwników fotosyntetycznych) dostarcza 168 kJ energii. Biorąc pod uwagę, iż wydajność fotosyntezy wynosi 70%, na wytworzenie 1 cząsteczki tlenu z 2 cząsteczek H2O potrzeba 4 kwantów promieniowania (hν), a następnych czterech do przetransportowania wytworzonych czynników redukujących do związków pośrednich odpowiedzialnych za redukcję CO2. Do redukcji jednej cząsteczki CO2 i wytworzenia 1 cząsteczki O2 potrzeba 8 kwantów energii.

Fotosynteza gdzie: D, A – pierwotny donor i akceptor elektronów I reakcji, Q – pierwotny akceptor II reakcji.