Фотобиология. Основные термины

1. Фотобиология

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
1

2.

Фотобиология (ФБ, квантовая биофизика) –
наука, изучающая закономерности и механизм
действия света на биосистемы. ФБ изучает
фотобиологические процессы, протекающие в
организмах под действием видимого (380-760
нм), ультрафиолетового (12-380 нм) и ближнего
инфракрасного (760-900 нм) света.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
2

3.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

4. Шкала электромагнитных колебаний

Оптическая область спектра
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

5. Закон Бугера-Ламберта-Бера

Зако́н Буге́ра — Ла́мберта — Бе́ра —
физический закон, определяющий
ослабление параллельного
монохроматического пучка света при
распространении его в поглощающей среде.
Закон выражается следующей формулой:
I (l) = I0 e-Kλl
или
lg I0\I = ε c l
D=εcl
где I0 — интенсивность входящего пучка, l —
толщина слоя вещества, через которое
проходит свет, kλ — показатель поглощения,
D – оптическая плотность раствора
1.
Оптическая плотность 1М раствора
называется молярной экстинкцией.
2. Свет различных длин волн поглощается
неодинаково.
3. Показатель поглощения —
коэффициент, характеризующий
свойства вещества и зависящий от длины
волны λ поглощаемого света. Эта
зависимость называется спектром
поглощения вещества.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

6.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

7.

Основные стадии фотобиологического
процесса
1.Фотофизическая (поглощение кванта света,
размен и миграция энергии)
2.Первичная фотохимическая (образование
первичного фотопродукта)
3.Вторичная фотохимическая (образование
стабильного продукта)
4.Темновые реакции (цепь биохимических
реакций или перестройки клеточных структур)
5.Биологический эффект (физиологический
ответ на действие света)
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
7

8.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
8

9.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

10.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
10

11.

Поглощение и испускание света иллюстрирует
диаграмма уровней энергии, предложенная Яблонским
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
11

12.

Взаимодействие молекул с фотонами
Возбуждение молекулы →переход электрона из основного состояния
в возбужденное с большей энергией →переход в основное состояние
+ hν. Энергия молекуля складывается из 3 частей:
Емол = Ее + Екол + Евр
Ее >> Екол >> Евр
Различают два главных состояния электронных оболочек:
1) синглетное основное и воезбужденное состояние (все спины
электронов антипараллельны, неспаренные электроны
отсутствуют) и
2) триплетное основное и возбужденное состояние (спины
электронов параллельны, имеются неспаренные электроны).
Основное состояние для большинства веществ - синглетное, за исключением
кислорода, для которого основное состояние – триплетное.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

13. Идеализированный спектр поглощения

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
13

14.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
14

15.

Принцип Франка - Кондона.
Все электронные переходы
происходят без изменения
межъядерного расстояния.
Электронные переходы
являются настолько
быстрыми (10-14 – 10-15 с) по
сравнению с движением ядер
в молекуле (10-12 – 10-13 с), что
за время электронного
перехода относительное
расположение ядер и их
кинетическая энергия не
изменяются.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
15

16.

Преобразование энергии возбужденных электронных
состояний
ТЕПЛОВЫЕ
ПОТЕРИ
e
МИГРАЦИЯ
ЭНЕРГИИ
-
ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
ФОТОХИМИЯ
S2 – вторичный
синглетный
уровень
hνфлуор
Т2 – вторичный
триплетный
уровень
e
-
hν
S1 – первичный
синглетный
уровень
e
-
S0 – основной
уровень
Т1 – первичный
триплетный
уровень
hνфосфор
ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

17. Трансформация энергии электронного возбуждения (внутренняя конверсия)

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

18.

Индуктивно-резонансный механизм передачи энергии.
Индуктивно-резонансный механизм передачи энергии осуществляется при слабых
энергиях взаимодействия между молекулами.
Время миграции τ м >> 10-12 с.
Расстояния переноса энергии 2-10 нм
~ 10 -13c
~ 10 -13c
hν
фл
S0
донор
S0
акцептор
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

19.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

20.

Экситонный механизм передачи энергии.
При экситонном переносе энергии возбуждение «бежит» по
верхним колебательным уровням взаимодействующих молекул,
не успевая локализоваться на каждой из них в отдельности.
Время миграции τ м << 10-12 с.
10 -13 - 10 -14c
hν
S0
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

21.

Основные типы фотохимических реакций
1.Фотораспад
2.Фотоперегруппировка
Фотоизомеризация
Фототаутомеризация
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

22.

3. Фотоприсоединение
Фотодимеризация
Фотогидратация
А* + А = (А*….А) = А2
А* + Н2О = НАОН
4. Фотоперенос электронов
Фотоокисление
А* + В = А+ + Х-
Фотовосстановление
А* + С = А- + С+ 5.
5. Фотоперенос протона
фотоприсоединение Н+
фотоотдача Н+
А + ВН =АН+ + ВАН+ + В = А- + Н+В
6. Фотогидролиз
А-В → А-В* + Н2О → АН + ВОН
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

23.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
23

24.

Люминесценция – свечение атомов, ионов, молекул,
возникающее в результате электронного перехода при их
возвращении из возбужденного состояния в основное. При этом
молекула преобразует поглощенную энергию в собственное
излучение.
Люминесценцию называют холодным свечением
Люминесцирующие вещества могут находиться в любом
агрегатном состоянии
Длительность люминесценции от 10-10 с до нескольких часов

25. Характеристики люминесцирующих молекул

Спектр возбуждения люминесценции - зависимость
интенсивности люминесценции I от длины волны
возбуждающего света
• Спектр люминесценции - зависимость
интенсивности люминесценции от длины волны
люминесценции
• I = f(λ); I = f(v)
• Время жизни люминесценции – время, за которое
интенсивность излучения уменьшится в е раз,
поскольку затухание люминесценции происходит по
закону:
It = I0 e-t/τ
t - время люминесценции
τ – время затухания люминесценции
25

26. Классификация видов фотолюминесценции

1.
По длительности свечения
2. По способу возбуждения
26

27. Классификация фотолюминесценции по длительности свечения

1.Флуоресценция (~10-8 c) – вид фотолюминесценции, при котором
молекула переходит в основное состояние S0 из короткоживущего
возбужденного состояния S*. Наблюдается сразу же после поглощения
квантов света и быстро затухает в результате столкновений
излучающей молекулы с другими молекулами в растворе.
2.Фосфоресценция (10-3 с - секунды) – вид фотолюминесценции, при
котором молекула переходит в основное состояние S0 из относительно
долгоживущего возбужденного состояния S* → Т* → S0, называется
послесвечением. Для фосфоресценции характерны большая длина
волны излучения, меньшая интенсивность.
27

28. Диаграмма Яблонского

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

29.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
29

30.

Спектр фосфоресценции лежит в области более
длинных волн, чем спектр флуоресценции

31. Классификация люминесценции по способу возбуждения

Фотолюминесценция
Термолюминесценция
Электролюминесценция
Сонолюминесценция
Триболюминесценция
Хемилюминесценция
Биолюминесценция
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

32.

Законы люминесценции
1.Закон Стокса - спектр флуоресценции лежит в более
длинноволновой области по сравнению со спектром
поглощения, т.к. энергия испускаемого кванта ниже, чем
энергия поглощенного кванта.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

33.

2.Правило Каши – спектр флуоресценции (и
фосфоресценции) не зависит от длины волны
возбуждающего света, т.к. излучательный переход может
происходить только с самого нижнего возбужденного
колебательного уровня.

34.

3.Закон Вавилова – квантовый выход флуоресценции
(Q) не зависит от длины волны возбуждающего света,
т.к. излучательный переход может происходить только с
самого нижнего возбужденного колебательного уровня.
Квантовый выход Q. - отношение числа излучаемых
квантов к числу поглощенных квантов светового
потока.
Q (φ) = N/ No
N – количество излучаемых квантов
No – количество поглощенных квантов
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

35.

4.Закон зеркальной симметрии (правило Левшина) –
спектр испускания флуоресценции представляет собой
зеркальное отражение спектра поглощения, поскольку
структура колебательных подуровней одинакова в
основном и возбужденном состоянии.

36.

Cпектрофлуориметр фирмы Horiba Fluoromax - 4

37. Хемилюминесценция (ХЛ) – это свечение, сопровождающее биохимические реакции

Процесс хемилюминесценции включает 2 стадии:
1. Образование продукта в возбужденном
состоянии (хемилюминесцентная реакция)
А + В → Р*
2. Испускание кванта света (люминесценция)
Р* → Р + фотон
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

38.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
38

39. Виды хемилюминесценции (ХЛ) в живых системах

1.
2.
3.
4.
Митогенетическое излучение
Сверхслабое свечение (собственная
хемилюминесценция СХЛ) клеток и
тканей
Биолюминесценция (БЛ)
Активированная хемилюминесценция
(АХЛ)
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

40. Эмпирические правила ХЛ

1.Спектр хемилюминесценции подобен спектру фосфоресценции, а не
спектру флуоресценции.
2. Абсолютная величина квантового выхода в хемилюминесцентных
реакциях имеет невысокие значения.
3. Энергия испускаемого фотона равна сумме энтальпии реакции и
энергии активации люминесценции (правило Одюбера).
hν = Eа + ∆H
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

41.

1.Митогенетическое излучение
В 1923 году А.Гурвич обнаружил
митогенетическое излучение
делящихся клеток и определил его
диапазон - область ультрафиолетового излучения
(λ = 180-300 нм).
Создал концепцию
морфогенетического поля
организма, которое создает и
поддерживает в живых системах
специфическую молекулярную
упорядоченность.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

42.

При помощи биологических объектов возможно производить индукцию
митозов на расстоянии, т. е. можно увеличивать количество митозов в
биологическом объекте без непосредственного соприкосновения.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

43. 2. Собственная ХЛ. Измерение собственного свечения органов животного

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
43

44. 1) реакциями активированных кислородных метаболитов (АКМ) 2) реакциями перекисного окисления липидов 3) реакции с участием оксида азота

Собственная ХЛ или сверхслабое свечение
обусловлено реакциями 3 типов
1) реакциями активированных кислородных метаболитов (АКМ)
2) реакциями перекисного окисления липидов
3) реакции с участием оксида азота
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

45. Реакции, сопровождающиеся сверхслабым свечением

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

46.

3.Биолюминесценция (БХЛ)— способность живых
организмов светиться, которая достигается
самостоятельно или с помощью симбионтов.
Это видимое глазом свечение, связанное со
специфическими ферментативными реакциями, при
которых освобождающаяся энергия выделяется в виде света.
Специфический фермент называется люциферазой, а его
субстрат – люциферином.
БХЛ была открыта в 1887 г. Р. Дюбуа, который показал, что за БХЛ
отвечают 2 фракции: 1)низкомолекулярная, устойчивая к нагреванию люциферин; 2) белковая, инактивирующаяся при нагревании, люцифераза.
Люциферины окисляются в присутствии люциферазы с образованием
оксилюциферина и фотона.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

47. Типы биолюминесценции (БЛ): 2.1.Адениннуклеотидная  ЛН2 + АТФ + О2 → оксиЛ* +АМФ + СО2 + Н2О + hν↑ (λ=560 нм)  2.2.Пиридиннуклеотидная RCHO + O2 + НАДН2 + ФМН2

Типы биолюминесценции (БЛ):
2.1.Адениннуклеотидная
ЛН2 + АТФ + О2 → оксиЛ* +АМФ + СО2 + Н2О + hν↑ (λ=560 нм)
2.2.Пиридиннуклеотидная
RCHO + O2 + НАДН2 + ФМН2 → RCOOH + Н2О + НАДН+ + ФМН
+ hν↑ (λ=490 нм)
2.3.Фотопротеины
Целентеразин + Ca2+ = Целентерамид* + CO2 = Целентеразин + hν
(469 нм)
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

48. Люциферины живых организмов

целентеразин
Люциферин светляков
варгулин
люциферин дождевых червей
люциферин улитки
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
люциферин грибов

49.

2.1. Адениннуклеотидный тип БЛ биолюминесценция жуков-светляков
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

50.

2.2. Пиридиннуклеотидный тип БЛ - организмы,
которые светятся с помощью бактерий
Каракатица
Удильщик
Ночесветка
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

51. Сибирский биолюминесцентный червь Fridericia heliota и структура люциферина F. heliota.

Сибирский биолюминесцентный червь Fridericia
heliota и структура люциферина F. heliota.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

52.

2.3. Фотопротеины - биолюминесценция
медузы эквореи
целентеразин
Экворин — люминесцентный белок из медузы эквореи (Aequorea victoria) и
некоторых других морских организмов. Впервые выделен в 1961—1962 годах
американскими учеными Джонсоном и Шимомурой. Состоит из белковой
части (апопротеин) и простетической группы целентеразина Люминесцирует в
присутствии ионов кальция.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

53.

Фотопротеины
Исследование биолюминесцентной системы медузы
Aequorea victoria Осама Шимомурой привели к
открытию 2 белков – Са-регулируемого фотопротеина
экворина и зеленого флуоресцирующего
белка (GFP).
Биолюминесценция экворина инициируется ионами Са
и не зависит от кислорода. Фотопротеин состоит из
апопротеина и простетической группы –
целентеразина (имидазолпиразина).
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

54.

Проблема, с которой всегда сталкиваются специалисты по
биолюминесценции, — получение достаточного количества
биомассы для выделения и исследования веществ,
участвующих в реакции. Характерно в этом смысле
описание сбора материала на биостанции Фрайди Харбор,
которое дал Шимомура в своей нобелевской лекции: «Мы
начинали собирать медуз в шесть утра, а в восемь часть нашей группы принималась отрезать кольца
(краевые участки зонтика медузы, наиболее ярко
светящиеся). Всю вторую половину дня мы проводили,
экстрагируя экворин из колец. Потом мы снова
собирали медуз с семи до девяти вечера, на завтра.
Наша лаборатория выглядела как фабрика по
переработке медуз, и пахло в ней медузами».
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

55. Экворин – апопротеин + целентеразин (189 АК, 22 кДа) Целентеразин + Ca2+ = Целентерамид* + CO2 = Целентеразин + hν (469 нм) Экворин с простетической груп

Экворин – апопротеин + целентеразин (189 АК, 22 кДа)
Целентеразин + Ca2+ = Целентерамид* + CO2 = Целентеразин + hν (469 нм)
Экворин с простетической группой целентеразином, используется как индикатор
присутствия ионов Са2+
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

56.

Шимомура обнаружил, что выделенный из
медузы и очищенный экворин in vitro
излучает синий свет, в то время как живая
медуза светится зелёным. Дальнейшие
исследования показали, что за зелёное
свечение ответственен другой белок — GFP
(green fluorescent protein — зелёный
флуоресцентный белок),
флуоресцирующий зелёным светом под
действием голубого излучния экворина.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

57.

Нобелевскую премию по химии 2008 года получили О.Шимомура,
М.Чалфи, Р.Тсьен «за открытие зелёного флуоресцирующего белка и
за разработку новых методов исследований на его основе»
Зелёный флуоресцирующий белок (green fluorescent
protein, GFP) впервые обнаружили в 1962 году в
организме медузы Aequorea victoria.
Осама Шимомура
Медуза Aequorea victoria (а) обитает в Тихом океане, у
западного побережья Северной Америки. Её биолюминесцентные органы расположены по краю «зонтика» (б, в).
Зелёный флуоресцирующий белок состоит из 238
аминокислот (27 кДа). Аминокислотная цепочка свёрнута в
форме «бочки». Внутри расположена хромофорная группа,
которая поглощает синий свет, а излучает зелёный.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

58.

Структура зеленого флуоресцентного белка (GFP), выделена хромофорная группа –
циклический трипептид Ser65-Tyr66-Gly67. Флуоресцентные белки имеют
бочкообразную структуру, состоящую из плотно подогнанных 11 β-листов, хорошо
экранирующих от внешней среды хромофорную группу. Превращения,
происходящие с хромофорной группой внутри этой макромолекулы при освещении
определенными длинами волн, лежат в основе фотофизических свойств
фотобелков.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

59.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

60.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

61.

Скульптурная композиция, посвящённая GFP
(Вашингтон, США).
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

62. GFP – флуоресцентная метка для изучения экспрессии клеточных белков

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

63. Разноцветные GFP-подобные бели коралловых полипов

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
63

64.

Визуализация различных компонент живых
клеток с помощью флуоресцентных белков.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

65.

Клеточный белок актин, меченный
красным флуоресцирующим белком
(RFP), выглядит под флуоресцентным
микроскопом как изящная пирамидка.
Только что синтезированный в клетке
рецепторный белок LAMP2 светится
голубым, аппарат Гольджи — зелёным, а
рецепторные белки дают красную
флуоресценцию.
Внутри клетки на фоне зелёного свечения
клеточной цитоплазмы видны красные нити
белка тубулина.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

66.

Зеленые кошки не болеют
СПИДом
Американские ученые создали котов,
невосприимчивых к кошачьему вирусу
иммунодефицита (ВИК). Чтобы посмотреть,
насколько ген, обеспечивающий
невосприимчивость, активен в разных
клетках животного, исследователи добавили к
нему ген флуоресцирующего белка,
благодаря которому генно-инженерные коты в
ультрафиолетовых лучах светятся зеленым
светом.
С помощью вирусного вектора внедрили
в ДНК кошачьей яйцеклетки ген
противовирусного фактора макаки
TRIMCyp, снабжающего клетки
устойчивостью к вирусу иммунодефицита.
Чтобы проверить, не используя сложных
инструментальных методик, насколько этот
ген будет активен в различных тканях
трансгенных животных, ученые добавили к
нему ген зеленого флуоресцирующего белка
медузы Aequorea victoria.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

67.

Поросенок со встроенным
геном желтого белка
Головастики африканской шпорцевой
лягушки — нормальный
(справа) и генетически
модифицированный
Детеныш макака резуса со встроенным
геном GFP
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

68.

Флуоресцентное «творчество».
А. «Рисунок» бактериями, экспрессирующими гены различных
флуоресцентных белков, на чашке петри.
Б. Мыши, несущие ген зеленого флуоресцентного белка,
и обычные мыши.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

69.

Пространственные структуры белка miniSOG и его активного
центра
Фототоксический флуоресцентный белок miniSOG генно-инженерными методами получен из домена рецептора синего света растений.
При облучении синим светом miniSOG производит синглетный
кислород, чрезвычайно токсичный для клеток.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

70.

Апоптотическая гибель клеток HeLaKyoto, содержащих miniSOG в
митохондриях. Видны специфические для апоптоза пузырьковые
структуры.
miniSOG является эффективным генетически кодируемым
фотосенсибилизатором, вызывающим гибель клеток в ответ
на облучение.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

71. Направленный апоптоз клеток с помощью белка KillerRed, экспрессированного в митохондриях

KillerRed (красный киллер) флуоресцентный мутант красного
белка из антомедузы, облучение
которого в клетках бактерий
приводит к их массовой гибели.
Его индуцируемая светом
токсичность определяется
продукцией АФК.
KillerRed - фотосенсетайзер.
При облучении зеленым светом он
теряет способность
флуоресцировать и начинает
продуцировать АФК.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

72.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

73. Биолюминесцентный имиджинг (БИ)

БИ основан на реакции окисления люциферазой субстрата, которая
сопровождается испусканием кванта света.
ДНК, кодирующую люциферазу, встраивают в геном целевых клеток, а
субстрат вводится системно.
БИ с использованием маркера luc2 - быстрый, крайне чувствительный и
неинвазивный метод исследования, в том числе и онкологических
процессов.
Продемонстрирована возможность изучения :
- генной экспрессии,
- активности клеточных рецепторов,
- путей сигнальной передачи,
- процессинга РНК,
- белок-белковых взаимодействий,
- жизнедеятельности стволовых клеток,
- процесса апоптоза
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

74. 4. Активированная ХЛ

Химические активаторы ХЛ – это соединения, вступающие в
химические реакции с активными формами кислорода (АФК) или
органическими радикалами R•, в ходе которых образуются
продукты в возбужденном состоянии.
R• + А → РА* → РА + hν
Активаторы: люминол – 3-аминофталевый гидразид
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

75.

Биофизика зрительного восприятия
1877 г. - Франц Болл открыл зрительный
пурпур – родопсин сетчатки глаза,
наблюдая выцветание сетчатки лягушки
при освещении.
1967 г. – Джордж Уолд - Нобелевская
премия по физиологии и медицине «за
открытия, связанные с первичными
физиологическими
и
химическими
зрительными процессами»
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

76.

Механизм зрительного восприятия. Строение глаза.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

77.

Строение сетчатки и зрительной клетки-фоторецептора - палочки
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

78.

Механизм зрительного восприятия.
Строение палочки.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

79.

Механизм зрительного восприятия. Строение глаза и
сетчатки .
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

80.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

81.

Пространственная структура зрительного родопсина
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

82.

Лауреаты Нобелевской премии 2012 г. по химии «за
раскрытие подробной схемы того, как работают
рецепторы, связанные с G-белками (GPCRs)»
Роберт Лефковиц
Брайан Кобилка
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

83.

Механизм зрительного восприятия. Строение ретиналя.
Помимо белковой части – опсина, молекула
родопсина включает остаток
11-цис-ретиналя, связанный ковалентно с
ε- аминогруппой остатка лизина. Родопсин
обладает характерным спектром
поглощения при 500 нм.
Поглощение молекулой кванта света
индуцирует изомеризацию 11-цис-ретиналя
в полностью транс-форму. В результате
изменяется геометрия ретиналя, а спустя
10 мс происходит аллостерический
переход родопсина в его активную форму
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
83

84.

Цикл фотопревращений родопсина.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

85.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
85

86.

Активация GPCR-рецептора
ФГОУ
ВПО
ЮФУ
биохимии
ФГОУ
ВПО
ЮФУкаф.
каф.
биохимиии имикробиологии
микробиологии
86

87.

Схема активации зрительного каскада
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
87

88.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

89.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

90.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

91.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

92.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

93.

Пурпурная мембрана и бактериородопсин
Светозависимый синтез
АТФ в клетках H. halobium
В 1971 году В. Стоккениус и Д. Остерхельт выделили из галофильных
бактерий Halobacterium halobium
хромопротеид интенсивного пурпурного
цвета.
В качестве хромофорной части группы
бактериородопсин содержит 13-цис и
транс-ретиналь. Бактериородопсин
выполняет роль светозависимого
протонного насоса, создающего
градиент ионов водорода, энергия
которых используется для синтеза АТФ
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

94.

Пруды на юге Мертвого моря с галобактериями
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

95.

Бактериородопсин в мембране (а - вид вдоль мембраны, б - вид на
мембрану сверху). Цилиндрами показаны семь спиралей этого
белка. Показаны и соединяющие эти спирали петли, а также
(голубым цветом) молекула ретиналя, прикрепленная внутри
бактериородопсина.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

96. Структура бактериородопсина и путь протона

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

97. Механизм перекачивания протонов за счет энергии света у H. halobium

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

98.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

99.

Технические приложения бактериородопсина (проекты):
протонный транспорт:
генерация АТФ в реакторах;
опреснение морской воды;
генерация электрической энергии из света;
фотоэлектрические применения:
ультрабыстрая световая детекция;
искусственная сетчатка;
детекция подвижности;
фотохромные применения:
хранение информации:
2D-носители;
3D-носители;
голографические носители;
различные применения:
детекция радиации;
биосенсорные приложения.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

100.

Роль синглетного кислорода 1О2
1. Важный путь образования 1О2 – фотодинамические реакции с
участием пигментов - сенсибилизаторов.
Токсичность пигментов и красителей, которая появляется на
свету и в присутствии кислорода, называется фотодинамическим
действием.
2.Вызывает развитие фотодинамических болезней
человека, животных, растений (гиперицизм, фагопиризм,
порфирии, церкоспороз).
3.Создание новых медицинских технологий фотодинамическая терапия рака (Т.Догерти, 1970); внутривенное
лазерное облучение крови (ВЛОК).
Фотосенсибилизаторы - это вещества, которые способны "усиливать"
действие света за счет передачи его энергии другим веществам и тем самым
запускать цепь различных физических и химических процессов.

101.

Фотодинамические болезни
1. Порфирии – клинические расстройства, связанные с
нарушениями в синтезе гема, что приводит к появлению необычно
большого количества фотосенсибилизаторов - порфиринов в крови,
тканях и моче.
Важнейшие симптомы: сверхчувствительность кожи к свету эритемы, язвы, желудочно-кишечные расстройства, боли, онемения
мускулов. Некоторые формы порфирии поражают ЦНС (недостаток
производного порфирина витамина В12 ), диапазон проявлений: от
раздражительности и мрачности до полной психической
ненормальности.

102.

Порфирины (ПФ)— самые
распространенные пигменты в
природе. К ним относятся
хлорофиллы, гем, ПФ входят в
состав цитохромов и других
ферментов
протопорфирин

103.

Зверобой содержит гиперицин - вещество,
повышающее чувствительность кожи к
видимому свету и ультрафиолетовым
лучам, вызывает заболевание животных
гиперицизм

104.

Гречиха содержит фагопирин - пигмент,
повышающий чувствительность кожи к
видимому свету и ультрафиолетовым
лучам, вызывает заболевание животных
фагопиризм
Фагопирин

105.

Церкоспороз листьев (сероватая пятнистость) – поражение
растения грибром р.Cercospora (содержит белок церкоспорин,
запускающий реакцию фотосенсибилизации и образование АФК).

106.

Фотодинамическая терапия (ФДТ) – новый способ
лечения некоторых видов рака - активно развивается
во многих странах мира
Принцип метода: опухолевые клетки разрушаются под
действием активных форм кислорода, которые образуются в
фотохимической реакции фотосенсибилизации.
Необходимые условия ФДТ :
-свет определенной длины волны,
-Фотосенсибилизатор (ФС), избирательно накапливающийся
в опухолевых клетках,
- кислород.
ФС переносит энергию света на кислород, благодаря чему
последний переходит в возбужденное синглетное состояние и
вызывает разрушение опухолевых клеток.

107.

Основные этапы фотодинамической терапии
рака.

108.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

109. Летальные реакции

1.
2.
Приводят к гибели организма УФ-излучением. В случае
микроорганизмов различают бактериостатический (клетки
живут, но не размножаются) и бактерицидный (клетки гибнут)
эффекты.
Фотодинамический эффект – сенсибилизация организма к
действию видимого света в присутствии красителя и кислорода.
Данный эффект был открыт Оскаром Раабом, студентом
профессора Херманна фон Таппайнера в Мюнхенском
Фармакологическом и нституте в 1888 г. Суть открытия Рааба
состояла в том, что, когда интенсивность света в поле микроскопа
была достаточно большой, окрашенные акридином или другими
флуоресцирующими красителями клетки парамеции прекращают
движение и погибают, причем спектр действия этого эффекта
соответствует спектрам поглощения красителей.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии
109

110. Фотодеструктивные процессы

1.Действие УФ-излучения на белковые системы
1.1. Фотоионизация ароматических аминокислот с образованием катионрадикала и сольватированного электрона. При распаде катион-радикала
возникает нейтральный радикал.
АН + hν = АН* = AH+• + esolv
AH+• = A• + H+
1.2. Фотолиз цистина с разрывом S-S связей и возникновение радикала
цистеина – тиильного радикала (CS•)
2.Действие УФ-излучения на нуклеиновые кислоты
2.1. Образование фотодимеров тимина, урацила, цитозина и смешанных
димеров.
2. 2. Реакция гидратации урацила и цитозина.
2.3. Разрывы полинуклеотидной цепи ДНК.
2.4. Образование внутримолекулярных ковалентных сшивок между двумя
комплементарными цепями ДНК в растворе.
2.5. Фотоденатурация ДНК.
2.6. Индукция сшивок нуклеиновая кислота-белок в составе РНП и ДНП.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

111. 3.Действие УФ-излучения на липиды и биологические мембраны.

3.1. Перекисное фотоокисление липидов.
3.2. Повышение проницаемости биомембран для различных веществ, и прежде
всего для ионов.
ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии

112.

ФГОУ ВПО ЮФУ каф. биохимии и микробиологии