О.В. Мосин

Световая энергия может наносить огромные повреждения живым тканям. При поглощении света природным пигментом его молекула переходит в нестабильное и короткоживущее возбужденное состояние с повышенным уровнем энергии. Этот избыток энергии обычно используется в организме; например, он обеспечивает синтез АТР (в фотосинтетическом транспорте электронов) или образование нервного импульса, вызывающего ответную реакцию. Примерами такого использования света служат различные фотофункции природных пигментов, рассмотренные ниже.

Энергия, уловленная в возбужденных молекулах, может также вызывать повреждения, осуществляя нежелательные химические реакции, которые могут привести к разрушению живых тканей. Различные природные пигменты и особенно порфирины могли бы служить сенсибилизаторами для катализируемых светом повреждений, особенно в присутствии кислорода, если бы не было соответствующего защитного механизма.

Вредное действие на ткани может оказывать не только видимый свет. Ультрафиолет высокой интенсивности поглощается белками и нуклеиновыми кислотами и потенциально способен повреждать эти жизненно важные молекулы.

Одна из наиболее существенных функций многих природных пигментов, главным образом каротиноидов и меланинов, заключается в защите жизненно важных тканей от фотодинамического и в первую очередь фотоокислительного повреждения. Известны три случая такого фотозащитного действия. На двух из них -роли каротиноидов в защите бактерий от фотоокисления и предотвращении развития фотоиндуцированных повреждений у животных -я остановлюсь более подробнее.

ДНК кодирует генетическую информацию, которая определяет практически все структуры и функции самих клеток, а также организма, частью которого они являются. Повреждение молекулы ДНК ведет к изменению информации, закодированной в последовательности ДНК и потому может иметь ужасные последствия, если не будет исправлено. Поскольку число молекул ДНК в клетке невелико, а величина этих молекул огромна, существует большая опасность их повреждения химическими веществами, излучением и т. п.

Особенно хорошо изучено действие УФ-лучей на ДНК. Нуклеиновые кислоты поглощают УФ-излучение при 260 нм, которое может вызвать в их молекулах структурные изменения. В основном при этом происходит димеризация в ДНК соседних пиримидиновых оснований (обычно остатков тимина) с образованием так называемых "циклобутановых продуктов" (11.9). В результате димеризации нарушаются нормальные водородные связи между цепями и, следовательно, разрушается структура двойной спирали в этом участке макромолекулы.

К счастью, клетки имеют ряд защитных механизмов, посредством которых они могут восстанавливать повреждения в цепях ДНК. В частности, для исправления повреждений пигментов, вызываемых различными воздействиями, в том числе и УФ-излучением, используется механизм репарации путем выщепления, в ходе которого небольшой участок поврежденной цепи ДНК удаляется и замещается новосинтезированным неповрежденным участком.

Многие клетки, главным образом бактериальные (но также и клетки человека) используют для репарации ДНК механизм фотореактивации, с помощью которого повреждение может быть исправлено без расщепления молекулы ДНК. При этом с молекулой ДНК, содержащей пиримидиновый димер, связывается фермент. В результате поглощения света (300-500 им) комплексом фермент -ДНК фермент активируется и восстанавливает поврежденный участок молекулы, расщепляя димеры с образованием нормальных пиримидиновых оснований.

Известно много случаев, когда бескаротиноидные мутанты бактерий гибнут в результате совместного действия света и кислорода, в то время как окрашенные организмы, принадлежащие к дикому типу, в тех же условиях повреждений не получают. Защитное действие каротиноидов было продемонстрировано на примере как фотосинтезирующих, так и нефотосинтезирующих бактерий.

Оказывается, фотозащитным действием обладают лишь те каротиноиды, которые поглощают в видимом диапазоне (400 им), т. е. для такого действия необходим хромофор, содержащий по крайней мере восемь сопряженных двойных связей. Возможно, что в некоторых случаях каротиноиды в клеточной оболочке осуществляют защиту клетки, отфильтровывая свет опасных длин волн, однако обычно они более непосредственно участвуют в процессе фотосенсибилизации.

Фотодинамическая гибель бактерий наблюдается при наличии света, кислорода, а также эндогенного или экзогенного фотосенсибилизатора. Свет .поглощается сенсибилизирующим пигментом, который подвергается межсистемным превращениям и переходит в более долгоживущее, но все еще высокоэнергетическое триплетное состояние. Пигмент в таком состоянии способен передавать избыток энергии молекулярному кислороду, переводя его в высокореакционноспособное синглетное состояние (О2). Образовавшийся синглетный кислород может окислить любую подходящую акцепторную молекулу, например молекулу ненасыщенной жирной кислоты. При этом образуются перекиси, которые могут вызвать обширные, а иногда и летальные повреждения чувствительных внутриклеточных процессов.

Каротиноид может нарушить эту последовательность событий, выступая в роли либо предпочитаемого субстрата окисления, либо акцептора избытка энергии триплетного сенсибилизатора или молекулярного кислорода.

Образующийся при этом триплетный каротиноид распадается, не вызывая нарушений. Подобный защитный механизм очень сходен с описанными механизмами защиты фотосинтетических мембран.

Защита от фотоокисления, вероятно, является главной функцией каротиноидов у нефотосинтезиругощих микроорганизмов. В организмах некоторых примитивных животных для защиты от фотоокисления используются сходные механизмы.

Возможно, у некоторых организмов и в некоторых тканях аналогичную фотозащитную функцию могут выполнять другие поглощающие свет соединения, обладающие антиокислительным действием (например, хиноны), однако более детально в этом отношении изучены пока только каротиноиды.

Синглетный кислород, образующийся не в фотохимических, а в каких-то других процессах, также может быть опасен для бактерий. Предполагают, что фагоцитоз бактерий полиморфно-ядерными лейкоцитами животных происходит с участием образующегося биохимическим путем молекулярного кислорода. В этом случае каротиногенные бактерии оказываются более защищенными от воздействия кислорода, чем бескаротиноидные.

У животных защита от облучения светом обычно обеспечивается экранирующим слоем пигмента, который либо поглощает свет всех длин волн, либо отфильтровывает особенно опасные лучи. Для целей экранирования наилучшими являются, очевидно, темные пигменты, такие, как меланины, поскольку они сильно поглощают во всем диапазоне видимого и УФ-света. Наиболее известным примером фотозащитной реакции служит пигментация кожи человека. Так называемая "белая кожа" у человека почти прозрачна, однако кератин рогового слоя поглощает значительную часть УФ-лучей. В ответ на продолжительное освещение солнечным светом в процессе формирования солнечного загара усиливается образование пигмента кератина и особенно меланина. Загоревшая белая кожа пропускает лишь 5% УФ-лучей с длиной волны 300 нм, тогда как незагоревшая - 25%. У людей с темной кожей почти весь УФ-свет поглощается значительными количествами меланина в коже. Этим обеспечивается адекватная защита от высоких доз лучистой энергии, характерных для тех областей земного шара, где живут темные расы.

Защитные меланины встречаются и у низших животных. Черный слизень Arion ater накапливает в наружном покрове мелании в количествах, пропорциональных количеству фотодинамически свободного порфирина. Сходные примеры корреляции между содержанием меланина и свободных порфиринов были описаны у морских животных.

Свободные порфирины, будучи фотосенсибилизаторами, могут оказывать вредное (даже губительное) действие на млекопитающих, в том числе и на человека. Они могут накапливаться при нарушении метаболизма тема, поскольку являются промежуточными продуктами этого процесса. Для больных порфирией характерна чрезвычайная фоточувствительность; они совершенно не выдерживают освещения солнечным светом. У них отсутствует эндогенный экранирующий пигмент для защиты от действия света. Если больному порфирией ввести -каротин, то он будет откладываться в тканях кожи и поглощать свет опасных длин волн. Такой искусственный пигментный экран предотвращает поглощение света порфириновым фотосенсибилизатором.

Считают, что у низших животных в качестве фильтрующих или экранирующих пигментов функционируют не каротиноиды, а соединения других классов, например нафтохиноны у иглокожих.

Каротиноиды - широко распространенные пигменты наружных покровов - являются антиоксидантами и в то же время активно поглощают свет. Вполне вероятно, что у животных они осуществляют защиту от фотоокисления так же, как они делают это у бактерий. Высокие концентрации каротиноидов в яйцах животных, живущих на суше и на мелководье, могут отражать эту фотозащитную роль.

Предшествующий рассказ был посвящен поглощению света молекулами различных пигментов. В заключение следует хотя бы кратко остановиться на обратном процессе - биолюминесценции, - в котором биохимическая энергия используется живыми организмами для генерирования видимого света.

Биолюминесценция была обнаружена у морских бактерий и динофлагеллят, а также у небольшого числа видов грибов. Но всё же лучше всего это явление изучено у представителей животного царства. Наиболее известный пример - жук светляк (и его личинка)-наземное насекомое, которое ночью для привлечения партнера использует вспышки или непрерывно испускаемый свет. Однако наиболее часто биолюминесценция встречается у морских животных: рыб, ракообразных, моллюсков, кольчатых червей и кишечнополостных. Биолюминесценция некоторых светящихся животных, главным образом рыб и некоторых головоногих моллюсков, обусловлена их симбиозом с колониями испускающих свет бактерий. У других животных люминесценция является их собственной особенностью и не зависит от симбионтов.

Испускающие свет бактерии принадлежат к двум родам: все симбиотические виды -к роду Photobacterium, а все свободноживущие - к роду Beneckea, У животных, которые используют Photobacterium, микроорганизмы содержатся в специальных светящихся органах. Наиболее удивительным примером такого органа служит "приманка" рыбы морского черта.

Поддерживание существования бактериальных симбионтов в таких органах имеет свои проблемы. Распространение бактерий внутри тела животного должно ограничиваться светоносным органом. Кроме того, они должны передаваться без загрязнений бактериями других видов в светоносные органы особей последующих поколений. Бактерии люминесцируют непрерывно, так что животным необходим какой-то механизм, контролирующий испускание света этим органом. Такой контроль может осуществляться с помощью либо перемещения самого органа, либо хроматофоров, поглощающих испускаемый свет, либо различных механизмов типа "жалюзи".

Люминесценция у животных, которые не используют бактерий, также происходит лишь в специальных светоносных органах. У таких животных число светоносных органов обычно больше, чем у симбиотических видов, и они, как правило, имеют характерный рисунок расположения.

Обычно явление биолюминесценции объясняют на примере окисления субстрата (люциферина) ферментом (люциферазой), в результате которого на одной из стадий этого процесса происходит испускание фотона. В недавних исследованиях были выяснены детали реакций, протекающих у некоторых организмов.

Конечно, было бы идеально разделить примеры биолюминесценции на сравнительно небольшое число типов и разработать классификацию по типу реакций. Однако в настоящее время фрагментарность наших знаний о биолюминесценции не позволяет сделать это.

Для непрерывного испускания света бактериям необходим, фермент (названный бактериальной люциферазой), длинноцепочечный алифатический альдегид или родственное ему соединение в качестве субстрата люциферина, молекулярный кислород и восстановленный флавинмопонуклеотид (FMNH2). Полагают, что свет испускается в виде флуоресценции возбужденным окисленным флавиннуклеотидом, образующимся в ходе реакции.

Лучше других изучена биолюминесценция жука-светляка. Происходит процесс так: Сначала люциферин [лампирин (11.10)] реагирует с АТР с образованием связанного с ферментом люциферин-АМР-производногог которое затем окисляется до оксилюциферина (11.11) молекулярным кислородом в реакции, протекающей в несколько стадий. Фермент при этом претерпевает ряд значительных конформационных изменений, и в результате на одной из стадий; происходит испускание света.

Механизмы испускания света другими организмами в принципе сходны и различаются лишь степенью ассоциации или сложности люциферин-люциферазнои системы. Так, у гидроидной морской медузы Aequorea люцифераза и люциферин [коэлентеразин. (11.12)] остаются прочно связанными в виде стабильного фото-белкового комплекса (11.13).

У кораллового полипа - Renil1а - тот же самый люциферин (11.12) сохраняется в виде сульфатного производного и высвобождается в результате удаления сульфатной группы при действии 3,5-дифосфоаденозина и фермента люциферинсульфокиназы. В присутствии молекулярного кислорода неустойчивый люциферин окисляется до оксилюциферина и происходит испускание света.

Небольшой ракушковый рачок Cypridina образует свой люциферин (11.14) и люциферазу в разных железах. Оба компонента выпускаются струей в морскую воду, где происходит люминесцентная реакция. Любопытно, что некоторые рыбы, очевидно, для обеспечения себя люциферином и люциферазой используют Cypridina в пищу.

Хотя биолюминесценция водных животных обычно связана с морской средой, хорошо известна люминесценция и у одного пресноводного вида - брюхоногого моллюска Latia. Люциферин Latia (11.15) очень сходен с каротиноидными пигментами.

Окраска (т, е. длина волны) испускаемого света для разных родов и видов животных различна; например, динофлагеллятам присуща флуоресценция красного цвета, a Renilla и Aequorea - сине-зеленого. На эту окраску в значительной степени влияет конформация фермента, которая в свою очередь подвержена влиянию таких факторов, как температура, величина рН, давление, концентрация солей и АТР.

В заключение следует отметить, что цели, которым служит биолюминесценция у свободноживущих бактерий, пока не ясны. Гораздо легче понять возможную пользу, извлекаемую из биолюминесценции животными. Люминесценция, как собственная, так и обусловленная бактериями-симбионтами, используется животными, живущими в темноте, с теми же целями, что и окраска животными, живущими в мире света, т. е. для привлечения жертв или брачных партнеров, для предупреждения и предостережения, а у некоторых рыб для маскировки путем искажения.

ЛИТЕРАТУРА.

Bennell F. (1979). Extraocular light receptors and circadian rhythms. In: Handbook of sensory physiology, vol. VII/6A, Vision in invertebrates, ed. H. Autrum, p. 641, Heidelberg, Berlin and New York, Springer-Verlag.

Сapian S. R., Ginzbtirg M. (eds.) (1978). Energetics and structure of halophilic microorganisms, New York, Elsevier-North Holland.

Castellani A, (ed.) (1977). Research in photobiology, New York and London, Plenum. Checuccl A., Weal R. A. (eds.) (1973). Primary molecular events in photobiology, Amsterdam, Elsevier.

Clayton R. /(. (1971). Light and living matter, vol. 2, The biological part, New York, McGraw-Hill. De Luca M. (ed.) (1978). Bioluminescence and chemiluminescence (Methods in enzymology, vol. 57), New York, Academic Press.

Eakin R. M. (1974). The third eye, Berkeley, University of California Press. Hand W. G. (1977). Photomovement. In: The sciences of photobiology, ed. К. С. Smith, p. 313, New York and London, Plenum.

Hastings J. W. (1968). Bioluminescence, Ann. Rev. Biochem., 37, 597. Herring F. J. (ed.) (1978). Bioluminescence in action, London, New York and San Francisco, Academic Press.

Johnson F. H., Haneda Y. (eds.) (1966). Bioluminescence in progress. New Jersey, Princeton University Press.

Krinsky N. I. (1971). Function. In: Carotenoids, ed. O. Isler, p. 669, Basel and Stuttgart, Birkhauser. Lee f. (1977). Bioluminescence. In: The science of photobiology, ed. К. С. Smith, p. 371, New York and London, Plenum.

Lehmann A. R., Bridges B. A. (1977). DNA repair, Essays. In: Biochemistry, London, The Biochemical Society-Academic Press.

Menaker M. (1977). Extraretinal photoreception. In: The science of photobiology, ed. К- С. Smith, p. 227, New York and London, Plenum. Millott ff. (1968). The dermal light sense, Symp. Zool. Soc. London.

Mltrakos K., Shropshire W.t Jr. (eds.) (1972). Phytochrome, London and New York, Academic Press. Ottolenghi M. (1980). The photochemistry of rhodopsins, Adv. Photochem.

Pratt L. H. (1979). Phytochrome. In: Photochemical and photobiological reviews, vol. 4, ed. К. С. Smith, p. 59, New York, Plenum.