WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

Таким образом, механизм зрительной фоторецепции следующий:

1. При поглощение света меняется структура родопсина.

2. Это приводит (через ряд промежуточных событий) к закрытию Na+ каналов в плазматической мембране.

3. Поэтому трансмембранный потенциал увеличивается, таким образом, возбуждение светочувствительных нейронов приводит к гиперполяризации мембраны.

4. Гиперполяризация распространяется до области синаптического контакта и вызывает возбуждение ассоциативных нейронов.

Предшественником зрительного пигмента родопсина является его аналог бактериородопсин. Бактериородопсин – белок, относящийся к хромопротеинам и свойственный внешней мембране некоторых галобактерий (солелюбивых бактерий), которые благодаря этому используют солнечный свет для жизнедеятельности и движения при бедном доступе кислорода. В клетках Н. salinarium и обнаружены 3 фотоактивных пигмента, все они ретинальсодержащие белки. Один из них, названный сенсорным родопсином, обеспечивает фототаксис этих бактерий (красный и желто-синий свет вызывают положительный таксис, синий и УФ – отрицательный). Бактериородопсин по структуре и свойствам похож на родопсин - белок фоторецепторов глаза. Поглощение света ретиналем дает начало фотохимическому циклу превращений бактериродопсина, в ходе которого он претерпевает переходы между разными конформационными формами.

Происходящая в результате транс-цис- фотоизомеризация ретиналя запускает всю дальнейшую цепь последовательных превращений фотоцикла бактериородопсина.

Процесс изомеризации ретиналя сопровождается изменением поглощения в области 260450 нм. Поглощение фотона красного света приводит к генерированию сигнала, по которому бактерии начинают перемещаться по направлению к источнику света. При поглощении фотона синего света наблюдается противоположная реакция. Максимальный эффект в обоих случаях достигается при длине волны 565 и 370 нм соответственно.

В основе функционирования бактериородопсина лежит его способность переносить протоны с цитоплазматической на внешнюю сторону клеточной мембраны, таким образом, при участии бактериородопсина реализуется простейшая, безхлорофильная форма фотосинтеза, в результате которой осуществляется синтез АТФ.

Фотосенсорная реакция обеспечивает оптимальную для клеток галобактерий пространственную ориентацию. Клетки покидают области, в которые проникает губительное коротковолновое излучение, и с помощью жгутиков или газовых вакуолей концентрируются в зонах с благоприятным для них световым режимом. Этим достигаются и оптимальные условия для фотофосфорилирования, так как область спектра, вызывающая положительную тактическую реакцию, и спектр поглощения фотосинтетического пигмента совпадают.

Зрение Зрение – восприятие организмом внешнего мира, т.е. получение информации о нём посредством улавливания специальными органами зрения отражаемого или излучаемого объектами света. Зрение позволяет на основе анализа внешних ситуаций организовать целесообразное поведение. С помощью зрения организм получает сведения о направлении отдельных пучков света, их интенсивности и т.д. Свет поглощается фоторецепторами глаза, содержащими зрительный пигмент, преобразующий энергию квантов света в нервные сигналы; от спектра поглощения пигментов зависит диапазон воспринимаемого света. Человек воспринимает электромагнитные излучения в диапазоне длин волн 400— 700 нм, некоторые насекомые различают и ультрафиолетовые лучи (до 300 нм), некоторые ящерицы — инфракрасный свет. В процессе эволюции животных зрение прошло сложное развитие: от способности различать лишь степень освещённости (дождевой червь) или направление на источник света (улитка) до многообразного анализа изображения.

Специфично устроены фасеточные глаза ракообразных и насекомых, дающие «мозаичное» изображение и приспособленные к различению формы близлежащих объектов. Глаза ряда беспозвоночных способны различать плоскость поляризации света.

Глаз позвоночных имеет преломляющую свет оптическую систему: роговицу, хрусталик (линзу), стекловидное тело, а также радужную оболочку со зрачком. При помощи специальной мышцы кривизна хрусталика, а следовательно, и его преломляющая сила меняются (аккомодация глаза), что обеспечивает резкость изображения на глазном дне.

Внутреннюю поверхность глазного яблока занимает световоспринимающая часть глаза — сетчатка. За фоторецепторами — палочковыми и колбочковыми клетками — следует система из нескольких этажей нервных клеток, анализирующих поступающие от фоторецепторов сигналы. У ночных животных в сетчатке преобладают палочки, у дневных – сетчатка либо смешанная, либо в ней преобладают колбочки. Зрительные системы разных животных различаются по инерционности, или временной разрешающей способности. Так, лягушка воспринимает мелькания частотой до 15-20 Гц, человек – до 50-60 Гц (при ярком освещении), некоторые насекомые (например, муха) — до 250-Гц.

Таким образом, система фотовосприятия и фотопередачи представляет собой сложную последовательность молекулярных событий, в результате которых информация об изменении освещения поступает в клетки, генерирующие суточные ритмы.

Тема 4. Биолюминесценция. Биолюминесценция и биолюминесцентные организмы.

Механизмы трансформации энергии биохимических реакций в свет. Флуоресцентные белки. Биолюминесценция моря. Применение биолюминесцентных методов (биофизика, экология, медицина).



«Много блеска, много свету, А тепла и дыма нету, Что за чудо-огонек!» П. П. Ершов, «Конек-Горбунок» Биолюминесценцией называют свечение живых организмов. Оно происходит за счет специальных химических реакций, проходящих с выделением света (такие реакции называются хемилюминесцентными). Биолюминесценция - явление не настолько редкое, как может показаться нам, жителям Восточной Сибири. Просто мы удалены от морей и океанов, где обитает подавляющее большинство светящихся организмов. И даже жукисветляки в нашем климате не живут. А между тем в настоящее время известно несколько сотен биолюминесцентных видов. Светящиеся виды встречаются как среди одноклеточных организмов (бактерии, радиолярии и др.), так и среди многоклеточных (грибы, медузы, кальмары, рыбы, рачки, жуки, комары и др.). Не найдены биолюминесцентные организмы только среди высших растений и млекопитающих.

Биолюминесцентные организмы Многоклеточные животные обычно излучают свет не всем телом, а только специальными клетками фотоцитами, часто сгруппированными в особые органы свечения – фотофоры. Иногда фотофоры светятся непрерывно благодаря обитающим в них симбиотическим фотобактериям. Но обычно свечение происходит в виде коротких вспышек и контролируется нервной системой. Биолюминесценция бывает внутриклеточная или секреторного типа. В последнем случае компоненты биолюминесцентной реакции «выбрасываются» из организма в виде покрывающей его слизи или расплываются вокруг него в воде, как большое световое облако.

В настоящее время известно более 800 видов светящихся организмов, из них простейших – около 50, кишечнополостных – примерно 100, моллюсков – более 200 и рыб – около 300 видов. Многообразие светящихся организмов и выполняемых биолюминесценцией функций отражено в табл. 3.

Таблица 3. Биолюминесцентные организмы Таксон Роды Особенности свечения Для чего светятся Бактерии Photobacterium Стабильное яркое Симбиоз, Vibrio свечение паразитизм Xenorrhabdus Грибы Panus, Armillaria, Стабильное тусклое Для привлечения Pleurotus свечение насекомых Динофлагелляты Gonyaulax, В ответ на раздражение Средство (жгутиконосные Pyrocystis, возникают короткие яркие отпугивания или водоросли) Noctiluca вспышки дезориентации хищников Стрекающие Aequorea, Яркая вспышка или серия Средство кишечнополостные: Obellia, Renilla вспышек отпугивания или медузы, гидроиды, устрашения морские перья Нестрекающие: Mnemiopsis, Яркие вспышки Средство гребневеки Beroe отпугивания или устрашения Кольчатые черви: Diplocardia, Клеточные выделения или Средство земляные, Chaetopterus, внутриклеточные отпугивания или многощетинковые, Odontosyllis, вспышки, временами устрашения, одонтосилис, ахолоэ Achloe очень яркие ухаживание Моллюски: Latia, Pholas, Свечение секреторного Отвлечение, двустворчатые, Heteroteuthis типа, фотофоры с приманка, головоногие симбиотическими маскировка (кальмары) бактериями у некоторых кальмаров Ракообразные: Vargula, Выделение (выброс) Отвлечение, ракушковые, рачки, Cypridina, светящегося облака приманка, креветка, веслоногие Meganyctiphanes, ухаживание, Gaussia маскировка, устрашение хищника Насекомые: Photinus, Импульсы видово- Устрашение Жесткокрылые Photirus, специфичной формы хищника, (жуки), светляки, Pyrophorus, ухаживание, жуки-щелкуны, Arachnocampa приманка для железнодорожный привлечения червь жертвы Иглокожие (офиуры) Phiopsila Серия быстрых вспышек Устрашение, отпугивание Хордовые Pyrosoma Серии ярких вспышек, Функция (оболочники) стимулируются неизвестна механически, светом и другими факторами Рыбы: Isistius, Вентральное Привлечение и хрящевые, костные Leiognathus, маскирующее свечение, захват жертвы, (сребробрюшковые, Photoblepharon, фотофоры латерально и на ухаживание, рогатые удильщики, Cryptopsaras, языке устрашение рыба-мичман), Porichthys, хищников, морские Cyclothone, внутривидовая среднеглубинные Neoscopelus, коммуникация Tarletonbeania Следует отметить, что многие светящиеся организмы еще недостаточно изучены – не известны компоненты биолюминесцентных реакций, не изучены функции свечения.

Список биолюминесцентных видов постоянно пополняется вновь открытыми участниками.

Механизм биолюминесценции Как и всякая люминесценция, биолюминесценция наблюдается вследствие дезактивации возбужденных молекул – эмиттеров. Эти эмиттеры возникают в организмах в ходе специальных биохимических реакций. Биолюминесцентные реакции представляют собой, как правило, окисление некоторого вещества, называемого люциферином, кислородом воздуха, катализируемое специальным ферментом, называемым люциферазой. Во время такого ферментативного окисления люциферина образуется большое количество энергии (40-80 ккал/моль), переводящее промежуточный продукт этой реакции в возбужденное состояние.

Упрощенная схема реакции, происходящей в активном центре люциферазы, выглядит следующим образом (рис. 14).

* L + O2 эмиттер LO + h Люциферин Кислород Промежуточный Окисленный Квант света продукт в люциферин возбужденном состоянии Рис. 14. Упрощенная схема биолюминесцентной реакции Названия люцифераза и люциферин – условные. У разных светящихся организмов эти ферменты и субстраты не схожи по своему химическому строению (рис. 15). В настоящее время известно около 30 типов люцифераз и соответствующих им люциферинов. У некоторых светящихся организмов за свечение ответственны стойкие люциферин-люциферазные комплексы – фотопротеины. В таких комплексах люциферин временно (до свечения) или даже постоянно слит в одно целое с люциферазой.





(1) (2) (3) (4) Рис. 15. Люциферины разных светящихся организмов: (1) динофлагеллят, (2) агариковых грибов, (3) жуков-светляков, (4) кишечнополостных (а также радиолярий, гребневиков и многих других) Многим биолюминесцентным реакциям для излучения света помимо основных компонентов требуется еще дополнительный низкомолекулярный «участник». Например, фотопротеины кишечнополостных (медуз, полипов и др.) начинают испускать кванты света после встречи с ионами кальция. А для эффективного протекания биолюминесцентной реакции светляков требуются ионы магния.

Химически разные биолюминесцентные реакции объединяет несколько характерных черт.

1. Всем этим реакциям абсолютно необходим молекулярный кислород.

2. Люциферины, как правило, представляют собой хорошо флуоресцирующие соединения. Все они характеризуются сходными спектрально-люминесцентными свойствами.

3. В подавляющем большинстве случаев обязательным участником реакции является специфический белковый компонент – фермент люцифераза. Считается, что именно благодаря этому компоненту биолюминесцентные реакции излучают яркий свет: белок прикрепляет к себе реагирующие вещества и образовавшиеся возбужденные эмиттеры и защищает их от вмешательства «посторонних» молекул, способных помешать акту излучения кванта света.

4. Излучение биолюминесценции происходит с возбужденного промежуточного фермент-субстратного комплекса (эмиттера).

Весь цикл преобразований в ходе биолюминесцентной реакции условно разбивается на четыре стадии.

I. Образование промежуточных фермент-субстратных комплексов (интермедиатов).

II. Элементарный акт возбуждения и переход некого интермедиата в эмиттер.

III. Испускание кванта света.

IV. Релаксация люциферазы в исходное состояние.

Флуоресцентные белки В ходе изучения биолюминесценции было обнаружено, что зачастую цвет излучения самого светящегося организма отличается от цвета биолюминесценции выделенной из него реакции. Так были обнаружены специальные флуоресцентные белки, которые не участвуют в химическом процессе, но перехватывают (т.е. акцептируют) энергию возбуждения с образующегося в реакции эмиттера, а затем сами излучают квант света (такая хемилюминесценция называется непрямой). Поэтому при отсутствии таких белков биолюминесценция имеет один цвет, а в их присутствии – уже другой. Например, реакция, катализируемая бактериальной люциферазой, излучает сине-зеленый свет (с максимумом при длине волны примерно 490 нм). Но если добавить в реакцию выделенный из некоторых бактерий желтый флуоресцентный белок (YFP), то цвет излучения становится желтым (с максимумом при 540 нм).

В настоящее время самым известным и популярным по количеству применений флуоресцентным белком, бесспорно, является зеленый флуоресцентный белок (Green Fluorescent Protein - GFP). Он был обнаружен, когда заметили, что у живой медузы свечение зеленое с максимумом 508 нм, а выделенный из нее фотопротеин, реагируя с ионами кальция, испускает синий свет (максимум 465 нм). Изучение GFP выявило его совершенно уникальные свойства. Обычные белки не флуоресцируют в видимом диапазоне (они могут излучать только ультрафиолетовый свет). Как правило, белок становится флуоресцентным, если его аминокислотная цепочка связывается с низкомолекулярным флуоресцентным соединением (хромофором) или солью тяжелого металла. Но GFP не нуждается ни в том, ни в другом! Извне для появления его яркой зеленой флуоресценции требуется только молекулярный кислород. GFP сам образует себе хромофорную группу – в виде кольца, составленного из трех аминокислотных остатков, следующих друг за другом: серина-65, тирозина-66 и глицина-67. Тирозиновый остаток в составе хромофора теряет два протона и окисляется молекулярным кислородом.

Оставшаяся часть аминокислотной цепи белка скручивается в подобие бочки или клетки, внутри которой помещается хромофор (рис. 16).

Кроме зеленого белка медузы Aequorea victoria, подобные ему были найдены у десятков видов других кишечнополостных животных: колониальных гидроидных (Obelia longissima, O.geniculata, Clytia sp. и др.) и коралловых полипов - морских перьев (Renilla muelleri, R.reniformis, Ptilosarcus sp., Stylatula elonga, Acanthophtilum gracile и т.д.). У всех перечисленных организмов синий свет преобразуется в зеленый. Зачем это им нужно Считается, что зеленый свет лучше виден в темноте. Другая возможная функция таких флуоресцентных белков - стабилизация молекулы фотопротеина, повышающая квантовый выход свечения.

Рис. 16. Схема строения зеленого флуоресцентного белка. Аминокислотная цепочка скручена наподобие бочки, а внутри – хромофор Сразу после открытия GFP-подобных белков ими (а точнее, их генами) занялись генные инженеры и биотехнологи. Соединяя ген GFP с генами других белков, они получили возможность увидеть во флуоресцентном микроскопе места и скорость образования этих белков, прослеживать рост клеточных клонов, включая патогенные бактерии и раковые опухоли. Также стало возможным наблюдать за размножением в подопытном организме разных вирусов, в том числе тех, которые содержат не ДНК, а РНК, т.е. ретровирусов, например, иммунодефицита человека. Результаты работ с применением зеленого флуоресцентного белка в качестве маркера сейчас просто необозримы.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.