Фотобиологические процессы

Поглощение света биомолекулами

Фотобиологические процессы начинаются с поглощения света биологически активными молекулами — хромофорами, способными переходить в возбужденное состояние под действием фотонов определённой длины волны. К числу таких молекул относятся хлорофилл, родопсин, флавины, порфирины, птеридины и другие.

Поглощение фотона переводит молекулу из основного состояния (S₀) в возбужденное синглетное (S₁) или триплетное (T₁) состояние. В биологических системах основную роль играет возбуждение синглетного уровня, поскольку такие состояния характеризуются коротким временем жизни (порядка 10⁻⁹ с) и высокой вероятностью обратного перехода, что делает их эффективными участниками быстрых фотохимических реакций. При переходе в триплетное состояние возможно участие в более медленных, но биологически значимых процессах, включая генерацию активных форм кислорода (АФК).

Фотохимические реакции

После поглощения фотона молекула может:

• претерпеть радиационно-безызлучательный релаксационный переход (например, внутреннее преобразование, интерсистемный переход),
• излучить флуоресценцию или фосфоресценцию,
• инициировать фотохимическую реакцию, ведущую к изменению структуры или состояния молекулы.

Классическим примером фотохимической реакции является цис–транс-изомеризация ретиналя в составе родопсина в сетчатке глаза, что запускает каскад сигналов в зрительном тракте.

Фотофизические процессы и передача энергии

Многие биологические системы используют механизмы переноса возбуждения и энергии:

• Фёрстеровский резонансный перенос энергии (FRET): безызлучательная передача энергии между хромофорами на расстоянии до 10 нм. Применяется как в природе (фотосинтез), так и в биотехнологии (метки для флуоресцентной микроскопии).
• Дельта-энергетические каскады, когда энергия последовательно передаётся от одного хромофора к другому, снижаясь на каждом этапе, как это наблюдается в антеннах фотосинтетических комплексов.

Светозависимая сигнализация

Фотобиологические процессы лежат в основе многих сигнальных путей, включая:

• зрение — преобразование света в нервный сигнал,
• циркадные ритмы — регулирование биологических часов через чувствительность к свету,
• фототропизм и фототаксис — движения клеток и организмов в ответ на освещение,
• фотоморфогенез — развитие растений под влиянием света.

Свет воспринимается специализированными белками, такими как криптохромы, фитохромы, опсины. Эти белки содержат хромофоры, меняющие свою конфигурацию или состояние при облучении, что запускает соответствующие каскады внутриклеточной сигнализации.

Фотосинтез

Фотосинтез является фундаментальным фотобиологическим процессом, при котором происходит преобразование энергии света в химическую энергию. Он включает несколько стадий:

• Фотохимическая стадия — возбуждение хлорофилла, перенос электронов, фотолиз воды.
• Электронтранспортная цепь — генерация протонного градиента и восстановление NADP⁺ до NADPH.
• Синтез АТФ — посредством хемиосмотического механизма.
• Тёмная стадия (цикл Кальвина) — фиксация CO₂ в органические соединения.

Ключевыми белковыми комплексами являются фотосистемы I и II, содержащие многочисленные пигменты и белки, обеспечивающие эффективный захват света, передачу энергии и выполнение окислительно-восстановительных реакций.

Светопоглощение и защита от фотоповреждений

Интенсивное освещение может привести к фотоповреждениям, включая:

• образование активных форм кислорода (АФК), способных разрушать ДНК, белки и липиды,
• фотодеструкцию хлорофилла и других пигментов,
• инактивацию ферментов и нарушение функций мембран.

Для защиты от фотостресса клетки используют:

• антиоксиданты (глутатион, токоферолы, аскорбат),
• каротиноиды, поглощающие лишнюю энергию,
• нефотохимическое тушение (NPQ) — рассеяние избытка энергии в виде тепла в хлоропластах.

Кроме того, у фототрофных организмов имеется система фоторегуляции экспрессии генов, включающая светочувствительные транскрипционные факторы и системы обратной связи.

Фототерапия и биомедицинские применения

В медицинской биофизике фотобиологические процессы лежат в основе различных технологий:

• фотодинамическая терапия (ФДТ) — использование фотосенсибилизаторов и света для уничтожения опухолевых клеток или патогенов. При освещении фотосенсибилизатор активирует кислород, образуя АФК, повреждающие клетки.
• лазерная терапия — точечное воздействие на ткани с целью стимуляции регенерации, коагуляции сосудов, разрушения аномалий.
• ультрафиолетовая инактивация микроорганизмов — используется в стерилизации и дезинфекции.
• оптогенетика — модификация нейронов или других клеток светочувствительными белками (например, каналородопсинами), позволяющая управлять их активностью с помощью света.

Биолюминесценция и хемилюминесценция

Биолюминесценция — это свечение, возникающее в результате энзиматических реакций окисления люциферинов под действием люциферазы. В отличие от флуоресценции, здесь источник энергии — не внешний свет, а химическая реакция.

Примеры:

• морские организмы (медузы, кальмары),
• светляки (реакция с участием АТФ и люциферазы),
• бактерии Vibrio fischeri.

Применяется в биоиндикации, молекулярной биологии (репортёрные системы), медицинской диагностике.

Фототранспортеры и оптосенсоры

Современная биофизика разрабатывает фоточувствительные белки и наноструктуры, которые могут использоваться в качестве светоуправляемых транспортеров и биосенсоров:

• сенсоры pH, потенциала, ионов (Ca²⁺, H⁺),
• светочувствительные каналы, регулирующие проницаемость клеточных мембран,
• нанофотонные устройства, соединяющие белки с оптическими волокнами и кремниевыми чипами.

Фотобиологические процессы таким образом охватывают весь спектр взаимодействий света с живыми системами — от простейших актов поглощения до сложных молекулярных каскадов и прикладных технологий.