Волькенштейн М.В. Общая биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

7.7.

ПЕРВИЧНЫЕ

ФИЗИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА 371

риментальных фактов свидетельствует в пользу быстрого

экси-

тонного механизма (см. [75]).

В работе Борисова обсуждаются экспериментальные основа-

ния

для экситонного механизма [178]. Показано, что первичные

физические

стадии фотосинтеза, начиная с поглощения кванта

кончая его захватом в реакционном центре, протекают за вре-

мя,

не превышающее некоторый предел. Это критическое время

(~100 не) на полтора-два порядка меньше характерных вре-

мен

флуоресценции молекул красителей и является предельным

для протекания реакций, лимитируемых диффузией. Такая

быстрая миграция энергии обеспечивает высокий (более 90%)

квантовый

выход

первичного процесса фотосинтеза и защиту

хлорофилла in

vivo

от необратимой фотодеструкции. Экспери-

ментальные данные подтверждают эти выводы для высших ра-

стений,

зеленых и пурпурных бактерий [179].

Для понимания механизма миграции возбуждения в фото-

синтетической системе нужно установить природу участников

цепи

переноса электронов (ЦПЭ) в хлоропластах и их локали-

зацию.

Как мы видели, несмотря на ряд надежно установлен-

ных фактов, эта проблема еще не решена. Схемы ЦПЭ, пред-

лагаемые в современных работах, разнятся (см., например, [44,

81],

а также [82]). Здесь мы остановимся лишь на некоторых

существенных фактах. Еще в 1960 г. было установлено, что

у фотосинтезирующих серных бактерий окисление цитохрома с

происходит при поглощении света и при температуре жидкого

азота [83]. В дальнейшем было показано, что этот процесс реа-

лизуется вплоть до гелиевых температур, причем ниже ШОК

скорость электронного переноса перестает зависеть от темпе-

ратуры [82, 841 Сходные результаты получены для хлоропла-

стов растений [82].

Независимость скорости переноса электронов от темпера-

туры

при низких температурах привела к предположению о тун-

нельном

механизме переноса электрона

между

соседними носи-

телями [84, 86]. Эта концепция была развита в работах [82, 87,

88],

и о ней уже говорилось в § 6.6.

Все данные указывают на то, что перенос электронов проис-

ходит

между

центрами, фиксированными в мембране тилакои-

да. Эти центры

могут

рассматриваться как достаточно глубо-

кие

электронные ловушки, находящиеся на заметном расстоя-

нии

друг

от

друга.

Приближенно можно представить центр по-

тенциальной

ямой и рассматривать уровни, которые занимает

ней перемещаемый электрон. Решается задача о переносе

электрона

между

двумя соседними компонентами цепи, т. е. ме-

жду основными уровнями

двух

потенциальных ям, разделен-

ных барьером.

372 ГЛ. 7.

ФОТОБИОЛОГИЧЕСКПЕ

ПРОЦЕССЫ

Эта задача уже рассмотрена в § 6.6. В действующей фото-

синтетической системе равновесные конформации молекул в

присутствии и в отсутствие электрона

могут

сильно разниться

вследствие электронно-конформационных взаимодействий. По-

сле переноса электрона молекула акцептора оказывается в не-

равновесной

конформации, медленно релаксирующей к равно-

весной.

Это создает «динамическую» возможность сбалансиро-

ванного резонанса и туннельного эффекта.

Приведенные

выше соображения имеют пока качественный

характер. Для их надежного обоснования необходима деталь-

ная

информация о геометрии и энергетике ЦПЭ, пока

отсут-

ствующая.

Чернавский

и сотрудники ([180], см. также монографию

[170])

предложили модель ЦПЭ при фотосинтезе. В этой мо-

дели важную роль играют пластохиноны. Модель основывается

на

представлении об ЭКВ [89] — электрон присоединяется к фер-

мент-субстратному комплексу и отделяется от него в

результате

туннельного эффекта. Модель согласована с перепадом потен-

циала и позволяет объяснить зависимость процесса от рН. Со-

гласно этой теории процесс в целом весьма далек от равно-

весия.

Из

всего изложенного

следует,

что сегодня мы многое знаем

фотосинтезе. Вместе с тем фотосинтез представляет собой на-

столько сложную систему явлений, что для сколько-нибудь пол-

ного понимания его молекулярных механизмов необходима еще

очень большая работа.

7.8.

ЗРЕНИЕ

Воздействие света на живые организмы не ограничивается

фотосинтезом.

Гетеротрофные организмы для своего существо-

вания

должны получать информацию о пище, а на более высо-

ких уровнях развития и о

других

факторах жизни, связанных

прежде всего со спариванием и с теми или иными опасностями.

Соответствующая информация может сообщаться посредством

химических, т.е. молекулярных сигналов, воспринимаемых орга-

нами

обоняния и вкуса, а также посредством механических си-

гналов

(слух,

осязание). Некоторые организмы способны вос-

принимать

электрические сигналы и служить их источником.

Однако в

ходе

эволюции гетеротрофных организмов был вы-

работан наиболее совершенный вид рецепции —

фоторецепция

(начиная

с фототаксиса у простейших и кончая совершенным

зрением

позвоночных или членистоногих). Световое излучение

характеризуется спектральными свойствами — распределением

линий

и полос в спектре, их интенсивностями и поляризацией.

Тем самым световое излучение особенно информативно. Жизнь

7.8.

ЗРЕНИЕ

373

непосредственно связана с солнечным светом, возникновение и

эволюция

фоторецепции естественны.

В этом и следующих параграфах рассматривается зрение

высших организмов: устройство зрительного рецептора — гла-

за, цитологические и молекулярные механизмы зрительной ре-

цепции.

Глаз представляет собой оптическую систему, предназна-

ченную для формирования изображения на сетчатке.

Инфор-

мация

об окружающей среде извлекается из этого изображения.

Устройство глаза и прохождение в нем световых лучей описаны

во множестве курсов

физики,

биологии, физиологии и биофи-

зики

(см., например, [90—92]). Здесь мы остановимся на

регу-

ляции

работы глаза и на строении сетчатки.

Глаз — саморегулируемая система. Ее оптические недо-

статки в значительной мере компенсируются регуляторными

механизмами, оптимизирующими работу глаза. Механизмы эти

сложны и взаимосвязаны, важнейшими из них являются

меха-

низм

фокусировки изображения

на

сетчатке и механизм регуля-

ции

количества попадающего на

нее света.

В данной книге мы, по воз-

можности, пытаемся избежать

изложения

физиологических во- 7

просов.

Уместно, однако, расска-

зать здесь об основных регуля-

торных устройствах глаза, так

как

они ЯВЛЯЮТСЯ яркими при-

Рис

- „

' Упрощенная

схема

устройства глаза млекопитающего.

мерами систем управления на ;_

етчатка

_з

„тель„ьш

„е

РВ

ОрГаНИЗМеННОМ

УрОВНе.

—хрусталик;

—

цилиарная

мышца.

Упрощенная схема строения

-Р*«>™

°_?™;

«-Р°«™

глаза позвоночного показана на

рис.

7.23. Фокусировка изображения на сетчатке производится

посредством автоматического изменения радиуса кривизны

хрусталика, посредством процесса аккомодации. Управляю-

щим

устройством служит охватывающая хрусталик цилиар-

ная

мышца. Ее сокращение или расслабление возникает в ответ

на

дефокусировку изображения. Система аккомодации пред-

ставляет собой следящую систему, так как она удерживает в

фокусе изображение удаляющегося или приближающегося

объекта. Для оптимизации работы глаза необходимо регулиро-

вать поступающее в него через зрачок количество света. Основ-

ной

механизм состоит в регуляции величины оптического от-

верстия— величины зрачка. При высокой интенсивности света

зрачок

суждается, при низкой — расширяется. Это произво-

дится двумя мышцами-антагонистами, образующими

радужную

374 ГЛ. 7. ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

оболочку. Кольцевая мышца (сфинктер)

сужает

зрачок, ра-

диальная мышца (дилататор) расширяет его. Регуляция осуще-

ствляется одновременно в обоих

глазах

и при изменении интен-

сивности света, попадающего в один глаз. Регуляторные

меха-

низмы

локализованы в нервной системе.

Формальная феноменологическая трактовка этой системы

основывается на общих положениях теории управления (см.

[93]). Имеется система, в которую попадает входной сигнал, от-

личный от требуемого, от

«уставки».

Разность

входного

сигнала

уставки — сигнал ошибки. Назначение

регулятора

состоит в

получении

требуемого

выходного сигнала. Система регуляции

состоит из

регулятора

и объекта управления, она содержит кон-

тур обратной связи [94, 95].

Рассмотрение глаза как системы управления позволяет ко-

личественно изучать различные его патологические состояния.

Обратимся теперь к строению фоторецепторной системы—

сетчатки.

Это многослойная клеточная

структура,

схематически

изображенная на рис. 7.24 [96]. Последовательные слои ука-

заны в подписи к рисунку. На пигментном эпителии возникает

изображение. В слое 3 осуществляется синаптическая связьфо-

торецепторных клеток с нервными горизонтальными клетками.

Следующие слои

содержат

другие

типы нервных клеток — би-

полярные и амакриновые. Наконец, в слое 8 расположены ган-

глиозные нервные клетки, являющиеся непосредственными

источниками импульсов, поступающих в аксоны зрительного

нерва.

Входным

сигналом является оптическое изображение

на

пигментном эпителии, выходным — нейральное изображение,

закодированное импульсами в зрительном нерве. Внешней сто-

роной

сетчатки считается сторона, обращенная к поверхности

глазного яблока, внутренней — обращенная к внутренней части

глаза. Свет распространяется в направлении от ганглиозных

клеток к пигментному эпителию, т. е. для того, чтобы дойти до

фоторецепторов, он должен пройти через слои нервных клеток.

Это представляется на первый взгляд парадоксальным — ка-

залось бы естественным, чтобы

свет

непосредственно попадал

на

фоторецепторные клетки, за которыми располагались бы

нервные окончания. Однако именно такая система, выработан-

ная

ходе

эволюции, обеспечивает защиту важнейших для зре-

ния

фоторецепторных клеток от вредных воздействий и их оп-

тимальное функционирование.

Фоторецепторные клетки организованы у

всех

позвоночных

сходным образом. Как палочки, так и колбочки представляют

собой вытянутые

структуры,

построенные из многих специали-

зированных компартментов, образующих последовательность

параллельных дисков. Схема

структуры

палочки и колбочки

лягушки показана на рис. 7.25 [97]. В дисках расположены фо-

7.8.

ЗРЕНИЕ

375

торецепторные молекулярные устройства, посредством

жгути-

ков

необходимые вещества поступают

дискам

из

основного

тела клетки. Свет поглощается

дисках молекулярной систе-

мой,

описанной

следующем параграфе. Показано,

что

белки

дисков непрерывно обновляются

[98].

Вход

(оптическое

изображение)

Свет

Выход

(нейральное

изображение)

Рис.

7.24.

Схема строения сетчатки.

— пигментный эпителий, 2—рецепторные клетки (палочки

колбочки), 3—внешний синап-

тический слой,

4—

горизонтальные клетки,

— биполярные клетки,

— амакриновые клетки,

— внутренний синаптический слой;

— ганглиозные клетки, 9—волокна зрительного нерва.

Установлено,

что за

цветное зрение ответственны колбочки,

палочки воспринимают слабое освещение.

Еще

Ломоносов

говорил

зрительном восприятии

трех

цветов

—

трех

сортов

частиц эфира

—

красных, желтых

голубых

(«Слово

проис-

хождении

света»,

1756 г.). В 1802 г. Юнг

предложил теорию

цветного зрения, основанную

на

предположении

о том, что в

сетчатке содержатся

три

вида светочувствительных веществ.

3 дальнейшем теорию трехцветного зрения развивали Максвелл

376

ГЛ. 7. ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Свет

Рис.

7.25.

Схема строения палочки

(слева)

колбочки лягушки (справа).

—

ядро клетки пигментного эпителия,

2— фрагмент, отделившийся

от

внешнего

сегмента палочки,

3 —

внешний сегмент

палочки,

4 —

гранулы пигментов,

5 —

внешний

сегмент колбочки,

6 —

соединительные

жгу-

тики,

7 —

капля жира,

8 —

митохондрии,

—

комплекс Гольджн, 10

—

ядро, 11

—

рибо

сома, 12

—

сипаптическое тело.

Гельмгольц.

наше время

эта теория получила прямое

полное подтверждение

пу-

тем прямых измерений погло-

щения

света индивидуальными

колбочками

[97J.

По-видимому,

имеются

три

сорта колбочек,

характеризуемых различными

кривыми поглощения зритель-

ных пигментов.

На рис. 7.26

показаны

кривые спектраль-

ной

чувствительности

для

этих

трех

сортов колбочек

прима-

тов. Кривые

для

человека

очень

ними сходны.

Сказанное

относится

к зре-

нию высших позвоночных.

Ре-

цепторы беспозвоночных,

частности, членистоногих,

устроены иначе,

они во мно-

гих

случаях

чувствительны

широкой

спектральной обла-

сти

[99].

Механизмы трансформа-

ции

входного

сигнала, оптиче-

ского изображения

на

сетчат-

ке,

выходной сигнал,

в ней-

ральное изображение, сооб-

щаемое

мозгу,

весьма сложны.

Здесь осуществляется регуля-

ция,

гораздо более тонкая,чем

регуляция

радиуса

кривизны

хрусталика

или

диаметра

зрачка.

сетчатке происходит

адаптация

различиям интен-

сивности

спектрального

со-

става света,

также восприя-

тие объемного изображения

движения видимого объекта

(см.

[96]). Хартлайн

сотруд-

ники

провели исследования

импульсов, возникающих

зрительных нервах краба

позвоночных [100]. Глаз коро-

левского краба содержит мно-

жество рецепторов, именуемых

7.8.

ЗРЕНИЕ

377

омматидиями,

похожих на палочки.

Удалось

изучить импульсы,

создаваемые отдельными омматидиями в отдельных аксонах.

В темноте распространяются редкие периодические импульсы.

При

освещении с пороговой интенсивностью возникают допол-

нительные импульсы. Если интенсивность сильно превышает

пороговую, то в момент освещения возникает короткая последо-

вательность

частых

импульсов. Затем их частота уменьшается,

но

остается существенно большей, чем темповая. При выклю-

чении

света появляется новая пачка

частых

импульсов, их ча-

стота постепенно уменьшается до темновой. У позвоночных

/л

. \

4000 4500 5000 5500

SOOO

Рис.

7.26. Кривые спектральной чувствительности колбочек приматов с мак-

симумами при Я

4470

А (сине-фиолетовый),

5400

А (зеленый) и

5770

А (жел-

тый) [97].

аксоны

сильнее

реагируют

на изменения освещенности, чем при

непрерывном

освещении. При сильном освещении наблюдается

подавление импульсов. Функцией сетчатки является сложное,

интегрирующее взаимодействие, имеющее характер вычислитель-

ной

работы. В этом смысле сетчатка подобна электронной вы-

числительной машине.

помощью электронной микроскопии установлены синап-

тические контакты

между

клетками сетчатки. Они показаны

схематически на рис. 7.27 [96]. Горизонтальные и амакриновые

клетки

соединяют соседние фоторецепторы, обеспечивая пере-

дачу

информации в латеральном направлении, биполярные

клетки

передают информацию внутреннему синаптическому

слою. Исследование электрической активности отдельных кле-

ток

показало, что рецепторные и горизонтальные клетки (а

также в некоторых

случаях

биполярные клетки) испытывают

плавную гиперполяризацию при освещении, не создавая нерв-

ного импульса. Иными словами, их мембранный потенциал ста-

новится

более отрицательным. Такое поведение для нейрона

необычно.

Как правило, нейроны деполяризуются, приобретая

378

ГЛ.

ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

положительный мембранный потенциал

при

возбуждении

(см.

гл.

4).

Импульсы обычно распространяются

нервных клетках

по

их

длине.

указанных

видах

нервных клеток сетчатки

эти

события

не

происходят. Напротив, положительные нервные

им-

пульсы возникают

амакриновых

ганглиозных клетках.

Рис.

7.27. Схема синаптических контактов между клетками сетчатки.

/ — колбочка,

— палочка, 3 — внешний синаптический слой, 4 — горизонтальная клетка

5 —биполярная клетка, 6 — амакриновая клетка, 7 —внутренний синаптический слой

— ганглиозная клетка, 9 — аксон зрительного нерва.

Именно

последние

служат

источниками импульсов, поступаю-

щих

головной мозг.

Любая ганглиозная клетка

получает

информацию

от

огра-

ниченного числа фоторецепторных клеток. Рецепторное поле

данной ганглиозной клетки есть площадь, занимаемая этими

фоторецепторами. Рецепторные поля были изучены Хартлай-

ном,

Каффлером, Леттвином

и др. (см.

[101]). Установлены

тонкие механизмы чувствительности клеток.

Так,

сетчатка ряда

7.9.

МОЛЕКУЛЯРНЫЙ

МЕХАНИЗМ

ФОТОРЕЦЕПЦИИ

379

позвоночных содержит нейроны, обладающие избирательной

чувствительностью к направлению движения объекта. Основой

этой

избирательной чувствительности является тормозной ме-

ханизм.

У беспозвоночных (кальмар) поведение палочек иное — они

деполяризуются при освещении, т.е.

ведут

себя подобно обыч-

ным

возбуждаемым нейронам [102].

Пороговая

чувствительность глаза очень велика. После дли-

тельной адаптации человеческого глаза к темноте он способен

воспринимать

отдельные кванты и в этом отношении превосхо-

дит любой фотоэлемент. Вследствие независимости актов излу-

чения

отдельных атомов и молекул при достаточно слабом

источнике

света глаз оказывается в состоянии наблюдать кван-

товые флуктуации излучения. Это было впервые показано Бар-

несом

и Черни в 1932 г. [103]. В 1933 г. Вавилов с сотрудни-

ками

провели весьма подробные визуальные исследования

квантовых флуктуации с помощью чрезвычайно надежной ме-

тодики [104, 105]. В

результате

были получены точные харак-

теристики палочковой чувствительности глаза и важные дан-

ные

о природе света. Позднее появились работы

Гехта

и сот-

рудников, посвященные той же проблеме [106].

В этом параграфе кратко описаны лишь некоторые основ-

ные

особенности зрения. Очевидно, что с ними связан целый

комплекс

физических проблем, начиная с геометрической опти-

ки

глаза и кончая молекулярными механизмами фоторецепции.

Большинство

этих проблем исследуется пока в рамках физио-

логии,

а не

физики.

Мы не располагаем еще физической тео-

рией

или хотя бы моделью интегрирующей работы нейронов

сетчатки, и не знаем, каким образом события, происходящие в

фоторецепторных клетках, порождают импульсы в зрительном

нерве.

Вместе с тем в области молекулярной физики фоторецепции

получены весьма важные результаты, описанные в следующем

параграфе.

§ 7.9. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ ФОТОРЕЦЕПЦИИ

Исходя из общих принципов

физики,

биофизики и биологии,

легко прийти к заключению, что первичный акт фоторецепции

должен состоять в поглощении света молекулами некоего пиг-

мента. Человек и высшие животные воспринимают свет обычной

интенсивности

в области примерно от

4000

до

7000

А.

Ультра-

фиолетовый свет поглощается прозрачными тканями глаза. Ин-

фракрасные

лучи не воспринимаются сетчаткой. Если бы они

воспринимались,

то теплокровные животные ощущали бы силь-

ную фоновую инфракрасную радиацию, препятствующую рецеп^

380 ГЛ. 7. ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ции

информативных сигналов. Следовательно, пигмент или пиг-

менты фоторецепторных клеток должны поглощать свет в види-

мой

области спектра, т. е. быть окрашенными. Поскольку речь

идет о молекулах органических соединений, отсюда

следует,

что

это

должны быть молекулы с достаточно протяженной системой

л-связей—

при малом числе сопряженных связей поглощается

лишь

ультрафиолетовое излучение.

Действительно, еще в 1933 г.

Уолд

открыл присутствие ви-

тамина А в зрительном пурпуре в сетчатке [107]. Структура

витамина А была установлена несколько раньше [108]. Вита-

мин

А (точнее, витамин Ai), или ретиноль имеет

следующую

структуру:

СН

Н Н Н

Брутто-формула ретинола! С19Н27СН2ОН. Эта молекула пред-

ставляет собой почти не измененную половину молекулы каро-

тина

(см. стр. 339). Каротиноиды являются источником вита-

мина

А, отсутствие которого приводит к слепоте.

В сетчатке позвоночных фигурирует и вторая форма вита-

мина

А — витамин А

, или ретинол

структура

которого отли-

чается от приведенной наличием двойной связи

между

углеро-

дами 2 и 3. Соответственно, брутто-формула ретинола

есть

С19Н25СН2ОН.

Ретинолы —это спирты. В фоторецепторах рети-

нолы

трансформированы посредством алкогольдегидрогеназы в

альдегиды — в ретиналЬ] и ретиналь

— и связаны с фосфолипи-

дами и белками. В ретиналях конечная группа молекулы есть не

=СН—СН

ОН,

=СН—СН=О,

и брутто-формулы ретиналя!

ретиналя

суть

CHO и CigH^CHO. Число сопряженных

л-связей

в ретиналях на одну больше, чем в ретинолах.

Таким

образом, ретинали

служат

хромофорными группами

зрительных пигментов, содержащих липопротеины, именуемые

опсинами.

Опсины колбочек и палочек разнятся. Соответственно

возникают четыре основных вида зрительного пигмента, охарак-

теризованные в табл. 7.5 [109].

Хромофорные свойства ретиналей определяются протяжен-

ной

системой сопряженных л-связей. Обращает на себя внима-

ние

химическая общность пигментов фотосинтеза — каротинои-

дов (см. стр. 340) и зрительных хромофоров. Можно

думать

об