1. П
резидиум Российской
академии наук на одном
из своих недавних засе
даний заслушал научное
сообщение «Фемтобиология —
новое направление в изучении
механизма преобразования
энергии света в биологических
процессах», с которым выступил
академик РАН В.А. Шувалов
(Институт фундаментальных
проблем биологии, г. Пущино).
В последние годы много вни
мания уделяется нанострукту
рам и нанотехнологиям в физи
ке, химии, геологии и т. д. Осо
бый интерес представляют био
логические наноструктуры,
созданные самой природой еще
около 3,5 млрд лет назад и обес
печивающие жизнедеятельность
клеток всех организмов, сущест
вующих на Земле. Характерный
размер биологических нано
структур, встроенных, напри
мер, в клеточные мембраны,
составляет 5–7 нм в диаметре, а
их активный центр, имеющий
намного меньший размер, обес
печивает перенос электронов,
протонов, молекул воды, ионов
металлов, реакций синтеза мо
лекул АТФ (источника энергии
в живых системах), разложения
воды с выделением кислорода
при фотосинтезе и т. д.
По мнению докладчика, наи
больший интерес для биофи
зики представляют две такие
наноструктуры: реакционный
центр фотосинтеза и зритель
ный родопсин, неплохо изучен
ные самыми современными ме
тодами. Результаты подобных
исследований уже начинают
применяться на практике.
Возникшая на основе изуче
ния наноструктур фемтобиоло
гия — это новое направление
исследований механизма преоб
разования энергии света в про
цессах фотосинтеза у растений и
зрения у человека и животных.
В основе исследований в этой
области науки лежит использо
вание современной лазерной
спектроскопии высокого вре
менного разрешения: до 15–20
фемтосекунд (1 фс = 10
–15
с). Та
кое разрешение позволяет про
следить не только за процессами
электронного возбуждения в
пигментах, таких как хлорофилл
в листьях растений или ретиналь
в зрительном родопсине, но и за
движением ядер в молекулах
пигментов и окружающего бел
ка, сопровождающим поглоще
ние световой энергии.
В растениях энергия света
преобразуется в энергию разде
ленных зарядов, накапливаю
щихся на противоположных
сторонах фотосинтетической
мембраны. Этот процесс — ос
новной источник поступления
энергии в биосферу и вызывает
все последующие биохимичес
кие реакции, ведущие к разло
жению воды и выделению кис
лорода, а также к поглощению
СО2
и синтезу сахаров.
Высокоэффективное преоб
разование энергии света прохо
дит в пигмент белковых комп
лексах, называемых реакцион
ными центрами (РЦ) фотосин
теза, содержащихся в фотосин
тетической мембране хлоро
пластов растений или мембране
хроматофоров фотосинтезиру
ющих бактерий. В фотоактив
ной части РЦ размещаются
шесть пигментов хлорофилло
вой природы, два из которых
образуют димер — первичный
донор электрона, а остальные
образуют цепь, обеспечиваю
щую перенос электрона от воз
бужденного донора. Первичное
разделение зарядов осуществля
ется между первичным и воз
бужденным акцепторами. Этот
процесс происходит за 1–3 пи
косекунды (1 пс = 10
–12
с) в зави
симости от температуры образ
ца (5–293 °К).
Столь малое время возбужде
ния требует фемтосекундного
временного разрешения аппара
туры, с тем чтобы проследить за
колебанием и вращением моле
кулярных групп пигментов, бел
кового окружения и воды и вы
яснить молекулярную цепь, по
которой происходит движение
электрона от первичного донора
к первичному акцептору.
Замена аминокислот в живой
клетке с помощью генной ин
женерии, а также химическая
модификация пигментов позво
ляют детально изучить механиз
мы разделения зарядов и их ста
билизации на мембране. Выяс
нение названных механизмов
крайне важно для управления
процессами фотосинтеза, соз
дания их химических моделей, а
также для определения опти
мальных условий эффективного
возделывания культурных рас
тений.
Изучение фемтосекундных
превращений в зрительном ро
допсине позволяет выяснить
ряд новых, ранее не известных
стадий. В результате этого созда
ются предпосылки для деталь
ного диагностирования откло
нений в реакции родопсина при
поглощении световой энергии и
выработки необходимых прие
мов, компенсирующих патоло
гию зрения человека.
Подходы фемтобиологии и
исследованные с их помощью
тончайшие механизмы превра
щения световой энергии в био
химическую сулят невиданные
перспективы в изучении фото
синтеза и процессов зрения в
природе и создании на этой ос
нове новых технологий.
50 5(40)’2004
К тайнам фотосинтеза
