Sorry, this entry is only available in
Russian
На жаль, цей запис доступний тільки на
Russian.
К сожалению, эта запись доступна только на
Russian.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Снова мы начинаем с фотофизики: поглощенный квант переводит молекулу в электронно-возбужденное состояние; возбужденная молекула из синглетного со­стояния, время жизни которого около 10-11 с, может перейти в триплетное. Триплетное возбужденное состоя­ние молекулы существует достаточно долго, чтобы она успела провзаимодействовать с другой молекулой и ини­циировать фотохимическую реакцию.

Изомеризовавшийся ретиналь, еще связанный с бел­ковой частью родопсина или «перескочивший» на липид, способен инициировать в фоторецепторной мембране ре­акции фотоокисления.

Что понимает фотохимия под фотоокислением? Окис­лительно-восстановительными называют реакции, сопро­вождающиеся переносом одного или нескольких элек­тронов от одного из реагентов (восстановителя) к дру­гому (окислителю). Если в ходе фотохимической реак­ции молекула (субстрат окисления) отдает электрон, говорят, что она окисляется, другая же молекула, при­нимающая электрон, например кислород, восстанавли­вается. При прямом, несенсибилизированном фотоокис­лении возбужденная светом молекула, которая окисля­ется, реагирует с кислородом; она превращается в ка­тион-радикал, а кислород — в анион-радикал (суперок­сидный радикал).

Окисление родопсина и липидов в фоторецепторной мембране, как и большинство фотобиологических реак­ций окисления, фотосенсибилизированное. Различают два типа, два пути фотосенсибилизированного окисле­ния: первый — химическая сенсибилизация и второй — физическая сенсибилизация. Наша конкретная экспери­ментальная задача в настоящее время — определить возможный вклад каждого из них в механизм фотопо­вреждения зрительной клетки.

Первичная реакция в химической сенсибилизации — взаимодействие возбужденной светом молекулы сенси­билизатора (в нашем случае ретиналя) с субстратом окисления (с родопсином и липидом). Обозначим сенси­билизатор буквой S, а субстрат окисления — RH. Обра­зовавшийся свободный радикал (R) белка или липида присоединяет кислород. Далее развивается процесс окис­ления, который от света уже не зависит. Эта первичная световая реакция между сенсибилизатором и субстратом окисления есть не что иное (в терминах теории ценных процессов), как фотохимическое инициирование, или зарождение цепной реакции, в ходе которой из валентно-насыщенных исходных веществ образуются свободные радикалы.

Итак, S0 —» Sx, где S0 и Sx — сенсибилизатор в ос­новном и возбужденном состояниях, а дальше — хими­ческая сенсибилизация — Sx + RH — —» S — H + R, где (R) — свободнорадикальное состояние. Теперь следует R + O2 —» (RO2) — эта стадия в теории цепных реакций называется продолжением цепи. На этой стадии в ре­зультате взаимодействия свободного радикала R с мо­лекулярным кислородом О2 образуется новый свободный

радикал — перекисный RO2 (R может быть как радика­лом белка, так и липида). Перекисный радикал, взаимо­действуя с новой молекулой (RH), образует гидропере­кись (ROOH) RO2 + RH —» ROOH + R; и снова полу­чился R — свободный радикал, который принимал уча­стие в цепном процессе на предшествующей стадии и который повторяет все сначала.

В отличие от I типа — химической сенсибилизации, когда белок или липид взаимодействует с триплетным электронно-возбужденным сенсибилизатором, первичной реакцией в физической сенсибилизации (II тип) являет­ся сначала активация молекулы кислорода. Возбужден­ная молекула сенсибилизатора, отдавая энергию моле­кулярному кислороду (О2), переводит его из основного триплетного состояния в возбужденное синглетное. Об этих особенностях молекулярного кислорода уже шла речь.

Конечно, не так просто непосвященному человеку ра­зобраться в тонкостях современной фотохимической фи­зики. Поэтому мы сознательно возвращаемся к некото­рым фундаментальным положениям, вдаваясь в них все глубже и глубже. Иначе как рассказать о конкретных исследованиях и нерешенных задачах, о химической фи­зике проблемы «Глаз и Солнце»? Проблема эта не толь­ко захватывающе интересна, она крайне важна практи­чески. Методы и приборы современной офтальмологии в некоторых случаях несовершенны. Опасность повреж­дающего действия луча яркого видимого света, который врач слишком часто или надолго направляет в глаз больному, только в последнее время начинает осознаваться; завет Гиппократа «не повреди» иногда поневоле нарушается. Не менее остро стоит вопрос о вредящем действии света и на зрение здоровых людей.

Вернемся к синглетному кислороду. Время жизни высокореактивного синглетного кислорода зависит от окружающих его молекул растворителя и молекул-ту­шителей. Один из самых эффективных тушителей син­глетного кислорода, его дезактиваторов — р-каротин. Его роль в осуществлении нормального процесса фото­синтеза велика — он защищает растительную клетку от повреждающего действия синглетного кислорода. Белки при концентрациях свыше 1% взаимодействуют с сенсибилизаторами в электронно-возбужденном состоя­нии (I тип) или синглетным кислородом (II тип) исклю­чительно эффективно. Анализ кинетических данных по­казывает, что на первичной стадии фотоокисление прак­тически невозможно перехватить, остановить фотопора­жение. Это осуществимо лишь на последующих стадиях окисления.

Для нас насущная задача — выяснение путей фото­окисления ретиналя, родопсина и липидов в зрительной клетке. Обычно от правильного определения пути фото­окисления зависит выбор наиболее эффективных спосо­бов защиты от фотоповреждения (полимеров, биомакро­молекул или других соединений) или способов стимуля­ции, ускорения желательных фотохимических, фотобио­логических (например, фотоэнергетических) процессов. Проблема выяснения механизмов повреждающего дей­ствия света на зрение разрабатывается ИХФ АН СССР с начала 70-х годов.

Начнем с последнего: Может ли ретиналь сенсиби­лизировать фотоокислительные реакции? Были поставле­ны опыты на модельной системе ретиналь — белок (мо­дельным белком в них служил протеолитический фер­мент трипсин). Кинетическое исследование механизма сенсибилизированного ретиналем окисления трипсина было проведено с помощью фотохемилюминесценции.

Анализ кинетики фотохемилюминесценции позволил заключить, что ретиналь, поглощая свет, переходит в триплетное электронно-возбужденное состояние и вза­имодействует с кислородом, переводя его в синглетное состояние. В свою очередь, синглетный кислород ини­циирует образование первичных свободных радикалов белка трипсина, а они в присутствии кислорода — образование перскисных свободных радикалов белка. При­чиной возникновения хемилюминесценции как раз и яв­ляются реакции «первичных» и перекисных свободных радикалов.

Таким образом, в модельной системе ретиналь — бе­лок фотоокисление, судя по всему, идет по II типу — физической фотосенсибилизации; ретиналь выступает здесь как триплетный фотосенсибилизатор.

Следующий очередной шаг: исследование фотоокисле­ния молекулы родопсина в фоторецепторной мембране. Предметом экспериментального исследования было окис­ление сульфигидрильных (тиоловых) групп белковой ча­сти молекулы. Установлено, что практически все SH-группы в фоторецепторной мембране принадлежат имен­но родопсину. Будучи тиоловым белком, родопсин в принципе должен быть легко подвержен окислению. Ма­ло того что он может повреждаться в результате фотосенсибилизированного окисления, но на него в фоторе­цепторной мембране могут оказывать сильное влияние токсические продукты перекисного окисления липидов (о перекисном окислении липидов в механизме фото­повреждения речь впереди). Уязвимость SH-групп ро­допсина при действии на сетчатку яркого видимого све­та несомненна (рис. 1): чем дольше мы ее освещали, тем меньше SH-групп оставалось.

Естественно, возникает вопрос: играет ли (как и в модельной системе с трипсином) ретиналь роль сенси­билизатора в фотоокислении SH-групп родопсина и если да, то какой путь окисления основной — первый (хими­ческая сенсибилизация) или второй (физическая сенси­билизация)?

На первый вопрос, как нам думается, легко дать вполне определенный ответ: «Да, ретиналь способен вы­ступать здесь в качестве сенсибилизатора». Наиболее наглядный опыт — снятие спектра действия фотоокис­ления SH-групп родопсина. В фотосенсибилизированных реакциях он должен соответствовать спектру поглоще­ния хромофора — сенсибилизатора. Полученный спектр действия (рис. 2) был сдвинут в синюю область, т. е. как раз в ту область видимого спектра, в которой рас­положен максимум спектра поглощения ретиналя, сво­бодного или связанного с белком. Скорость окисления родопсина, как было показано в тех же опытах, зависит от концентрации добавленного извне ретиналя. В последнее время были получены данные, подтверждающие возможность участия синглетного кислорода в фото­окислении SH-групп родопсина.

Окисление молекулярных компонентов фоторецепторной мембраны и защитное действие на этот процесс антиоксидантов...; Повреждение сетчатки глаза...

Окисление молекулярных компонентов фоторецепторной мембраны и защитное действие на этот процесс антиоксидантов…; Повреждение сетчатки глаза…

Следовательно, ретиналь правомерно рассматривать в качестве сенсибилизатора фотоокисления SH-групп ро­допсина с участием активной формы кислорода.

Известно, что среднее значение квантового выхода фотоокисления белков около 0,04. Если квантовый выход фотоокисления родопсина окажется соизмеримым с этим значением, то это будет означать, что квантовый выход фотоокисления родопсина почти на порядок ниже, чем квантовый выход его фотообесцвечивания (как мы пом­ним, величина квантового выхода фотоизомеризации 11-цисретиналя и обесцвечивания родопсина — около 0,7). Отсюда ясно, что для фотоокисления родопсина, к сча­стью, требуется гораздо больше квантов света, чем для его фотообесцвечивания(фотолиза). В противном слу­чае физиологические интенсивности света превратились бы в патологические.

Рассмотрим теперь возможный механизм фотоокис­ления липидов.

Половина сухого веса фоторецепторной мембраны приходится на долю липидов. В состав молекулы липи­да входят жирные кислоты; ненасыщенные жирные ки­слоты легко окисляются. Жирнокислотный состав липи­дов фоторецепторной мембраны совершенно уникален: никакая другая биологическая мембрана не содержит такого большого количества ненасыщенных жирных ки­слот. Особенно много в этой мембране (более 50%) по­линенасыщенной кислоты, содержащей 22 углеродных атома и 6 двойных связей. Твердо установлено, что чем больше в жирной кислоте двойных связей, тем легче она окисляется, можно сказать, сгорает. Жирно-кислотный состав липидов фоторецепторной мембраны сохраняет­ся неизменным в самых неблагоприятных для организ­ма ситуациях, например, когда в диете катастрофически не хватает жирных кислот. Даже накануне летального исхода, когда липидный состав мембран всех тканей изменен, в мембранах зрительных клеток все остается по-прежнему. Организм до последнего борется за сохран­ность зрения, за неизменность состава своей фоторецеп­торной мембраны.

Дефицит полиненасыщенных жирных кислот приво­дит к патологическим последствиям. Вязкость полинена­сыщенных кислот очень низкая, поэтому липидный би­слой фоторецепторной мембраны — жидкий, подобный консистенции жидкого оливкового масла. Молекулы ро­допсина испытывают в этой мембране быструю враща­тельную и более медленную латеральную диффузию. По всей видимости, для нормального функционирования в фоторецепторной мембране свобода перемещения моле­кулы родопсина, низкая вязкость липидного окружения совершенно необходимы.

Свободнорадикальное перекисное окисление ненасы­щенных жирных кислот липидов фоторецепторной мем­браны не менее опасно, чем родопсина. Поэтому выяс­нение фотохимических механизмов окисления липидов — задача актуальнейшая. Что известно сейчас по этому поводу?

Известно, что ретиналь на последних стадиях фото­лиза родопсина способен мигрировать с белковой части родопсина на содержащий аминогруппу липид, Такие липиды в фоторецепторной мембране имеются, притом в большом количестве. Установлено, что спектр дейст­вия фотоокисления липидов такой же, как и родопсина. Следовательно, ретиналь вполне реальный кандидат на роль фотосенсибилизатора окисления не только SH-груп­пы родопсина, но и липидов. Прямое фотоокисление ли­пидов в биологических системах маловероятно, посколь­ку они поглощают в области 220 нм. До поверхности Земли, как мы знаем, такой «жесткий» коротковолно­вый ультрафиолет не доходит.

Разрушение липидов под действием длинноволнового ультрафиолета в области 280—290 нм вполне вероятно; в таком случае сенсибилизаторами могут служить бел­ки. Не исключено поэтому, что обесцвеченный родопсин, тесно связанный с липидами, вполне может выступать в роли фотосенсибилизатора их окисления. Наиболее вероятный сенсибилизатор фотоокисления липидов в фо­торецепторной мембране, по всей видимости, ретиналь. В любом случае возникшие в ходе фотосенсибилизированной реакции радикалы липидов взаимодействуют с кислородом, превращаясь в радикалы перекисного типа. Фотоокисление липидов в фоторецепторной мембране, согласно полученным нами данным, идет в основном по механизму I типа — химической сенсибилизации.

Следовательно, можно предположить, что фотосен­сибилизированное ретиналем окисление и родопсина, и липидов в фоторецепторной мембране происходит одно­временно и параллельно. Причем (теория фотосенсиби­лизованных реакций это не запрещает) фотоокисление липидов идет в основном по механизму I типа — хими­ческой сенсибилизации, а родопсина, скорее всего, по механизму II типа — физической сенсибилизации с уча­стием синглетного кислорода. Факт фотосенсибилизиро­ванного ретиналем образования синглетного кислорода недавно установлен. Поскольку к ингибиторам свобод­ных радикалов реакции II типа не столь чувствительны, то не вызывает удивления полученный результат: изве­стный ингибитор перекисного окисления липидов — ионол (фармакологическое название «дибунол»), пред­ложенный одним из авторов этой брошюры для широ­кого применения в биологии и медицине, полностью пре­дотвратил фотоокисление липидов и лишь частично сни­зил скорость окисления SH-групп родопсина.

«Свободные радикалы», «ингибиторы свободнорадикальных процессов», «скорости реакции» — все это тер­мины химической физики. Однако, как мы видим, без них не обойтись при рассмотрении молекулярных меха­низмов нормальных и патологических процессов в зри­тельных клетках. «Глаз и Солнце» — в полной мере проблема химико-физическая; идеи и методы этой науки вторгаются в физиологию, биохимию и биофизику зре­ния.