2.Основные закономерности взаимодействия света с биомолскулами. Классификация фото­биологических процессов.

1. Введение

Квантовая биофизика изучает взаимодействие света сживой материей: биологически

важными молекулами, клеточными структурами, тканями и органами, а в конечном счете – с

организмом в целом. Изучением действия света наживые организмы с позиций различных

биологических наук занимаются, как известно, фотобиологи.

По существу, квантовая биофизика – это раздел фотобиологии, в котором изучаются

физические и физико-химические стадии фотобиологических процессов.

Хорошо известно, что действие света наживые организмы весьма разнообразно (рис. 1.1).

Фотосинтез, фототропизм, фотопериодизм и фототаксиса зрительное восприятие, покраснение

кожи при УФ-облучении, образование витамина D, бактерицидное и мутагенное действие УФ-

облучения, фотодинамические эффекты: все эти процессы вызываются действием света и

изучаются в разных разделах фотобиологии. Изучение начальных стадий фотобиологических

процессов, которые заканчиваются образованием первых устойчивых химических

соединений, можно считать областью биофизики. Дальнейшие процессы происходят по

биохимическим и физиологическим законам.

Действие света на живые организмы:

Растения: 1.Фотосинтез; 2.Фототропизм; 3.Фотопериодизм

Бактерии: 1.Фототаксис; 2.Мутагенное действие; 3.УФ; 4.Бактерицидное действие УФ

Животные и человек: 1.Зрительное восприятие; 2.Образование витамина Д; 3.Загар; 4.Фото-эритема; 5.Фотодинамические эффекты

Важно, что явления, протекающие на первых, биофизических стадиях: поглощение света;

перераспределение энергии в молекуле, находящейся в электронном возбужденном

состоянии; межмолекулярный перенос энергии, образование первичных фотопродуктов

(обычно свободнорадикальной природы) и превращение их в первые химически устойчивые

соединения, – оказываются общими для всех фотобиологических процессов. Именно это

позволяет рассматривать первичные стадии фотобиологических процессов с единой точки

зрения.

По этойже причине сходныв общих чертах и основные методы исследования разных

фотобиологических процессов, коль скоро речь идет об их начальных, биофизических стадиях

Спектрофотомерия и люминесцентный анализ; импульсное облучение объектов в

сочетании с быстродействующими методами регистрации оптических изменений в этих

объектах; использование низких температур для изучения нестабильных промежуточных

продуктов, применение вакуумной техники; регистрация свечения, сопровождающего2

рекомбинацию первичных, свободнорадикальных продуктов; использование метода

электронного парамагнитного резонанса для идентификации этих продуктов – весь этот

арсенал средств в равной мере применяется при исследовании первичных стадий как

процессов фотосинтеза, так и действия ультрафиолета на белки и нуклеиновые кислоты, а

также начальных этапов зрительного процесса.

Первичные стадии

фотобиологических процессов

1.Спектрофотометрия

2.Люминесцентная, спектроскопия, хемилюминесценция

3.Электронный парамагнитный резонанс

Таким образом, если фотобиология в целом может рассматриваться как сложный

мультидисциплинарный комплекс, то учение о биофизических стадиях фотобиологических

процессов является стройной и единой в своей основе научной дисциплиной.

Взаимодействие света иживой материи начинается с акта поглощения фотонов и

перехода молекул в возбужденное состояние. Этот процесс регистрируется

спектрофотометрически, и поэтому основыбиологической спектрофотометрии входят в

первый раздел настоящего курса. Размен энергии возбуждения включает высвечивание

квантов люминесценции. Изучение люминесценции представляет теоретический интерес и

является важным этапом фотобиологического исследования. Во многих случаях может

происходить перенос энергии электронного возбуждения на соседние молекулы, интерес к

этому явлению, одно время несколько ослабевший, вновь вспыхнул в связи с использованием метода переноса энергии для оценки расстояния между молекулами в биологических

системах. При изучении собственно фотохимических процессов исследователь, прежде всего, сталкивается с необходимостью изучения кинетики и спектров действия фотобиологического явления, затем на повестку дня встает изучение первичных, чаще всего свободнорадикальных стадий фотохимических реакций. Это изучение стало возможным благодаря развитию техники низких температур и быстродействующих методов спектрофотометрии, а также метода электронного парамагнитного резонанса. Заканчивается фотохимическая реакция образованием устойчивых продуктов, что приводит к конечному эффекту –

фотобиологическому действию света. Особое место занимает явление хемилюминесценции.

Это явлением интенсивно изучается и широко используется в аналитических целях. Оно

представляет собой не стадию фотобиологического процесса, а как бы фотобиологический

процесс «наоборот», поскольку химические реакции не вызываются поглощением, а

сопровождаются испусканием кванта света.

З.Биотехнология: сырьевая база, основные объекты и способы получения целевых продуктов. Успехи и перспективы современной биотехнологии.

Термин был введен Карлом Эреки и относился к крупномасштабному получ. свинины (конечный продукт) с исп. дешевой сахарной свеклы (сырье) в качестве корма для свиней (биотрансформация). По Эреки б/т — это «все виды А, при кот. из сырьевых материалов с помошью живых организмов производятся те / иные продукты». Потом, б/т оказалась четко и необратимо св. с иссл-ми в области «промышленного произв-ва товаров и услуг при участии живых организмов, б/т с-м и пр-сов».

Промышл. б/т пр-с, в кот. для произв. коммерч. продуктов исп. м/о, обычно сост. из 3 ключ. этапов.

1.Исх. обработка: обр. сырья т. о., чтобы его м. б. исп. как ист. пит. в.в для микроорганизма-мишени.

2.Ферментация и биотрансформация; рост м/о-мишени в большом (обычно более 100 л) биореакторе (ферментация) с последующим обр. нужного метаболита, напр. а/б, а.к. / Б (биотрансформация).

3.Конечная обработка: очистка нужного в-ва от компонентов культуральной среды / от кл. массы.

Целью б/т исследований явл. макс. ↑ эффективности каждого из этих этапов и поиск м/о, с помощью кот. м. получить нужные вещества (пищевые добавки, антибиотики и т. д.).

Биообъект способен осущ. опр. модификацию исх. сырья и обр. тот / иной необх. продукт. В качестве объектов б/т м. выступать кл. м/о, жив. и раст., трансгенные жив. и раст., а также многокомпонентные ферментные с-мы кл. и отельные Ф. Модельные м/о – это немногочисленная, но глубоко изученная гр. м/о: E.coli, Bac.subtilis, S.cerevisiae (Ps.putida, Ps.syringe, Str.coelicolor). Во многих б/т процессах исп/ ограниченное число м/о, кот/ классифицируются как GRAS (generally recognized as safe – обычно считаются безопасными). К ним относятся Bac.subtilis, Bac.amyloliquefaciens, др. виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces, виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus и дрожжей Saccharomyces и др. Эти м/о непатогенные, нетоксичные и в основном не образуют а/б, поэтому при разработке нового б/т процесса следует ориентироваться на данные м/о, как на базовые объекты б/т.

Промышленные штаммы должны отвечать следующим требованиям:

1. способность синтезировать целевой продукт; обладать высокой скоростью роста;

2. способность утилизировать дешевые субстраты; ↑ выход целевого продукта

3. быть резестентными к посторонней м/флоре, т.е. обладать высокой конкрурентноспособностью;

4. устойчивость и/ способность к фаголизису (некоторые Str, due to наличию набора рестриктаз).

5. высокий эконом. коэф.:y = ∆N / ∆S – прирост целевого про-та / потребленный субстрат.

6. Миним. обр. побоч. пр-ов, токс. метаболитов, аллергенов, онкогенов.

В наст. время охарактеризовано > 100 в. м/о, поэтому важной проблемой явл. - правильный выбор из такого разнообр. именно того м/о, кот. спос. обесп. получ. треб. продукта, т.е. спос. сл. промышл. цел.

Общая схема скрининга промышленных м/о. Выделение организмов-продуцентов.

1.Постановка задачи (установление необходимости в получении продукта с требуемой активности).

2.Выявление известных м/о, обладающих требуемой активностью. (Актиномицеты, Миксобактерии, Псевдоманады, Мицелиальные грибы – вторичные метаболиты; Цианобактерии - первичные).