Фотозащита

Фотозащита - это биохимический процесс, который помогает организмам справляться с молекулярными повреждениями, вызванными солнечным светом. Растения и другие оксигенные фототрофы разработали набор фотозащитных механизмов для предотвращения фотоингибирования и окислительного стресса, вызванного избыточным или колеблющимся светом. Люди и другие животные также разработали фотозащитные механизмы для предотвращения УФ фотоповреждений кожи, предотвращения повреждения ДНК и минимизации последующих эффектов окислительного стресса.

• 1 В фотосинтезирующих организмах
• 2 В растениях
• 3 У человека
• 4 Искусственный меланин
• 5 См. Также
• 6 Ссылки

У организмов, которые осуществляют кислородный фотосинтез, избыток света может привести к фотоингибированию или фотоинактивации реакционных центров, процессу, который не обязательно включает химическое повреждение.. Когда пигменты фотосинтетической антенны, такие как хлорофилл, возбуждаются поглощением света, могут происходить непродуктивные реакции за счет передачи заряда молекулам с неспаренными электронами. Поскольку кислородные фототрофы производят O 2 в качестве побочного продукта в результате фотокаталитического расщепления воды (H 2O), фотосинтезирующие организмы имеют особый риск образования активных форм кислорода.

Следовательно, В фотосинтезирующих организмах разработан разнообразный набор механизмов для смягчения этих потенциальных угроз, которые усугубляются при высокой освещенности, колеблющихся условиях освещения, в неблагоприятных условиях окружающей среды, таких как холод или засуха, а также при дефиците питательных веществ, который вызывает дисбаланс между энергетическими поглотителями и источниками

У эукариотических фототрофов эти механизмы включают нефотохимические механизмы тушения, такие как цикл ксантофилла, биохимические пути, которые служат «предохранительными клапанами», структурные перестройки комплексы в фотосинтетическом аппарате и использование молекул антиоксидантов. Высшие растения иногда используют такие стратегии, как переориентация осей листьев, чтобы минимизировать падающий свет, падающий на поверхность. Механизмы также могут действовать в более длительном масштабе времени, например, повышающая регуляция белков стрессовой реакции или понижающая регуляция биосинтеза пигментов, хотя эти процессы лучше охарактеризовать как процессы «фотоакклиматизации».

Цианобактерии обладают некоторыми уникальными стратегиями фотозащиты, которые не были идентифицированы ни у растений, ни у водорослей. Например, большинство цианобактерий обладают каротиноидным белком апельсина (ОСР), который служит новой формой нефотохимического тушения. Другая уникальная, хотя и плохо изученная стратегия цианобактерий включает хлорофилл-связывающий белок IsiA, который может агрегироваться с каротиноидами и образовывать кольца вокруг комплексов реакционного центра PSI, способствуя фотозащитному рассеиванию энергии. Некоторые другие стратегии цианобактерий могут включать переходы между состояниями антенного комплекса фикобилисом, фотовосстановление воды с помощью белков флаводиирона и бесполезную циклическую смену CO 2.

Широко известно, что растениям нужен свет, чтобы выжить, расти и воспроизводиться. Часто считается, что больше света всегда полезно; однако избыток света может быть вредным для некоторых видов растений. Так же, как животным требуется тонкий баланс ресурсов, растениям для оптимального роста требуется определенный баланс интенсивности света и длины волны (это может варьироваться от растения к растению). Оптимизация процесса фотосинтеза необходима для выживания при идеальных условиях окружающей среды и акклиматизации в суровых условиях. При воздействии света высокой интенсивности растение реагирует, уменьшая вредное воздействие избыточного света.

Чтобы наилучшим образом защитить себя от избыточного света, растения используют множество методов, чтобы минимизировать вред, наносимый избыточным светом. Различные фоторецепторы используются растениями для определения интенсивности, направления и продолжительности света. В ответ на избыток света некоторые фоторецепторы обладают способностью перемещать хлоропласты внутри клетки дальше от источника света, таким образом уменьшая вред, наносимый излишним светом. Точно так же растения способны производить ферменты, необходимые для фотозащиты, такие как антоцианинсинтаза. Растения с дефицитом ферментов фотозащиты гораздо более чувствительны к световым повреждениям, чем растения с действующими ферментами фотозащиты. Кроме того, растения производят множество вторичных метаболитов, полезных для их выживания и защиты от избытка света. Эти вторичные метаболиты, обеспечивающие защиту растений, обычно используются в солнцезащитных средствах человека и фармацевтических препаратах, чтобы дополнить неадекватную светозащиту, присущую клеткам кожи человека. Различные пигменты и соединения также могут использоваться растениями в качестве формы фотозащиты от ультрафиолета.

Пигментация - это один метод, применяемый множеством растений в качестве формы фотозащиты. Например, в Антарктиде местные мхи зеленого цвета можно найти в естественной тени за камнями или другими физическими преградами, в то время как красные мхи того же вида, скорее всего, можно найти в местах, подверженных воздействию ветра и солнца. Это изменение цвета связано с интенсивностью света. Фоторецепторы мхов, фитохромы (красные длины волн) и фототропины (синие длины волн), способствуют регулированию пигментации. Чтобы лучше понять это явление, Waterman et al. провели эксперимент по анализу фотозащитных свойств УФАП (соединений, поглощающих ультрафиолет) и красной пигментации антарктических мхов. Образцы мха видов Ceratodon purpureus, Bryum pseudotriquetrum и Schistidium antarctici были собраны в районе острова в Восточной Антарктиде. Затем все образцы были выращены и наблюдались в лабораторных условиях при постоянном освещении и условиях воды для оценки фотосинтеза, УФ-излучения и образования пигментации. Гаметофиты мхов красных и зеленых сортов подвергались легкому и постоянному поливу в течение двух недель. После наблюдения за ростом пигменты клеточной стенки были извлечены из образцов мха. Эти экстракты были протестированы с помощью спектрофотометрии в УФ-видимом диапазоне, в которой используется свет УФ и видимого спектра для создания изображения, отражающего поглощение света. UVAC обычно обнаруживаются в цитоплазме клетки; однако при воздействии света высокой интенсивности UVAC переносятся в клеточную стенку. Было обнаружено, что мхи с более высокими концентрациями красных пигментов и ультрафиолетовых лучей, расположенных в стенках клеток, а не внутриклеточно, лучше работают при более интенсивном свете. Было обнаружено, что изменение цвета мхов не связано с перемещением хлоропластов внутри клетки. Было обнаружено, что УФАК и красные пигменты действуют как долговременная фотозащитная функция антарктических мхов. Следовательно, в ответ на световой стресс высокой интенсивности производство UVAC и красной пигментации повышается.

Зная, что растения способны по-разному реагировать на различные концентрации и интенсивности света, важно понимать почему эти реакции важны. В связи с постоянным повышением глобальной температуры в последние годы многие растения стали более восприимчивыми к световым воздействиям. Многие факторы, включая богатство питательными веществами почвы, колебания температуры окружающей среды и доступность воды, влияют на процесс фотозащиты растений. Растения, подвергавшиеся воздействию света высокой интенсивности в сочетании с дефицитом воды, демонстрировали значительно подавленную реакцию фотозащиты. Недавно было предложено добавить фотозащитные параметры к системам измерения фотосинтеза, чтобы облегчить измерения для неспециалистов по фенотипированию. Хотя это еще не полностью изучено, фотозащита является важной функцией растений.

Фотозащита человеческой кожи достигается за счет чрезвычайно эффективного внутреннего преобразования ДНК, белков и меланина. Внутреннее преобразование - это фотохимический процесс, который преобразует энергию УФ-фотона в небольшое безвредное количество тепла. Если бы энергия УФ-фотона не преобразовывалась в тепло, это привело бы к образованию свободных радикалов или других вредных реактивных химических соединений (например, синглетного кислорода или гидроксильного радикала).

В ДНК этот фотозащитный механизм появился четыре миллиарда лет назад на заре жизни. Целью этого чрезвычайно эффективного фотозащитного механизма является предотвращение прямого повреждения ДНК и непрямого повреждения ДНК. Сверхбыстрая внутренняя конверсия ДНК сокращает время жизни ДНК в возбужденном состоянии до нескольких фемтосекунд (10 с) - таким образом, возбужденная ДНК не успевает вступить в реакцию с другими молекулами.

Для меланина этот механизм развился позже в ходе эволюции. Меланин является настолько эффективным фотозащитным веществом, что рассеивает более 99,9% поглощенного УФ-излучения в виде тепла. Это означает, что менее 0,1% возбужденных молекул меланина будут подвергаться вредным химическим реакциям или производить свободные радикалы.

Косметическая промышленность утверждает, что УФ-фильтр действует как «искусственный меланин». Но эти искусственные вещества, используемые в солнцезащитных кремах, не эффективно рассеивают энергию УФ-фотона в виде тепла. Вместо этого эти вещества имеют очень долгое время жизни в возбужденном состоянии. Фактически, вещества, используемые в солнцезащитных кремах, часто используются в качестве фотосенсибилизаторов в химических реакциях. (см. Бензофенон ).

Оксибензон, оксид титана и октилметоксициннамат - это фотозащитные агенты, используемые во многих солнцезащитных кремах, обеспечивающие покрытие широкого спектра УФ-излучения, включая УФВ и коротковолновые УФА-лучи.

• Солнцезащитный крем
• Фотоканцероген
• Прямое повреждение ДНК
• Непрямое Повреждение ДНК