Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №8/2007

НОВОСТИ НАУКИ

Cветочи в ночи

И.А.Бунин, описывая свое путешествие на пароходе к острову Цейлон (Шри-Ланка) с восторгом говорил об удивляющем буквально всех путешественников явлении ночного свечения морских волн. В курсе ботаники и зоологии упоминаются светлячки и гнилушки, а в университете объясняют, что свечение обусловлено водорослью с красивым названием Noctiluca («ночесветка»).

В самые последние годы стало известно, что у тех же светлячков живущие в их органах свечения бактерии вырабатывают фермент люциферазу. Этот фермент окисляет жироподобное вещество люциферин, получая тем самым энергию для синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) – главного энергоносителя клетки. Расщепление АТФ в свою очередь дает энергию для световой эмиссии.

Для демонстрации возможного использования люциферазы в молекулярно-биологических исследованиях ученые внесли ее ген в листья табака, после чего те стали светиться ночью. Затем у тропической медузы рода Aequorea – рифового гидроидного полипа – был открыт знаменитый зеленый флюоресцирующий протеин GFP. Это довольно большой белок, который после освещения или в результате расщепления АТФ испускает приятный зеленый свет (флюоресценция). Ген этого протеина легко «подшивается» к генам, интересующим ученых, что позволяет использовать GFP в качестве «репортера» генной активности.

Несколько лет назад в результате строгого отбора мутантов был найден вариант GFР, который светится в 100 раз интенсивнее обычного. К тому же мутантный протеин оказался менее токсичным для клеток. Поэтому сейчас «усиленный» GFР широко используется в самых разных целях. В январе 2005 г. появилось сообщение о клонировании светящихся зеленым светом обезьянок, а через год – свиней, «мерцающих» подобно зеленой лампе в темноте. О мышах уж и неприлично говорить.

И вот новое сообщение: на этот раз о фотоактивном желтом протеине – сокращенно РYР, – ген которого был клонирован у солелюбивого микроорганизма Halorhodospira halophila. Ученых привлекло то, что этот белок водорастворим. У красных солелюбивых палочек РYР отвечает за восприятие света и обеспечивает фототаксис, т.е. перемещение в направлении источника света.

Хромофором белка, т.е. химической группой, ответственной за поглощение фотонов, является депротонированная 4-гидроксициннамовая кислота (ее много в пряности циннамоне, от которого она и получила свое название).

До поглощения хромофором кванта света он пребывает в трансформе. После поглощения фотона происходит внутримолекулярный поворот вокруг оси двойной связи С=С, т.е. осуществляется изомеризация соединения с образованием цисформы. Оба состояния соотносятся с «ямами» на поверхности потенциальной энергии, т.е. являются устойчивыми. Об этом догадывались и раньше, когда изучали структуры промежуточных соединений методом рентгеноструктурного анализа, но то были слишком «поздние» (ближе по строению к продуктам) состояния.

В издании «Proceedings of National Academy of Sciences» (РNAS) опубликована статья с описанием результатов исследования выделенного хромофора РYР. Изучение хромофора проводили с помощью чрезвычайно коротких фемтосекундных импульсов, для получения которых лазерный луч с длиной волны 800 нанометров (нм) «расщепляли» с помощью делителя на два луча. После этого один из лучей пропускали сквозь кристалл бората бария, в результате чего возникал невидимый луч с длиной волны всего лишь 400 нм (видимый фиолетовый свет имеет длину волны 460 нм). Импульсы с такой малой длиной волны и продолжительностью всего лишь 110 фемтосекунд использовались для «накачки» хромофора, поглощавшего 0,35 микроджоуля энергии.

При этом преодолевался знаменитый энергетический барьер, о котором так любят говорить в химической кинетике. В данном случае барьер составлял 5–20 ккал/моль. Благодаря этому поворот вокруг оси двойной связи осуществлялся всего лишь за одну пикосекунду!

Изомеризация приводит к отрыву иона водорода и повышению кислотности окружающей РYР среды. В свою очередь это вызывает более долговременные изменения конформации белка, которые раньше удавалось улавливать методом рентгеноструктурного анализа. Теперь же в распоряжении ученых появились более точные «химические часы» с гораздо меньшей величиной деления на циферблате.

Вращение (изомеризация) вокруг оси двойной связи наблюдается и в хромофоре родопсина – белка наших палочек и колбочек, или клеток сетчатки нашего глаза. Известно, что при поглощении фотона молекула ретиналя, т.е. альдегида «реты»-сети, изомеризуется в ретинол, поднимая подобно собачке свой «хвост».

Ученые Калифорнийского университета в Беркли, пригороде Сан-Франциско, исследовали изомеризацию этого хромофора с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Выяснилось, что время изменения вибрационных спектров «хвоста» молекулы после поглощения фотона составляет от 200 фемтосекунд до 1 пикосекунды. Это одна из самых быстрых из известных на сегодня фотохимических реакций.

Ученых также поразило то, что квантовый «выход» для фотона составляет 0,65, т.е. поглощается более 60% энергии уловленного фотона – высочайший КПД! Поглощенная в транс-изомерном состоянии энергия фотона расходуется затем на конформационные изменения a-спиралей родопсина, пронизывающих мембрану палочки.

Измененная конформация посылает «фотосигнал» внутрь клетки в цитоплазму, в которой включается ферментативный каскад, приводящий в конечном итоге к генерации нервного импульса, передающегося затем по зрительному нерву в определенные области затылочной доли коры головного мозга. Так мы «видим».

Строение глаза
Строение глаза

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ

(Proceedings of National Academy of Sciences,
2006, № 2, р. 258; Science, 2005, № 5750, р. 1006)