Ormos Pál

A fény a biológiában

2003. március 24.

 

Földünk napfényben fürdik. Vajon hogyan hasznosítják ezt az élőlények, s hogyan képesek maguk is világítani?

 

Az életet a Nap fénye táplálja. Így azután a fénynek az élet minden területén lényeges szerepe van: az életfolyamatokhoz szükséges energiát szolgáltatja, az érzékelés legfontosabb közege, életünk szabályozója. A fény és az élő szervezetek kölcsönhatása bonyolult biológiai, fizikai folyamatokon keresztül valósul meg. A kölcsönhatás nagyon sokrétű: a fényenergia átalakítása, a fény érzékelése vagy akár az élőlények saját világítása megannyi rendkívül érdekes jelenségkör. Az előadás e területek jellemző folyamatait mutatja be, ismerteti a sajátságokat és az általános törvényszerűségeket. Egyúttal arról is igyekszik képet adni, hogy hogyan képesek egyes molekulák olyan bonyolult feladatok ellátására, melyeket mindennapi életünkben csak összetett gépekkel lehet megvalósítani.

 

 

 

I.                    A Nap és a földi élet

Mi jellemzi a Földet érő napsugárzást? Milyen a napfény és az élet kapcsolata?

II.                  A fotoszintézis

Hogyan hasznosítják a növények a napenergiát?

III.                A fehérjék

Hogyan épülnek fel az élővilág molekuláris gépei?

IV.              A bakteriorodopszin

Hogyan működik a legegyszerűbb molekuláris naperőmű?

V.                A látás elemei

Milyen fehérjék játszanak kulcsszerepet az emberi látás folyamatában?

VI.              A fény a biológiai óra szinkronizációjában

Mi a fény szerepe az élőlények életritmusának szabályozásában?

VII.            A rodopszinok alkalmazása az optikai technikában

Hogyan alkalmazhatjuk a természet alkotta fényérzékeny anyagokat technológiai célokra?

VIII.          Fénykibocsátás a biológiában

Miként világítanak az élőlények a félelmükben kék színben pompázó baktériumoktól a szentjánosbogárig?

I. A Nap és a földi élet

 

 

Lakóhelyünk, a Föld a Naprendszer harmadik bolygója. Valamennyi bolygó egyedi tulajdonságokkal rendelkezik. Természetesen nekünk a legérdekesebb a Föld, melyet messziről olyan szépen, mint az ábrán, csak kiváltságos űrhajósok láthatnak.

A Föld nagyon különbözik valamennyi bolygótársától. A legnagyobb különbség számunkra az, hogy életet hordoz. Az élet különös jelenség, jelenlegi tudásunk szerint a Naprendszerben egyedül a Földön alakult ki. Nem tudjuk viszont pontosan a kialakulás feltételeit, törvényszerűségeit. Az emberi fantáziát rendkívüli módon foglalkoztatja a Földön kívüli élet lehetősége, nagy energiával keressük a közelünkben és a távolban. Egyelőre azonban nem jártunk sikerrel, mindössze annyit tudunk tehát, hogy az élet az univerzumban legalábbis ritka jelenség.

Mindenki tudja, hogy a magukra hagyott testek esetében a folyamatok iránya általában olyan, hogy a rendezetlenség nő. Az életre jellemző rendezettség igen nagy energia befektetését igényli, az élet kialakulásában, fenntartásában tehát meghatározó szerepe van az energiának. Az energia pedig a Nap sugárzásából származik. Minden meleg test hőmérsékleti sugárzást bocsát ki magából. E hőmérsékleti sugárzás jól ismert fizikai jelenség: ha ismerjük egy test hőmérsékletét, jellemezni tudjuk sugárzását is. A Nap felszíni hőmérséklete körülbelül 5700 Celsius-fok. Az ilyen meleg test sugárzásának színképét (vagyis azt, hogy az egyes hullámhosszúságokra mekkora intenzitás jut) mutatja ábránk fekete vonala.

A Föld felszínére gyakorlatilag ugyanilyen színképű sugárzás jut, a kis különbséget a sugárzás útjában levő közegek, elsősorban a földi légkör elnyelése okozza. Az ábrán a szaggatott vonalak által határolt tartomány jelenti a látható fényt – ez a körülbelül 400 és 700 nanométer közötti hullámhosszúságú elektromágneses sugárzás. Látjuk a görbén, hogy éppen ez a tartomány képviseli a napsugárzás legintenzívebb részét: a teljes intenzitásnak majdnem a fele jut ide. Érthető ezért, hogy olyan élet alakult ki a Földön, amely a látható fényen alapul. Minden élőlény közvetlenül vagy közvetve a fény energiáját használja. Az élet energia-körforgásában szépen kitűnik az élővilág egysége.

 

A látható fény teljes mértékben meghatározza az életet, ez szolgáltatja az energiát, ezt a sugárzást látjuk (valamennyi élőlény, a növények is), vagyis ez a legfontosabb információhordozó, továbbá a különböző életfolyamatok szabályozásának is a fény az egyik legfontosabb eszköze. Előadásomban e sokszínűséget szeretném bemutatni, az alapvető folyamatokkal ismertetem meg a tisztelt hallgatóságot.

A napsugárzás intenzitása igen nagy: négyzetméterenként 1,4 kW a Földet elérő teljesítmény. Ez a teljes Földre egy évben 1,6-szor 1018 kilowattóra energiát jelent. Óriási ez a szám, közel húszezerszer akkora mennyiség, mint az emberiség teljes energiafelhasználása. Energiánk tehát bőven van.

Ez a sugárzási energia teremtette meg az élet kialakulásához szükséges körülményeket is. Mint mondottam, nem tudjuk, pontosan milyen feltételei vannak az életnek, de valószínűleg igen szerencsések vagyunk, mert a két szomszédos bolygón, a Vénuszon és a Marson, annak ellenére, hogy az oda jutó sugárzás jellemzői nem nagyon különböznek, a jelek szerint nincs élet. Az élet tehát különlegesség, akár magától alakult ki a Földön, akár úgy került ide.

Rendkívül érdekes ugyanakkor az élet kialakulásának az időrendje. A Föld kérge 3,8 milliárd éves, ekkortól van tehát lehetőség az élet megjelenésére. Ausztráliában talált üledékes kőzetekben, úgynevezett sztromatolitekben baktériumok lenyomatát fedezték fel. E kőzetek kora pedig 3,5 milliárd év. Ezek szerint a feltételek megteremtődése után a Föld történetéhez képest szinte azonnal megjelent az élet, legfeljebb 300 millió év alatt aránylag fejlett élőlények alakultak ki. E tény, az élet bonyolultságát ismerve, megdöbbentő.

A korai baktériumok természetesen a fény energiáját használták, egyszerű fotoszintézist folytattak. Később megjelentek víz bontására képes élőlények is. A vízbontás eredményeként oxigén szabadult fel, s körülbelül 2 milliárd évvel ezelőtt kialakult a ma is jellemző oxigén-légkör. Ezzel pedig megteremtődött az állatok kialakulásának a feltétele. Ők - köztük mi, emberek is - az életfolyamatokhoz szükséges energiát a más élőlényekből származó szerves anyagok (azaz a táplálék) elégetésével nyerik, tehát a napenergiát közvetve hasznosítják.

II. A fotoszintézis

 

 

A fényenergia közvetlen biológiai átalakításának több módja alakult ki az evolúció során. Legfejlettebb a zöld növények leveleiben zajló fotoszintézis. E folyamat eredményeként az elnyelt fény energiáját a növény arra fordítja, hogy a vizet elbontja hidrogénre és oxigénre, valamint nagy energiatartalmú cukrot készít. Az oxigén gáz formájában felszabadul, a hidrogént pedig a légkörből felvett szén-dioxid molekulával megfelelő arányban összerakva készíti a növény a cukrot, a szénhidrátot. Az átalakítások eredményeként az elnyelt fény energiájának jelentős része, 30 százaléka hasznosul, e 30% -os hatásfok nagyon jó érték - a legmodernebb napelemek sem képesek hatásosabb működésre.

A fotoszintézis a levelek sejtjeinek speciális szervecskéiben, a kloroplasztokban történik. Bonyolult folyamatról van szó, mely sok elemi lépésben zajlik. Az egyes lépéseket erre a feladatra szakosodott biológiai molekulák, fehérjék végzik. Az egész rendszer membránokban, igen vékony hártyákban helyezkedik el, az összetett feladatnak megfelelően bonyolult elrendeződésben. A fényt zöld színű klorofillmolekulák nyelik el, ők veszik fel első lépésben az energiát. A felvett energiát használja azután a gépezet különböző egységeiben a kémiai átalakításokra.

A fénysugárzás részecskéi, hordozói a fotonok. A fény színe meghatározza, hogy egy foton energiája mekkora. A látható fénnyel az a helyzet, hogy egyetlen foton energiája nem elegendő a fotoszintézisben lezajló lépések táplálására. Egy cukormolekula előállításához, de egyetlen vízmolekula elbontásához is több foton energiájára van szükség. A fotoszintetizáló rendszer ezért több lépésben végzi munkáját, az egyes fotonok energiáját a megfelelő pillanatig tárolja.

A jó hatásfok eléréséhez külön antennarendszer is kifejlődött az evolúció során. A fotoszintézist végző reakciócentrumok környezetében helyezkednek el az úgynevezett antennafehérjék. Ezekben ugyancsak klorofillmolekulák nyelik el a fotonokat, majd továbbadják a reakciócentrumoknak. Az energiaátadást nagyon speciális rendben elhelyezkedő antennafehérjékkel lehet jó hatásfokkal megoldani. A képen látható teljesen szabályos elrendeződés egyszerűbb, de jobban ismert rendszerre, a bakteriális reakciócentrumra vonatkozik, a zöld növények is hasonlóak. A kép arra is jó példa, hogy a természet milyen esztétikus alakzatokat tud létrehozni.

Látjuk, a fotoszintézis a jó hatásfokot nagy bonyolultságú apparátussal éri el. Az előadás keretében az energiaátalakítás fizikai alaplépéseit szeretném megértetni. Többször beszéltem eddig is a fehérjékről, melyeket a biológiai tárgyú előadások amúgy is rendszerint emlegetni szoktak. Most megismerkedünk egy kicsit közelebbről is e molekulákkal, és ezt követően egy egyszerűbb fényenergia-átalakító rendszert tárgyalunk nagyobb részletességgel.

 

III. A fehérjék

 

 

Az élet molekulái a fehérjék. Minden, az életre jellemző folyamat a fehérjékkel van kapcsolatban. Ez áll a másik jellemző és híres molekulatípusra, a nukleinsavakra is, hiszen azok éppen a fehérjék készítésében vesznek részt. A fehérjemolekulák szerkezeti elem szerepét is betölthetik, de bonyolult működésű gépek is lehetnek - ilyenek például a most tárgyalt fotoszintézis fehérjéi.

A fehérjék egyszerű, de korlátlan sokszínűséget biztosító szabályok szerint épülnek fel. Építőelemük az úgynevezett aminosav, melyből 20 féle létezik. E kis molekulák két alapvető részből állnak: egyik részük valamennyiben azonos, ehhez csatlakozik az oldalláncnak nevezett speciális csoport, mely a különböző fehérjék jellemző tulajdonságaiért felelős. A 20 féle oldallánc között van egészen kicsi, melyet mindössze egy hidrogénatom alkot (ez a legkisebb atom), és van köztük nagyobb, néhányszor tíz atomból álló. Az oldalláncok tulajdonságai ennek megfelelően különbözőek: vannak elektromosan töltöttek, semlegesek stb. Az azonos részek segítségével az aminosavak egymáshoz kapcsolódnak, láncot hoznak létre: ezt nevezzük fehérjének. Az, hogy a fehérjének milyen tulajdonságai lesznek, azon múlik, milyen sorrendben követik egymást az oldalláncok. A sorrendet egyébként a DNS-molekula kódolja, ahogy arról már korábban szó volt. A fehérjét alkotó lánc általában néhány száz aminosavból áll. Végül egy fehérjemolekulát néhány ezer atom alkot.

Érdemes kicsit elidőzni azon, hogy eme egyszerű szabályok korlátlan variációs lehetőséget biztosítanak. Említettem, hogy 20 féle aminosav van. Egy 100 elem hosszúságú láncot 20100-féleképpen lehet összeállítani. Ez pedig hihetetlenül nagy szám: a teljes világegyetemben nincs ennyi atom. Azt lehet tehát mondani, hogy gyakorlatilag végtelen sokféle fehérje állítható elő.

A néhány száz elemből álló aminosav-lánc feltekeredik, megfelelő szerkezetet vesz fel. A kémiai szerkezeti képletek rajzolásakor szokásos eljárással ábrázolva a fehérjemolekulát, nehezen értelmezhető kuszaságot látunk.

Közelebbről vizsgálva sok molekulát, észrevesszük, hogy a rendezetlen szakaszok mellett bizonyos szabályos szerkezeti elemek ismétlődnek, autórugó alakú ún. hélixek alakulnak ki stb. A lényeges elemeket kiemelve jobban áttekinthető ábrázoláshoz jutunk. Fontos azonban, hogy a molekula meglehetősen tömött gombolyag: ez jól látszik, ha úgy ábrázoljuk, hogy az egyes atomok valódi méretükkel látsszanak. Ez a bonyolultság tehát lehetővé teszi, hogy minden életfolyamatot ellátni képes, lenyűgöző változatosságú és működésű molekulák jöhessenek létre.

A fehérjék működésének teljes megértéséhez a térbeli szerkezet ismeretére van szükség. Ma úgy tudjuk, az aminosav-sorrend egyértelműen meghatározza a térbeli szerkezetet is, nem ismerjük azonban teljesen a szabályokat, jelenleg még nem tudjuk megmondani, milyen aminosav-sorrend milyen szerkezethez tartozik. Néhány igen bonyolult kísérleti módszer alkalmas a szerkezet meghatározására. A feladat nehézségét szemlélteti, ha meggondoljuk, hogy az első fehérjeszerkezetet 1960-ban, tehát már az űrkorszakban határozták meg.

IV. A bakteriorodopszin

 

A Halobacterium salinarum energetikai folyamatai

 

A zöld növények fotoszintézisénél jóval egyszerűbb biológiai fényenergia-átalakító rendszert ismertünk meg az utolsó évtizedekben. A Halobacterium salinarum nevű baktérium életfolyamatait vizsgálva új, korábban nem ismert energiaháztartás tárult fel. E baktérium nagy sókoncentrációjú tengervízben él, nagyon elszaporodik tengermelléki sólepárló telepeken. Kiderült, hogy a baktérium sejtmembránjában a szemben található rodopszin nevű látóanyaghoz nagyon hasonló fehérje található, melyet így bakteriorodopszinnak neveztek el. E baktérium életében, energetikájában a bakteriorodopszinnak kulcsszerepe van: a fény energiáját hasznosítja a baktérium számára.

A baktériumban lezajló folyamatok áttekintése az általános biológiai energiaátalakítási törvényszerűségeket is igen szemléletesen illusztrálja. A baktérium szempontunkból a környezetétől a sejtmembrán által elválasztott, elszigetelt térfogat. Anyag e membránon csak erősen szabályozva, megfelelő fehérjéken keresztül juthat át. Ezért azután az egyes anyagok, oldott ionok mennyisége nem feltétlenül ugyanakkora kívül és belül. A membrán két oldala közti koncentrációkülönbségeknek általában nagy jelentőségük van az életfolyamatokban. Az ionok közül kiemelendően fontos a hidrogén ion, a proton. Tudjuk, a víz hidrogénből és oxigénből áll, és mindig igen nagy mennyiségben tartalmaz hidrogén ionokat, az élő szervezetekben bőven áll proton rendelkezésre, bármilyen célból lenne szükség rá.

Fény hatására a bakteriorodopszin fehérje protont pumpál a sejtmembránon keresztül, ennek eredményeként a protonok koncentrációja kívül és belül nem lesz ugyanaz. A koncentrációk különbsége természetesen energiát hordoz – a protonok vissza akarnak jutni. A helyzet ahhoz hasonló, mint amikor két, csővel összekötött víztartályban nem egyenlők a vízszintek. A magasabb helyről át akar folyni a víz, és az energiakülönbséget ki is használhatjuk, például úgy, hogy a csőbe kis turbinát helyezünk, hiszen az átfolyó víz ezt meg fogja forgatni. Ugyanígy a bakteriorodopszin által létrehozott protonkoncentráció-különbség energiáját is felhasználja a sejt. A membránban más fehérjék is elhelyezkednek, olyanok, amelyek a protonkoncentráció-különbséget képesek felhasználni. Ilyen például a sejtet mozgató motor: ez hosszú szálakat, flagellákat forgat egy tengelyen, és ezek propellerként hajtják a sejtet. A forgatáshoz szükséges energiát a protonkoncentráció-különbségből szerzi be a motor. További fontos energia-átalakító fehérje az úgynevezett ATP-áz. Az ATP nevű molekula az élő rendszerekben széles körben használt energiatároló anyag: kialakításához energia szükséges, lebontásakor energia szabadul fel. A kialakítást és a lebontást ATP-áz enzimek végzik: vannak olyanok, amelyek az ATP felépítéséhez szükséges energiát a membránon keresztüli protonkoncentráció-különbség energiájából nyerik. A baktérium esetében tehát úgy alakul át a fény energiája közvetlenül hasznosítható energiává, hogy először a bakteriorodopszin protonpumpa protonokat pumpál a membránon keresztül, majd a kialakult koncentrációkülönbséget az ugyanebben a membránban másutt levő ATP-áz vagy motormolekula használja fel.

E folyamat révén nagyon általános energetikai szabályokat ismertünk meg: a biológiában kulcsszerepük van az egymástól membránokkal elválasztott térrészeknek. A különböző energiatermelő és -felhasználó rendszerek közötti energetikai kapcsolatokat a membránon keresztüli ion- (elsősorban proton-) koncentrációkülönbség közvetíti – így adódik át az energia egyik helyről a másikra. E szabályt Mitchell-féle kemiozmotikus hipotézisnek hívják, körülbelül harminc éve ismerjük, és általános elfogadottságában nagy szerepe volt a most tárgyalt modellrendszernek.

 

A bakteriorodopszin szerkezete, működése

 

A bakteriorodopszin fehérjemolekula egyedül végzi a fényenergia átalakítását, az alapvető fizikai folyamatok tanulmányozására ezért különösen alkalmas. A fehérje kétszázötven aminosavból álló lánc, a kisebb fehérjék közül való. Bíbor színét egy hozzá kapcsolódó adalék festékmolekula, a retinal adja. A retinal közönséges festékanyag, ilyen molekulától ered a répa sárga színe. Ez tulajdonképpen az A-vitamin egyik formája, melynek jelentőségéről később még beszélek. A retinalmolekula fény elnyelésének hatására megváltoztatja alakját, az alakváltozás a fényenergia átalakításának első lépése. A későbbiekben a retinal és a fehérje csatlakozásánál levő csoport (ez nagyjából a membrán közepén, a pumpálás „félútján” található) lead egy protont. A proton néhány lépésben kijut a membránon kívülre, majd a folyamat végeztével a bakteriorodopszin protont vesz fel a másik oldalról, így áll vissza az eredeti helyzet. A ciklikus protonpumpálás iránya meghatározott, akkor is belülről kifele zajlik, ha a külső oldalon több proton van. A molekula működésének vizsgálata az egyes lépések azonosítását, jellemzését jelenti. Tudjuk, hogy a protonok különböző aminosav-oldalláncokon lépkedve haladnak végig a molekulán, ezeket ma már ismerjük. A fehérje speciális szerkezete biztosítja, hogy a protonok csak a megfelelő irányba haladjanak. Lényeges lépése a pumpálásnak, hogy a pumpált proton helye a ciklus első felében a külső térrész fele, a végén pedig a belső térrész fele nyitott. Ezt a fehérje úgy biztosítja, hogy megfelelő időben megváltoztatja alakját. Sikerült jellemeznünk e fontos alakváltozás atomi részleteit. Eljárást dolgoztunk ki a kritikus állapotok befagyasztására, és a fehérjék szerkezetének vizsgálatára legalkalmasabb módszer, a Röntgen-szórás alkalmazásával meghatároztuk a szerkezetet az egyes állapotokban. A következő film a fehérje működését kísérő mozgást mutatja be. A filmen jól látható, hogy általában mennyire is mozog egy fehérje működés közben.

A bakteriorodopszin tehát fénnyel hajtott molekulagépnek tekinthető, melynek működésében a mechanikus elemeknek nagy szerepük van. Működését az alábbi egymást követő eseményekkel írhatjuk le – persze elnagyolva, de valószerűen: Először a fény elnyelését követően megváltozik a retinal adalékmolekula alakja. Ez az alakváltozás mechanikai feszültséget kelt a fehérjében, így tárolódik először a fény energiája. E feszültségek révén a jóval nagyobb fehérje lassan szintén megváltoztatja alakját. Ezen alakváltozások során egyes protonátadó csoportok egymáshoz viszonyított helyzete változik, ez protonok rendezett mozgását eredményezi. Nyilvánvalóan kritikus a működés szempontjából, hogy az átrendeződések megfelelő sorrendben kövessék egymást: ezt a fehérjemolekula konstrukciója biztosítja, ez a működés kulcsa.


V. A látás elemei

 

A látható fény az érzékelés legfontosabb közege is egyben. Az élőlények sokfajta fizikai eredetű jelzőt használnak, olyanok is vannak – bár kivételszámba mennek -, amelyek számára a fény nem is lényeges. Mégis, általában elmondható, hogy a fény a legszélesebb körben használt tájékozódási információforrás. A tájékozódás során a környezetünkről úgy szerzünk információt, hogy a szóródott (vagy éppen kibocsátott) látható fényt érzékeljük. Szinte minden élőlény „lát”, még a növények is. Most a gerincesek, elsősorban az ember látásának ide vonatkozó elemeit tekintjük át a teljesség igénye nélkül.

A látás fontosságát, bonyolultságát azonnal megítélhetjük, ha olyan képre tekintünk, amely az emberi fej metszetét mutatja a szem magasságában. Feltűnő, hogy milyen nagyok a szemek, illetve a látóidegek az agy teljes méretéhez képest is.

A szem kifinomult optikai eszköz. Az optikai elemek feladata az, hogy a külvilágot jó minőségben leképezzék a szemfenékre, a retinára. A retina, mint egy TV-kamera detektora, érzékeli a képet, átalakítja az idegrendszer számára érthető elektromos ingerekké, majd a kezdeti jelfeldolgozás után az agyba küldi. Most az első folyamatokkal foglalkozunk.

A retina aktív elemei a fényérzékelő sejtek: a pálcikák, csapok. Ábránk egy pálcikasejt szerkezetét mutatja (a csapsejtek szerkezete, működése nagyon hasonló, ezért nem tárgyaljuk őket külön). A pálcikasejtek fényérzékeny elemei a sejt hosszú részében egymás felett elhelyezkedő korongok. E korongok membrán által elválasztott térrészeket képviselnek. A membránban található a látásért felelős molekula, a rodopszin. Neve nem véletlenül hasonló a korábban megismert bakteriorodopszinhoz: szinte ugyanolyan molekuláról van szó. Nagyon hasonló a fehérjerész, a színt ez esetben is a retinal adalék festékmolekula adja. Még a színe is ugyanúgy bíbor – látóbíbornak is hívják.

A látás első lépése analóg a már korábban megismerttel. Először foton elnyelésének hatására a retinalmolekula megváltoztatja alakját. Ez a fehérjében feszültséget kelt, majd a fehérje is alakváltozást szenved. Ettől kezdve azonban a bakteriorodopszin és a szemrodopszin működése eltér. A szemrodopszin esetében maga az alakváltozás indít el egy biokémiai reakciósort, amelynek eredménye a látásinger. Az alak megváltozását egy másik fehérjemolekula (az ún. G fehérje) veszi észre, egyszerűen úgy, hogy rendelkezik egy olyan tartománnyal, amely hozzáillik a fénygerjesztés utáni, megváltozott alakú rodopszinmolekulához. (Érdemes itt hangsúlyozni és később emlékezni rá, hogy a fehérjék alakváltozásának detektálása ilyen alakfelismeréssel nagyon általános út a biológiai jelátvitel folyamataiban.) A G fehérje aktiválása bonyolult reakciósort indít el – ennek lényeges lépése a korong membránjában levő ioncsatornák bezárása, illetve ennek eredményeként a membránon levő elektromos feszültség megváltozása. A jel végül a sejtről ingerként elvezetődik.

A G fehérjével indított biokémiai út igen bonyolult - nem véletlenül. Egészen bámulatos ugyanis a szem érzékenységének a dinamikája, az a képessége, hogy nagyon gyenge fényt is meglát, de nagyon erős fényt is el tud viselni. Adatok vannak arra, hogy optimális esetben egyes fotonokat is észre tudunk venni, ugyanakkor napsütésben sem vakulunk meg. Ez a fényintenzitást tekintve mintegy 14 nagyságrendnyi változást jelent, ami hihetetlenül nagy arányszám. Aki ért a fényképezéshez, az tudja igazán értékelni ezt a képességet. Fényképezéskor más-más fényviszonyok eltérő érzékenységű filmet igényelnek, ugyanakkor szemünk szélsőséges fényviszonyok mellett is működik. A legjobb filmek a megvilágítás mintegy két nagyságrendnyi megváltozását képesek rögzíteni, vagyis a szem a filmhez képest 1012-szer (ez milliószor millió) nagyobb fényintenzitás tartományt fog át.

Láthatjuk, hogy a retinalmolekula a látásban is kulcsszerepet játszik. E molekulát szervezetünk nem termeli, ezért van szükségünk A-vitaminra, például a nagy A-vitamin tartalmú sárgarépára, és ezért okoz hiánya szürkületi vakságot.


VI. A fény a biológiai óra szinkronizációjában

 

Életünk ritmusa követi a napszakok változását: nappal aktívak vagyunk, éjjel pihenünk, alszunk. Úgy is szoktuk mondani, hogy a Naphoz vagyunk szinkronizálva. Akik utaztak már tengerentúlra, és napokig szenvedtek attól, hogy nem tudtak gyorsan alkalmazkodni az időeltolódáshoz, tudják, hogy biológiai óránk átállítása nem egyszerű feladat. A jelenség folyamatait nem ismerjük még pontosan, de a legutóbbi időben sok mindent megtudtunk a mögöttes eseményekről.

A biológiai aktivitás ciklikus váltakozását egy önmagától járó, nagyjából 24 órás periódusú óra szabályozza. Az óra működésről tudjuk, hogy gének működési sebességén alapuló, oszcilláló kémiai reakcióra épül. Ha valaki napokig a világtól elzárva sötétben van, akkor is közel 24 órás ritmussal zajlik az élete. A sötétben is járó órát azonban szinkronizálni lehet a fénnyel, előbb-utóbb szervezetünk átveszi a fény váltakozásának ritmusát. Nem tudjuk pontosan, melyik érzékelő szervünk szolgáltatja a szinkronizációhoz szükséges fényjeleket a biológiai órának. A közelmúlt szolgáltatott néhány új adatot e téren: az érzékelő a szemben van, de nem a retinában (természetesen nem kell képet látnunk, elég a fény detektálása, ez pedig bárhol történhet). Működésképtelen retinával rendelkező egyedek esetén is megtörténik a szinkronizáció, a szem eltávolítása esetén viszont a szinkronizáció sérül. Azt is tudjuk, hogy az érzékelés anyaga ez esetben is retinal-fehérje komplex, tehát valószínűleg rodopszinnal rokon molekula.

Érdekes még elidőzni azon, hogy mennyire különböző szervezetekben, különböző szerepekben alkalmazza a természet szinte ugyanazt a molekulát, a rodopszin egymáshoz hasonló változatait. Láttuk, hogy a rodopszin egy egyszerű baktérium energiaforrása, a látás érzékelő anyaga, és a napi ritmust szabályozó fényérzékelésben is szerepe van. A természet gazdaságos: ha egy evolúciós termék sikeres, több helyen is alkalmazni próbálja.

A szabályt két éve új felfedezés erősítette meg: genetikai vizsgálatok alapján kiderült, hogy egy mindenütt meglevő, igen közönséges baktérium (SAR 86-nak hívják) is tartalmaz rodopszint. A részletesebb vizsgálat kiderítette, hogy szerepe itt is ugyanaz, mint a Halobacterium salinarum esetében: a napfény energiájának hasznosítása. E baktérium igen nagy mennyiségben van jelen valamennyi tengerben, óceánban, ami azt jelenti, hogy a földi napfényenergia hasznosításban sokkal nagyobb a rodopszin szerepe, mint korábban gondoltuk.

VII. A rodopszinok alkalmazása az optikai technikában

 

A modern biotechnológia egyik lényeges irányzatában biológiai eredetű anyagok gyakorlati alkalmazhatóságát vizsgálják. Tulajdonképpen magától értetődő dologról van szó, hiszen az evolúció által évmilliókig fejlesztett, adott biológiai feladatra optimalizált anyagok a technikai alkalmazás szempontjából is előnyös tulajdonságokkal rendelkezhetnek. A gyakorlati alkalmazhatóságokat tovább könnyítheti az az új képességünk, hogy genetikai módosításokkal, génsebészettel gyakran tetszőlegesen módosított tulajdonságú anyagokat hozhatunk létre. A bakteriorodopszin jó példa erre a kutatási irányzatra is.

A bakteriorodopszin működése során különböző állapotaiban megváltoztatja színét. A reakciósor végén, amikor visszakerül alapállapotába, eredeti színét is visszanyeri. A színváltozások egyéb optikai tulajdonságok, például az optikai törésmutató változásával is járnak. Ha tehát a biológiai funkciótól eltekintünk, azt mondhatjuk a bakteriorodopszinról, hogy biológiai eredetű, fénygerjesztésre színét és egyéb optikai paramétereit átmenetileg megváltoztató anyag, vagyis nemlineáris optikai tulajdonságokkal rendelkezik. Ráadásul genetikai úton számos paramétere - színe, az alapállapotba való visszatérés ideje stb. - megváltoztatható. E tulajdonságok alapján felmerül annak a lehetősége, hogy filmként, optikai adathordozóként, optoelektronikai eszközök aktív elemeként használhassuk. A gyakorlati hasznosítást megkönnyíti, hogy előállítása igen egyszerű, az anyag pedig egyáltalán nem érzékeny, ugyanannyira tartós, mint bármely más szerves festék.

Filmünkön bakteriorodopszint tartalmazó optikai minőségű gél fényreakcióit illusztráljuk: megvilágításra a film kifakul, majd a megvilágítás megszűnése után visszaáll eredeti állapotába. Filmünk genetikailag módosított mutánst mutat, ennek a fakulási időtartama nagyon nagy. Azt is bemutatjuk, hogy a fakulást követően kék fény megvilágítással az alapállapot gyorsan visszaáll. A fénnyel indított reakciók igen gyorsak.

E bakteriorodopszin filmek igen nagy felbontású képek, dinamikus hologramok rögzítésére képesek. Jelenleg sok területen, nagy intenzitással folynak fejlesztések, például az MTA Szegedi Biológiai Központjának Biofizikai Intézetében.

A nemlineáris optikai anyagok fontos felhasználási területe az optikai kapcsolók fejlesztése. A jelenkor információs technikájában az adattovábbítás optikai kábeleken történik. A kábelek kapcsolását is tisztán optikai úton kellene megoldani: mozgó alkatrészt nem tartalmazó, fénnyel vezérelt optikai kapcsolók kifejlesztése volna a megoldás. Optikai tulajdonságai alapján a bakteriorodopszin alkalmas lehet e feladatok ellátására, mivel a törésmutató megváltozása elegendően nagy. Már készültek az ilyen kapcsolók működését demonstráló mintapéldányok. Persze a gyakorlati alkalmazás követelményei igen magasak, a valódi versenyképességet a jövő mutatja meg. Mindenesetre számos szabadalom tanúsítja az alkalmazási fejlesztéseket, már a piacon is kapható bakteriorodopszint használó holografikus mérőműszer.

VIII. Fénykibocsátás a biológiában

 

Láttuk, a fény életünk táplálója, vezetője. Nem meglepő ezért, hogy olyan élőlények is vannak, amelyek képesek maguktól is fényt kibocsátani, mintegy módosítva ezzel azt a képet, amit pusztán a szórt fény segítségével alakíthatunk ki róluk. A legtöbb világító élőlény a tengerben él, de nagyon jól ismert szárazföldi példák is vannak - ilyen a szentjánosbogár. Az állatok esetében a világításnak számos, a túlélést segítő szerepe van: a táplálék csalogatása, a támadó elijesztése, lehet továbbá párválasztási segédeszköz is, illetve akár egyszerre több funkciót is betölthet ezek közül.

A világítás mechanizmusa alapvetően kétfajta lehet. A kibocsátott fény vagy fluoreszcencia, vagy kémiai reakció eredménye.

 

Zöld fluoreszcens fehérje

 

Az első esetben az élőlény az előzőleg elnyelt foton energiáját sugározza ki. A fluoreszcencia általános szabálya szerint a kibocsátott fény energiája kisebb, hullámhossza tehát nagyobb az eredetileg elnyelt fotonénál, aminek a folyamat során lezajló veszteség az oka. Nagyon sok festékanyag is fluoreszkál, ráadásul ez a folyamat nem a sötétben zajlik, ezért e világítási forma a biológiában általában kevésbé érdekes. Nemrégen azonban felfedeztek egy különleges fluoreszkáló fehérjét – a zöld fluoreszcens fehérjét -, amelynek kiváló alkalmazási lehetőségei vannak, és sokat beszélnek róla manapság a genetikai kutatások kapcsán. Így nem árt, ha mi is megismerkedünk vele.

A fehérjék önmagukban nem színesek. Ennek az az oka, hogy az alkotó aminosav- molekulák egyike sem nyeli el a látható fényt. A színes fehérjék ezért adalék festékanyagot tartalmaznak, amelyet a fehérjéhez kell kapcsolni. Ilyen például a zöld növényekben a klorofill, vagy a rodopszinban a retinal. Egészen a legutóbbi ideig azt hittük, ez alól nincs kivétel. Egy világító medúzát vizsgálva azonban kiderült, hogy fényét részben olyan fehérje adja, amely nem tartalmaz külön festékanyagot. Ezt nevezték el zöld fluoreszcens fehérjének (angol nevének rövidítése GFP). Lázas vizsgálatok kezdődtek. Megállapították, hogy a váratlan tulajdonság a fehérje különleges szerkezetéből ered: néhány aminosav-oldallánc igen közel kerül egymáshoz. Bár ezek külön-külön nem képesek elnyelni a fényt, együtt, szorosan egymás közelében úgy viselkednek, mint egy fényelnyelő festékmolekula. Az elnyelt fény energiáját újra kisugározva a fehérje világítani képes. A jelenség önmagában érdekes, de jelentőségét akkor tudjuk megérteni, ha felidézzük, hogy hogyan zajlanak mostanában a rendkívül aktív genetikai, génsebészeti kutatások.

A fehérjék gyártása aminosav-sorrendjüket kódoló génjük alapján rutineljárásnak számít. A géneket manapság szinte tetszőlegesen tudjuk módosítani is, és ha ezekről a génekről fehérje készül, mindig alapvető kérdés, hogy elkészült-e valóban a fehérje, hol van stb. Színtelen fehérjéket csak nehézkesen lehet kimutatni. Erre nyújt viszont kiváló lehetőséget a GFP. A GFP génje ugyanis ismert, és hozzá lehet toldani a legyártani kívánt fehérje génjéhez. Ha ennek az összetett génnek a fehérjéjét is legyártjuk, a termék két egymáshoz kapcsolódott fehérje lesz: az eredetileg gyártani kívánt példány és hozzá kapcsolódva a GFP. Megjelöltük tehát a fehérjénket, csak rá kell világítani, és ha ott van, világít. Így azután a génsebészeti eljárások termékei könnyen vizsgálhatók. Az ekképpen módosított laboratóriumi állatok látványa egy kissé hátborzongató lehet, hiszen akár a bőrüket, szemüket alkotó fehérjékhez is hozzá lehet kapcsolni a zöld fluoreszcens fehérjét.

 

Kémiai lumineszcencia

 

A sötétben világító állatok kémiai lumineszcenciával keltenek fényt. A tengerekben nagyon sok állat rendelkezik ezzel a képességgel, és a részletes vizsgálat azt mutatja, hogy a konkrét megvalósulások annyira különböznek, hogy az evolúció során egymástól függetlenül is kialakultak világító rendszerek. Van azért a működésnek néhány általános szabálya.

A fénykibocsátás két alapvető kémiai komponensen alapul. Az egyik a kémiai reakció nyomán fényt kibocsátó festékmolekula, a luciferin. A másik a reakciót segítő, katalizáló fehérje, a luciferáz. A fényt kibocsátó lépésben ezeken túl még energiahordozó ATP molekulákra (korábban volt már szó erről az univerzális energiatároló anyagról) is szükség van. A reakció során a luciferin oxidálódik és fényt bocsát ki; azaz elhasználódik a luciferin és az ATP. Ez a világítás az izzólámpákkal ellentétben hideg fényt ad, ezért hatásfoka nagyon magas. Mifelénk a legismertebb ilyen állat a szentjánosbogár.

A tévében, magazinokban sok lenyűgöző képet láthatunk világító halakról. Most azonban néhány szokatlan, de nagyon látványos illusztrációval fejezném be előadásomat. Vannak olyan egysejtűek, amelyek akkor világítanak, ha mechanikai stressz éri őket, és nagyon kis nyomásváltozásokra is reagálnak. A Karib-tengeren, Puerto Rico közelében egyes öblökben igen nagy számban élnek ezek az élőlények. Itt a vizet ért legkisebb zavar is kiváltja a világító reakciót, ami a csónakok közelében vagy akár az úszó ember által megkevert vízben megdöbbentő fényeffektusokat eredményez.

Remélem, előadásom érdekes ismeretekkel szolgált a fény és az élet kapcsolatáról.

 

Kislexikon



Aminosavak
A fehérjék építőelemei, melyek kémiai kötésekkel láncszerűen kapcsolódnak össze.

Aminosav-oldallánc
Az aminosavak az egymáshoz való kapcsolódást biztosító kémiai csoportokon kívül egyéb atomi szerkezeteket is tartalmaznak, ezek különbözősége adja az egyes aminosavak eltérő tulajdonságait (töltéssel rendelkező vagy semleges, poláros vagy apoláros stb.).

ATP
Adenozin-trifoszfát; a sejtekben az energia tárolására szolgáló molekula - kialakításához energia szükséges, lebontásakor energia szabadul fel.

Bakteriorodopszin
Egyes sókedvelő baktériumokban található fehérje, mely fényenergia segítségével protont pumpál a sejtből a külső térbe.

Biológiai membrán
Sejteket, sejtszerveket határoló vékony hártya, a hozzá kapcsolódó fehérjék és szerves molekulák révén az élet alapvető szerkezeti eleme.

Dinamikus hologram
Időben változó tartalmú hologram (törölhető, újraírható).

Fehérjék
Az élet alapvető folyamatait végző molekuláris "gépek".

Fluoreszcencia
Némely vegyület bizonyos színű (például kék) fény elnyelésének hatására attól különböző színű (például zöld) fényt bocsát ki.

Foton
Az elektromágneses sugárzás (fény) részecskeszerű tulajdonságokat is mutató elemi egysége, kvantuma.

Fotoszintézis
Azon folyamatok neve, melyek eredményeként egyes baktériumokban, algákban, illetve növényekben a fényenergia kémiai energiává alakul, s szervetlen anyagokból szerves molekulák épülnek fel.

GFP (Green Fluorescent Protein) Lásd Zöld fluoreszcens fehérje.

Ioncsatorna
Olyan óriásmolekulák, melyek bizonyos ionoknak a biológiai membránon, sejtmembránon való átjutását biztosítják.

Kémiai lumineszcencia
Kémiai folyamatokat kísérő fénykibocsátás.

Klorofill
Fényelnyelő szerves festékmolekula (pigment), mely a fotoszintézis során "befogja" a fénysugárzást.

Kloroplaszt
A növényi levelek sejtjeiben található szervecske, melyben a fotoszintézis zajlik.

Koncentráció
Fizikai-kémiai mennyiség, mely megadja, hogy valamely molekulából mennyi található bizonyos térfogatban.

Luciferáz
A luciferin fénykibocsátással járó oxidációját segítő fehérje (enzim).

Luciferin
Szerves festékmolekula, melynek oxigénnel való kémiai reakciója fénykibocsátással jár (például a szentjánosbogár esetén).

Mitchell-féle kemiozmotikus hipotézis
A sejtek energiaháztartását leíró modell, mely szerint a sejt egyes energiatermelő és -felhasználó egységei közti kapcsolat ionok (elsősorban protonok) membránon keresztüli koncentrációkülönbségén keresztül jön létre.

Nemlineáris optikai anyag
Az egyszerű fénytani törvényektől eltérően viselkedő (például szín- és törésmutató-változtatásra képes) anyag.

Proton
Pozitív töltésű elemi részecske, az atommagok egyik összetevője. (A hidrogénatom magja egyetlen protonból áll, mely körül egyetlen elektron kering. Ha ettől az elektrontól megfosztjuk a hidrogénatomot, hidrogén-ion keletkezik, mely tulajdonképpen egy proton.)

Retina
A szemfenék azon része, mely a szem optikai elemei által a külvilágról alkotott képet érzékeli, s idegi impulzusokká alakítja.

Retinal
Fehérjékhez kapcsolódó, A-vitaminból származó vegyület, mely fény hatására szerkezetváltozáson megy keresztül.

Rodopszin
A retinalt tartalmazó fehérjék összefoglaló neve.

Törésmutató
Fizikai mennyiség, mely valamely anyag fénytörőképességét jellemzi.

Színkép
Valamely anyag fényelnyelését, illetve fénykibocsátását jellemző görbe, mely megmutatja, hogy a vizsgált anyag különböző színű (hullámhosszú) fényt milyen mértékben képes elnyelni vagy kibocsátani.

Szórt fény
A megvilágított testről a tér minden irányába rendezetlenül visszavert fény.

Vízbontás
Energia-befektetést igénylő kémiai folyamat, mely során a víz oxigénre és hidrogénre bomlik.

Zöld fluoreszcens fehérje
A természetben (egyes medúzákban) előforduló, fluoreszcenciára képes fehérje.

 

 

Bibliográfia



Láng F. (szerk): Növényélettan: A növényi anyagcsere, Budapest, Eötvös, 1998.

Kozma-Bognár L., Nagy F.: Biológiai ritmusok, molekuláris órák, Természet Világa, 2002/1: 12-16.

Rontó Gy., Tarján I.: A biofizika alapjai, Budapest, Medicina, 1997.

Szalay L., Ringler A.: Biofizika, Budapest, Tankönyvkiadó, 1986.

Szalay L., Damjanovich S. (szerk.): Lumineszcencia a biológiában és az orvostudományban, Budapest, Akadémiai, 1983.

Colowick, N., Kaplan, N., Sies, H. (szerk.): Methods in Cell Biology: Biomembranes, Part H: Visual Pigments and Purple Membranes I, Vol. 81, New York, Academic Press, 1982.

Colowick, N., Kaplan, N., Sies, H. (szerk.): Methods in Cell Biology: Biomembranes, Part I: Visual Pigments and Purple Membranes II, Vol. 88, New York, Academic Press, 1982.

McIntosh, L., Colowick, S. P. (szerk.): Methods in Enzimology: Photosynthesis: Molecular Biology of Energy Capture, Vol. 297, San Diego, Academic Press, 1998.

DeLuca, M. A. (szerk..): Methods in Enzymology: Bioluminescence and Chemiluminescence, Vol. 57, New York, Academic Press, 1978.

DeLuca, M. A., McElroy, W. D. (szerk.): Methods in Enzymology: Bioluminescence and Chemiluminescence Part B, Vol. 133, Orlando, Academic Press, 1986.

Ziegler, M. M., Baldwin, T. O. (szerk.): Methods in Enzymology: Bioluminescence and Chemiluminescence Part C, Vol. 305, San Diego, Academic Press, 2000.

Sullivan, K. F., Kay, S. A. (szerk.): Methods in Cell Biology: Green Fluorescent Proteins, Vol. 58, San Diego, Academic Press, 1999.