Fotoproteção - Photoprotection
A fotoproteção é o processo bioquímico que ajuda os organismos a lidar com os danos moleculares causados pela luz solar . As plantas e outros fototróficos oxigenados desenvolveram um conjunto de mecanismos fotoprotetores para prevenir a fotoinibição e o estresse oxidativo causados por excesso ou condições de luz flutuante. Os humanos e outros animais também desenvolveram mecanismos fotoprotetores para evitar os fotodanos da pele por UV , prevenir danos ao DNA e minimizar os efeitos posteriores do estresse oxidativo.
Em organismos fotossintéticos
Em organismos que realizam fotossíntese oxigenada , o excesso de luz pode levar à fotoinibição ou fotoinativação dos centros de reação , um processo que não envolve necessariamente danos químicos. Quando os pigmentos da antena fotossintética , como a clorofila, são excitados pela absorção de luz, podem ocorrer reações improdutivas por transferência de carga para moléculas com elétrons desemparelhados. Como os fototróficos oxigenados geram O 2 como um subproduto da divisão fotocatalisada da água (H 2 O) , os organismos fotossintéticos têm um risco particular de formar espécies reativas de oxigênio .
Portanto, um conjunto diversificado de mecanismos foi desenvolvido em organismos fotossintéticos para mitigar essas ameaças potenciais, que se tornam exacerbadas sob alta irradiância, condições de luz flutuante, em condições ambientais adversas, como frio ou seca, e enquanto experimentam deficiências de nutrientes que causam um desequilíbrio entre as energias sumidouros e fontes.
Em fototróficos eucarióticos, esses mecanismos incluem mecanismos de extinção não fotoquímico , como o ciclo da xantofila , vias bioquímicas que servem como "válvulas de alívio", rearranjos estruturais dos complexos no aparelho fotossintético e uso de moléculas antioxidantes. As plantas superiores às vezes empregam estratégias como a reorientação dos eixos das folhas para minimizar a luz incidente que atinge a superfície. Os mecanismos também podem atuar em uma escala de tempo mais longa, como a regulação positiva de proteínas de resposta ao estresse ou a regulação negativa da biossíntese de pigmentos, embora esses processos sejam melhor caracterizados como processos de "fotoaclimatização".
As cianobactérias possuem algumas estratégias únicas de fotoproteção que não foram identificadas em plantas nem em algas. Por exemplo, a maioria das cianobactérias possui uma proteína carotenóide de laranja (OCP), que serve como uma nova forma de extinção não fotoquímica. Outra estratégia cianobacteriana única, embora mal compreendida, envolve a proteína IsiA de ligação à clorofila , que pode se agregar aos carotenóides e formar anéis ao redor dos complexos do centro de reação PSI para auxiliar na dissipação de energia fotoprotetora. Algumas outras estratégias de cianobactérias podem envolver transições de estado do complexo de antenas ficobilissômicas, fotorredução de água com as proteínas Flavodiiron e ciclagem fútil de CO 2 .
Nas plantas
É amplamente conhecido que as plantas precisam de luz para sobreviver, crescer e se reproduzir. Freqüentemente, presume-se que mais luz é sempre benéfico; no entanto, o excesso de luz pode ser prejudicial para algumas espécies de plantas. Assim como os animais requerem um equilíbrio preciso de recursos, as plantas requerem um equilíbrio específico de intensidade de luz e comprimento de onda para um crescimento ideal (isso pode variar de planta para planta). Otimizar o processo de fotossíntese é essencial para a sobrevivência quando as condições ambientais são ideais e aclimatação quando as condições ambientais são severas. Quando exposta a alta intensidade de luz, uma planta reage para mitigar os efeitos nocivos do excesso de luz.
Para melhor se proteger do excesso de luz, as plantas empregam uma variedade de métodos para minimizar os danos causados pelo excesso de luz. Uma variedade de fotorreceptores são usados pelas plantas para detectar a intensidade, direção e duração da luz. Em resposta ao excesso de luz, alguns fotorreceptores têm a capacidade de deslocar os cloroplastos dentro da célula para mais longe da fonte de luz, diminuindo assim o dano causado pela luz supérflua. Da mesma forma, as plantas são capazes de produzir enzimas essenciais para a fotoproteção, como a antocianina sintase. As plantas deficientes em enzimas fotoprotetoras são muito mais sensíveis aos danos da luz do que as plantas com enzimas fotoprotetoras funcionais. Além disso, as plantas produzem uma variedade de metabólitos secundários benéficos para sua sobrevivência e proteção contra o excesso de luz. Esses metabólitos secundários que fornecem proteção às plantas são comumente usados em filtros solares humanos e drogas farmacêuticas para complementar a proteção inadequada contra a luz que é inata às células da pele humana. Vários pigmentos e compostos também podem ser empregados pelas plantas como uma forma de fotoproteção UV.
A pigmentação é um método empregado por uma variedade de plantas como forma de fotoproteção. Por exemplo, na Antártica, musgos nativos de cor verde podem ser encontrados naturalmente sombreados por rochas ou outras barreiras físicas, enquanto musgos de cor vermelha da mesma espécie podem ser encontrados em locais expostos ao vento e ao sol. Essa variação de cor se deve à intensidade da luz. Fotorreceptores em musgos, fitocromos (comprimentos de onda vermelhos) e fototropinas (comprimentos de onda azuis), auxiliam na regulação da pigmentação. Para melhor compreender esse fenômeno, Waterman et al. conduziu um experimento para analisar as qualidades fotoprotetoras de UVACs (Ultraviolet Absorbing Compounds) e pigmentação vermelha em musgos antárticos. Espécimes de musgo das espécies Ceratodon purpureus, Bryum pseudotriquetrum e Schistidium antarctici foram coletados em uma região insular na Antártica Oriental . Todas as amostras foram então cultivadas e observadas em um laboratório sob condições de luz e água constantes para avaliar a fotossíntese, UVAC e produção de pigmentação. Gametófitos de musgo de variedades vermelhas e verdes foram expostos à luz e rega consistente por um período de duas semanas. Após a observação do crescimento, os pigmentos da parede celular foram extraídos dos espécimes de musgo. Esses extratos foram testados usando espectrofotometria UV-Vis, que usa luz do espectro UV e visível para criar uma imagem que descreve a absorção de luz. Os UVACs são normalmente encontrados no citoplasma da célula; no entanto, quando expostos à luz de alta intensidade, os UVACs são transportados para a parede celular. Verificou-se que musgos com maiores concentrações de pigmentos vermelhos e UVACs localizados nas paredes celulares, ao invés de intracelularmente, tiveram melhor desempenho em luz de alta intensidade. Descobriu-se que a mudança de cor nos musgos não era devida ao movimento do cloroplasto dentro da célula. Verificou-se que os UVACs e os pigmentos vermelhos funcionam como fotoproteção de longo prazo em musgos antárticos. Portanto, em resposta ao estresse de luz de alta intensidade, a produção de UVACs e pigmentação vermelha é regulada para cima.
Sabendo que as plantas são capazes de responder diferencialmente a várias concentrações e intensidades de luz, é essencial entender por que essas reações são importantes. Devido ao aumento constante das temperaturas globais nos últimos anos, muitas plantas tornaram-se mais suscetíveis aos danos causados pela luz. Muitos fatores, incluindo a riqueza de nutrientes do solo, flutuação da temperatura ambiente e disponibilidade de água, todos impactam o processo de fotoproteção nas plantas. As plantas expostas a alta intensidade de luz juntamente com déficits de água exibiram uma resposta de fotoproteção significativamente inibida. Recentemente, foi sugerido que parâmetros fotoprotetores deveriam ser adicionados aos sistemas de medição de fotossíntese para tornar as medições mais fáceis para não especialistas em fenotipagem. Embora ainda não totalmente compreendida, a fotoproteção é uma função essencial das plantas.
Em humanos
A fotoproteção da pele humana é alcançada pela conversão interna extremamente eficiente de DNA, proteínas e melanina. A conversão interna é um processo fotoquímico que converte a energia do fóton UV em pequenas quantidades de calor inofensivas. Se a energia do fóton UV não fosse transformada em calor, isso levaria à geração de radicais livres ou outras espécies químicas reativas prejudiciais (por exemplo, oxigênio singlete ou radical hidroxila).
No DNA, esse mecanismo fotoprotetor evoluiu há quatro bilhões de anos, no início da vida. O objetivo deste mecanismo fotoprotetor extremamente eficiente é prevenir danos diretos ao DNA e danos indiretos ao DNA . A conversão interna ultra-rápida de ADN reduz o tempo de vida do estado animado de ADN de apenas alguns femtoseconds (10 -15 s) -este modo o ADN animado não tem tempo suficiente para reagir com outras moléculas.
Para a melanina, esse mecanismo se desenvolveu posteriormente no curso da evolução. A melanina é uma substância fotoprotetora tão eficiente que dissipa mais de 99,9% da radiação UV absorvida como calor. Isso significa que menos de 0,1% das moléculas de melanina excitadas sofrerão reações químicas prejudiciais ou produzirão radicais livres.
Melanina artificial
A indústria cosmética afirma que o filtro UV atua como uma "melanina artificial". Mas essas substâncias artificiais usadas em filtros solares não dissipam com eficiência a energia do fóton UV como calor. Em vez disso, essas substâncias têm uma vida útil de estado de excitação muito longa. Na verdade, as substâncias usadas nos filtros solares são frequentemente utilizadas como fotossensibilizantes em reações químicas. (veja Benzofenona ).
A oxibenzona , o óxido de titânio e o metoxicinamato de octilo são agentes fotoprotetores usados em muitos filtros solares, fornecendo cobertura de UV de amplo espectro, incluindo UVB e raios UVA de ondas curtas.
| Absorvedor de UV | outros nomes | porcentagem de moléculas que dissipam a energia do fóton (rendimento quântico: Φ) |
moléculas não dissipando a energia rapidamente |
|---|---|---|---|
| DNA | > 99,9% | <0,1% | |
| melanina natural | > 99,9% | <0,1% | |
| Ácido 2-fenilbenzimidazol-5-sulfônico | PBSA, Eusolex 232, Parsol HS, | ||
| 2-etilhexil 4-dimetilaminobenzoato | Padimato-O , oxtildimetil PABA, OD-PABA | 0,1 = 10% | 90% |
| 4-metilbenzilideno cânfora | (4-MBC), (MBC), Parsol 5000 , Eusolex 6300 | 0,3 = 30% | 70% |
| 4-terc-butil-4-metoxidibenzoil-metano | (BM-DBM), Avobenzona, Parsol 1789 , Eusolex 9020 | ||
| Mentil Antranilato | (MA), Mentil-2-aminobenzoato, meradimato | 0,6 = 60% | 40% |
| Metoxicinamato de Etilhexila | (2-EHMC), (EHMC), EMC, metoxicinamato de octilo, OMC, Eusolex 2292, Parsol | 0,81 = 81% | 19% |