научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВНУТРИ МЕМБРАН ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ Биология

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВНУТРИ МЕМБРАН ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ»

БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 4, с. 729-734

== БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= =

УДК 577.533.3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ П Р ОНИЦАЕМОСТИ ВНУТРИ МЕМБРАН ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ

© 2015 г. А.Ю. Борисов, В.С. Козловский

Институт физико-xимической биологии им. А .Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 19992, Москва, Ленинские горы, МГУ, корпус А E-mail: ayb280630@yandex.ru Поступила в p едакцию 06.03.14 г. После доработки 16.04.15 г.

На основе совместного анализа прецизионных рентгено структурных данных, полученных для хлорофилл-белковых комплексов пурпурных бактерий, и их спектров абсорбции высокого спектрального р азрешения разработан методический подход, позволивший определить коэффициент диэлектрической проницаемости в микрообъеме, включающем специальные пары реакционных центров из бактерии Rhodobacter sphaeroides. Наиболее вероятное значение этого параметра определено в пределах 1,66-1,76. На этой основе рассчитана средняя величина этого коэффициента во внутренних слоях мембран пурпурных бактерий и растений как 1,70-1,85. Низкая величина этого параметра в мембранах фотосинтезирующих организмов значительно повышает эффективность миграции энергии от масс «антенных» хлорофиллов на р еакционные центры, что заметно увеличивает квантовый выход фотосинтеза в целом.

Ключевые слова: пурпурные бактерии, Rhodoba^er sphaeroides, диэлектрическая проницаемость мембран.

Диэлектр ическая проницаемость играет важную роль в различных жизненных процессах. Напр имер, коэффициенты диэлектрической проницаемости (е) существенно влияют на константы окислительно-восстановительных реакций и на величины мембранных потенциалов, которые питают АТФазы, а низкие значения е у липидов ответственны за спирализацию трансмембранных участков полипептидов in vivo. В биологии определение е сопряжено со значительными трудностями из-за гетерогенности сред. Его величины могут существенно отличаться в различных местах биологических комплексов и даже крупных молекул. Например, для ряда глобулярных белков было показано, что значения этого параметра в их внутреннем интерьере могут быть весьма малыми, в то время как в их наружных областях они могут возрастать до 15-20 [1]. Для ряда систем при сольватации белков и варьировании рН значения е были указаны даже в пределах от 3 до 30 [2-5]. Столь высокие значения е, очевидно, связаны с наличием на поверхности белков подвижных групп атомов, несущих нескомпенси-

Сокращения: РЦ - реакционный центр, Б Хл - бактерио-хлорофилл.

рованные заряды. Важную роль значения е играют в процессах миграции энергии у всех фотосинтезирующих организмов, так как от скоро стей перено сов электр онных возбуждений от массы поглощающих свет «антенных» пигментов на преобр азующие их энергию реакционные центры (РЦ) зависит квантовый выход фотосинтеза.

П ри определениях величин е важно указы -вать, к какому частотному (временному) диапазону они относятся. Например, его величина для воды при комнатной температуре достигает 81, на частотах около 1010 с-1 она падает до 4,3, а в оптическом диапазоне его динамическое значение близко к 1,775. В этой связи среди работ по оценке значений фактор а е для фотосинтетических объектов следует отметить публикацию [6], в которой был детально рас-смотр ен вопро с о частотной (вр еменной) зависимости данного параметра при комнатной температуре. В этой работе для препаратов РЦ пурпурных бактерий было показано падение величины е до 2,3 по мере роста частоты поля за счет постепенного исключения из процессов поляр изации инер ционных групп атомов и молекул, имеющих нескомпенсированные локальные заряды.

На прямом солнечном свете молекулы кра -сителей поглощают фотоны не чаще двух раз в секунду. В облачные дни это число сокра-щается на один-полтора порядка. Поэтому в процессе эволюции у представителей фотосинтеза появились дополнительные комплексы хло-рофильных «антенн». У пурпурных бактерий на каждый РЦ в примыкающих к нему белко-во-пигментных комплексах имеются десятки «антенных» молекул бактериохлорофилла (Б Хл) [7]. Основные функции антенных молекул сводятся к поглощению солнечной радиации и переносу возникающих при этом электронных возбуждений на РЦ [7,8]. Доставка электр онных возбуждений от массы антенных молекул на РЦ о существляется через различные механизмы индуктивного резонанса [9,10]. В рамках этих механизмов влияние ср еды учитывалось посредством введения в знаменатели основных формул коэффициента преломления света (п). Однако п имеет реальный смысл на расстояниях не менее чем несколько длин волн, в то время как толщина биомембран, в которых располагаются природные хлорофилл-белковые аппараты фотосинтеза, ~ 40 А Поэтому в приложении к процессам миграции электронных возбуждений при фотосинтезе коэффициент п-4 в формулах следует заменять на квадрат коэффициента диэлектрической проницаемости среды (е-2) [11,12] в ближайшем микроокружения молекул доноров и акцепторов электронных возбуждений.

В настоящей работе использован физический подход для определения значения динамического коэффициента е во внутреннем интерьере мембран пурпурных бактерий.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ П РОНИЦАЕМОС ТИ В МИКРООБЪЕМЕ ВОК РУГ СПЕЦИАЛЬНОЙ ПАРЫ РЕАКЦИОННОГО ЦЕНТРА

Выделение Д. Ридом и Р. Клейтоном из пурпурных бактерий частиц фотохимических реакционных центров, сохраняющих фотоактивность, является одним из крупнейших успехов биохимии фотосинтеза во второй половине XX века [13]. РЦ содержат так называемые специальные пары молекул БХл - Р870. Эти пары являются акцепторами электронных возбуждений от массы антенных молекул БХл. Длинноволновые полосы абсорбции у пар Р870 расщеплены на две: основную вблизи 870 нм и минорную в районе 800-810 нм [14]. Это типичное давыдовское расщепление [15]. Оно отражает физическое явление - расщепление

резонансных частот у связанных колебательных систем. Согласно фундаментальной теории явления [15,16], разность частот 0-0-переходов Дv ра сщепленных абсорбционных полос у пар гомогенных молекул определяется значением энергии их электромагнитной связи:

Av = (vt - v2) = 2Wint/he^

(1)

где V! и V2 - частоты 0-0-переходов у расщепленных полос специальных пар РЦ, W¡п1 -энергия электромагнитного взаимодействия хромофоров пары молекул Р870 в вакууме, Н -постоянная Планка, егс - среднее значение коэффициента диэлектрической проницаемости в микрообъеме вокруг пары Р870. Отметим, что Р870 - исторически укоренившееся обозначение специальных пар РЦ у класса пурпурных бактерий по грубому положению длинноволнового пика поглощения. У специальных пар РЦ из бактерий ЯНоёоЪа^ег ърНает^йеъ положения пиков расщепленных полос были прецизионно определены в работах [17,18] при 864 и 810 нм. Поэтому вместо Р870 для этих пар у КЪ. 8рНа-его1ёе8 ниже будет фигурировать символ Р864.

Если использовать значения частот в пиках расщепленных полос по формуле (1), то можно сделать приближенную оценку энергии взаимодействия молекул Б Хл в парах Р864:

W int = 47,9e [мэВ].

(1а)

С другой стороны, в прецизионно установленной структуре РЦ энергия электромагнитной связи хромофоров молекул в Р870 может быть определена через кулоновское взаимодействие их дипольных переходных моментов (далее будут обозначаться как диполи) [16]:

W. = " int

(2)

= [{P1P2} / (R 1,2)-3-3{PR 1,2>{P2(R 1,2>(R 1,2)-5] = = p2(R 1 2)-3(cos9 - 3cos^1cos^2),

где px = P2 - векторы диполей двух молекул в пар е Р870; {pxR 1 2} и {p2(R 12} - скалярные про -изведения соответствующих векторов, p - диполь мономер а бактериохлор офилла а, R12 -расстояние между центр ами диполей (хр омофоров) px и p2, ф - угол между диполями px и p2,

и ^2 - углы между диполями px и p2 и линией, соединяющей их центр ы.

В Б р укхейвенском банке (Brookhaven protein bank) содержатся данные по атомарному строению РЦ из ряда пурпурных бактерий и их модификаций [19]. В настоящей работе использованы данные для кристаллов РЦ, выделенных

Координаты атомов азота (К) и магния (М^) в А в составе трапирольных колец хромофоров молекул бактериохлорофилла а специальной пары Р870 в РЦ из ЯЪ. $ркаето1йе$ [19]

P-851 P-852

Атомы X Y Z X Y Z

Na 38,50 61,37 36,13 34,61 58,78 43,74

Nb 39,09 60,20 38,88 35,875 58,06 41,10

^ 40,75 58,20 37,55 37,58 56,17 42,54

Nd 40,13 59,32 35,01 36,35 56,90 45,00

Центры 39,61 59,76 36,95 36,11 57,48 43,03

Mg 39,61 59,80 36,92 30,09 57,50 43,06

П римечание. В работе [19] молекулам пары P870 присвоены номера 851 и 852. В строке «Центры» даны координаты середин отрезков Na-Nc и Nb-Nd, которые у P864 являются центрами диполей Qx и Qy соответственно.

из пурпурных бактерий ЯНойоЪасгет 5рЬ,аего[йе$. В таблице пр едставлены заимствованные из этого банка коор динаты атомов азота в пирольных кольцах двух молекул специальной пары РЦ Р864, которые симметрично окружают центральные атомы магния этих хромофоров.

В работе [19] молекулам пары Р864 присвоены названия Р-851 и Р-852. В строке «Центры» даны коор динаты середин отр езков Ка-1Чс и КЪ-Кё, которые у специальных пар РЦ являются центрами диполей полос Qx и Qy со -ответственно.

Известно, что дипольные переходные моменты, соответствующие длинноволновым полосам поглощения Q у молекул хлорофиллов располагаются на отрезках между противоположными азотами пирольных колец: в данной номенклатуре - между атомами азота КЪ и Кё. С ила диполя в один дебай (Б) р авна 0,2083е-А где е- - заряд электрона. Сила диполя хлорофилла а равна 5 Б или 1,0415 е- А [20]. В работах [21,22] было показано, что в большой серии раствор ителей отношение дипольных переходных моментов у бактериохлорофилла а и хлорофилла а равно 1,325. Таким образом, сила диполя бактериохлорофилла а равна = 1,38 е- А. В молекулярной физике дипольные моменты

молекул рассматриваются как произведение заряда электрона (е-) на эффективные длины диполей в А. На этой основе из данных, приведенных в таблице, были определены координаты концов отрезков длиной 1,38 А с центрами в серединах отрезков КЪ-Кё, на котор ых располагаются диполи пары Р870. Отметим, что замена координат центров отрезков

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком