БИОФИЗИКА, 2009, том 54, вып.6, c.1026-1036
= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ =
УДК 577.3
ПРИМЕНЕНИЕ СТАНДАРТНОЙ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОННЫХ ПЕР ЕХОДОВ К ОПИСАНИЮ ОСЦИЛЛЯЦИЙ В КИНЕТИКАХ ПЕРЕНО СА ЭЛЕКТР ОНА В Р ЕАКЦИОННЫХ ЦЕНТРАХ
ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ
© 2009 г. Д.С. Щепетов, Д.С. Чернавский*, В.В. Горохов**, В.З. Пащенко**, А.Б. Рубин**
Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119992, Москва, Воробьевы горы; *Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991, Москва, Ленинский просп., 53; **Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119992, Москва, Воробьевы горы Поступила в р едакцию 27.03.08 г. После доработки 15.06.09 г.
Стандартная теория переноса электрона между донором и акцептором использована для описания осцилляций в кинетиках восстановления промежуточного акцептора Бд и первичного акцептора электрона Нд. П роведено моделирование кинетик восстановления промежуточного акцептора электрона Бд и первичного акцептора электрона Нд на основе модели с одной и двумя акцептирующими модами. П редложен ключевой эксперимент, позволяющий определить, какой из вариантов теории наиболее адекватно описывает осцилляции в кинетиках переноса электрона в р еакционных центрах пурпурных бактерий.
Ключевые слова: реакционные центры пурпурных бактерий, электронные переходы, кинетика восстановления акцептора.
Реакционные центры (РЦ) пурпурных бактерий представляют собой естественные наноструктуры, обладающие способностью с высо-кой эффективностью (~ 100%) осуществлять пр е-образование энергии электронного возбуждения в энергию разделенных зарядов. Основу РЦ составляют две белковых субъединицы L и M, к которым присоединены четыр е молекулы бактериохлорофилла (Б Хл) (BA, BB), две молекулы бактер иофеофитина (HA и HB) и две хи-нонные молекулы (Qa и Qb). Между хинонами локализован атом Fe. В свою очер едь, две из четырех молекул Б Хл составляют специальную пару (первичный донор электрона), обычно обозначаемую символом Р. Пространственная организация белковых субъединиц, пигментных молекул B и H, а также переносчиков электрона Qa и QB в РЦ Rhodobacter sphaeroides была определена с разрешением 2,65 А [1]. Координаты структурных элементов РЦ содержатся в Рго1еш Data Bank [2]. Пространственное расположение кофакторов на L и М белках в РЦ
Сокращения: РЦ - реакционные центры, БХл - бакте-риохлорофилл, АМ - акцептирующая мода.
ЯЬ. sphaeroides показано на рис. 1. Локальная ось симметр ии втор ого порядка, которая про -ходит через специальную пару Р и атом Бе, разделяет комплекс на две части: активную в перено се электр она А-ветвь и неактивную Б-ветвь. Из рис. 1 видно, что РЦ представляет собой природное субнаноразмерное образование, сформированное природой миллионы лет назад. Так, расстояние между пиррольными кольцами I молекул Рд и Рв, составляющими специальную пару, равно ~3,2 А, расстояние между центрами этих молекул ~7,7 А Соответственно, расстояния между кр аями молекул Рд (РБ) и Бд (Бв) составляет ~4 А а между центрами этих молекул ~10 А. Наконец, ра сстояния между центрами молекул Бд (Бв) и Нд (НБ) равно о ~11 А, а между Нд (НБ) и Qд ^Б) - 12 и 14 А соответственно. В состав РЦ ЯЬ. spha-eroides (дикий штамм) входит также молекула каротиноида в цис-конфигурации, располагающаяся со стороны неактивной Б-ветви в ~3,7 А от молекулы Бб и ~ 10 А от РА. Столь малые расстояния между пигментами обусловливают существенные энергии парных взаимодействий (~70 см-1) в процессе миграции энергии в РЦ [3]. Другими словами, столь сильные взаимо-
действия между шестью пигментами РЦ предполагают делокализацию возбуждений по этим молекулам, по крайней мере, на ранних (< 1 пс) временах. Это указывает на необходимость ра ссматривать Р Ц как супермолекулу, в которой перенос энергии можно представить как процесс внутренней конверсии между ее адиабатическими состояниями [4]. Эти представления нашли теоретические и экспериментальные подтверждения, из которых следует, что: a) возбужденное состояние РЦ представляет собой смесь возбуждений специальной пары и мономер ных молекул BA B и HA B [5-7]; б) электр он-ные состояния смешиваются с резонансными зарядовыми состояниями специальной пары [58]. Волновые функции мономер ного бактер ио-хлорофилла и специальной пары [9], а также Car и его ближайшего соседа Bb смешаны [10]; в) наблюдается «горячий» перенос энергии от 1B к Р из неотрелаксированного со стояния 1B [11]; время дефазировки и колебательной релаксации Р* сравнимо с временем разделения зарядов [12,13].
Изучение процессов разделения зарядов и перено са электрона в РЦ является важной задачей, позволяющей понять принципы функционирования природных фотобиологических наноструктур, что может помочь в разработке искусственных высокоэффективных фотопреоб-разующих устройств. Важное значение имеет изучение тонких эффектов в пр оцессе функцио-нир ования РЦ, в том числе осцилляций в ки-нетиках переходных пр оцессов в ходе перено са электрона. Эти эффекты связаны с принципиальными вопросами взаимодействия возбужденных состояний и состояний с перено сом зар яда кофакторов РЦ с водно-белковой матрицей системы. Впер вые осцилляции были обнаружены в работах J. Breton с сотр. в кинетике стимулированной люминесценции в РЦ Rb. sphaero-ides при возбуждении в Q-полосу поглощения специальной пары [14,15]. В.А. Шувалов с сотр. исследовал осцилляции в полосе поглощения восстановленного промежуточного акцептора BA [16,17].
Цель данной работы - представить объяснение осцилляций в кинетиках переходных про -цессов кофакторов РЦ на основе модифициро -ванной стандартной теории переноса электрона в молекулярных системах.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
П репар аты РЦ выделяли из хроматофоров дикого типа пурпур ной бактерии Rb. sphaeroides по стандартной методике [18]. Образцы возбуждали лазер ным импульсом в Qx-полоcу погло-
Рис. 1. Схема РЦ пурпурной бактерии ЯЬ. sphae-^¿вв. Дистанции между кофакторами показаны в А и соответствуют расстояниям центр-центр пор-фириновых колец молекул. Пунктирной линией показана ось симметрии второго порядка.
щения Б Хл (600 нм). Длительность возбуждающего импульса была 20 фс, его спектральная ширина на полувысоте 40 нм. В качестве из-мер яющего света использовали импульсы континуума длительностью 20 фс, поляризация континуума ориентирована под магическим углом к поляризации возбуждающего света. И споль-зовали проточную кварцевую кювету толщиной 0,5 мм. Измеряли кинетики изменения оптического поглощения в спектральной области 6201000 нм.
О КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЯХ
Квантово-механические колебания возникают в системе, способной находиться в двух состояниях, энергии которых отличаются мало. П ро стейший пр имер - поведение электр она в симметричном потенциальном рельефе, содержащем две ямы, разделенные барьером. Эта задача рассмотрена в работе [19], где определены собственные энергии и функции данной системы. Колебание возникнет, если в начальный момент времени электрон целиком помещен в одну из ям (т.е. начальная волновая функция совпадает с собственной функцией одной из ям). Тогда через определенное время (полпериода) электрон целиком переходит в соседнюю яму. Затем, через то же самое время он возвращается обратно, в дальнейшем такие
колебания продолжаются сколь угодно долго. Данный процесс рассмотрен в задачнике [20] и в монографии [21], поэтому мы опустим про -межуточные вычисления и приведем лишь необходимые для дальнейшего изложения формулы.
Вероятность застать электрон в первой и второй ямах (Р1 и Р2) в симметричном случае (когда локальные энергии электрона в первой и второй ямах (взятых в отдельности) одинаковы) описываются выражением:
Р1 = со
Р2 = 8Ш2
Й
" t
1 = {^(х )у2(х ^х
<< 1.
-к
= т[Н ,р].
р1 = асо82
Е + АЕ2
Й
+ в,
а =
А 2
1
1 + А 2'
в = ТГА2 • а + в = 1
А =
АЕ
V
При этом колебания происходят с периодом порядка Т, выражение для которого имеет вид:
Т =
2пЙ
X + АЕ2'
г>р
(4.1)
(1)
Й
V /
где энергия расщепления Е 8р = Е1ос/, интеграл перекрытия локальных волновых функций 1 равен:
(2)
Эти формулы можно получить как из уравнения Ш редингера, так и из уравнения для матрицы плотности (в так называемом представлении сайтов):
(3)
В нашем случае индексы , = 1,2; диагональные элементы матрицы плотности соответствуют локальным со стояниям.
В случае несимметричного потенциала, когда энергии не равны и отличаются на величину АЕ = Е1 - Е2 > Е , коэффициенты суперпозиции в (1) не одинаковы, при этом
(4)
. 2/Е + АЕ2
Р2 = а81и21 —^-{
Здесь коэффициенты а и в определяются из соотношений:
Однако в этих колебаниях участвует лишь плотность вероятности, равная а, а остальная часть, равная в, остается в исходном состоянии. П ри АЕ >> Е колебания практически отсутствуют.
Вопрос о квантово-механических колебаниях в химии и биологии обсуждался в [22]. Было показано, что такое в принципе возможно, в частности в окислительно-восстановительных процессах, где речь идет об электр онных пер е-ходах. Однако привести конкретные примеры тогда не удало сь. Дело в том, что перено с электрона в биологических системах связан с возбуждением (и затуханием) нормальных колебаний заряженных групп. Скорость колебательной релаксации последних порядка у ~ 1011 - 1012 с-1 [23]. В связи с этим квантово-механические колебания электрона затухают примерно с такой же скоростью. Поэтому наблюдать их можно реально на временах порядка пико- и фемтосекунд. В 60-70 гг. про -шлого века возможности наблюдения ограничивались временами порядка наносекунд. В настоящее время техника наблюдения существенно продвинулась и появилась возможность исследовать процессы в фемтосекундном диапазоне. В экспериментальных р аботах [14-17] были обнаружены подобные колебания с периодом порядка сотни фемтосекунд в первичных окислительно-восстановительных процессах в фотосинтетических реакционных центрах. В работах [16,17] обсуждались различные варианты теоретической интерпретации этих явлений. При этом использовались подходы, развитые для описания процессов в конденсированных средах, где любые переме
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.