МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2004, том 38, № 3, с. 515-523
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ^^^^^^^^ БИОПОЛИМЕРОВ И ИХ КОМПЛЕКСОВ
УДК 577.23
СТРАТЕГИЯ ВЫЖИВАНИЯ ФОТОСИИТЕЗИРУЮЩИХ ОРГАНИЗМОВ. 1. ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ СТЕПЕНИ АГРЕГАЦИИ СВЕТОСОБИРАЮЩИХ ПИГМЕНТОВ КАК СТРУКТУРНЫЙ ФАКТОР, ОПТИМИЗИРУЮЩИЙ ФУНКЦИЮ ОЛИГОМЕРНОЙ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ.
МОДЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ
© 2004 г. 3. Г. Фетисова*
Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. АН. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, 119992 Поступила в редакцию 05.07.2003 г.
Представленный цикл работ - в соответствии с выдвинутой нами ранее концепцией жесткой оптимизации структуры фотосинтезирующего аппарата по функциональному критерию - продолжает целенаправленный поиск в природных фотосинтетических единицах (ФСЕ) тех фундаментальных принципов их организации, которые предсказаны нами теоретически для оптимальных модельных светособирающих систем. Этот подход позволил определить целый ряд основных принципов организации ФСЕ произвольного, но фиксированного размера. Настоящий цикл работ посвящен проблеме оптимизации структуры светособирающих антенн переменного размера, контролируемого in vivo интенсивностью света в процессе роста организмов, что делает проблему оптимизации структуры антенны более острой, так как требования к оптимизации становятся более жесткими при увеличении размера ФСЕ. В настоящей работе, используя математическое моделирование функционирования природных ФСЕ, мы показали, что агрегация пигментов модельной светособирающей антенны - будучи сама по себе одним из универсальных оптимизирующих факторов - позволяет, кроме того, управлять эффективностью антенны, если степень агрегации пигментов является переменным параметром. В этом случае эффективность антенны растет с увеличением размера единичного антенного агрегата, обеспечивая тем самым высокую эффективность функционирования ФСЕ независимо от ее размера, т.е. изменение степени агрегации пигментов, контролируемое размером светособирающей антенны, биологически целесообразно.
Ключевые слова: фотосинтез, светособирающая антенна, структура и функция, математическое моделирование.
Экспериментальные исследования эффективности первичных процессов природного фотосинтеза показали, что независимо от размера светособирающей антенны фотосинтетической единицы (ФСЕ), т.е. числа молекул антенны N на один реакционный центр (РЦ), квантовый выход первичного разделения зарядов в РЦ весьма высок (более 90%). Это означает, что при всем своем многообразии фотосинтезирующие организмы, как с малыми антеннами ^ ~ 30), так и с большими ^ > 1000), достаточно успешно решили проблему оптимизации структуры ФСЕ по функциональному критерию, несмотря на то что для природных фСе эта проблема стоит достаточно остро [1]. В цикле работ [2-9] мы теоретически рассмотрели возможные пути этой оптимизации. Теоретический поиск принципов организации оптимальных ФСЕ осуществляли моделированием
Принятые сокращения: ФСЕ - фотосинтетическая единица, БХл - бактериохлорофилл, РЦ - реакционный центр.
* Эл. почта: Zfetisova@genebee.msu.su
миграции энергии электронного возбуждения в модельных ФСЕ с регулярной решеткой. В основу расчета индивидуального влияния различных структурных факторов на эффективность функционирования ФСЕ была положена модель, для которой безразлично, находится ли в каждом узле решетки одна молекула пигмента или кластер молекул, связанных сильным экситонным взаимодействием. Показано, что специфическая анизотропия решетки ФСЕ [2, 5, 6], неоднородность пигментной антенны [3, 5, 6] и анизотропия ориентации векторов дипольных моментов переходов молекул ФСЕ [4, 6] являются структурными факторами, принципиально позволяющими оптимизировать функционирование ФСЕ.
Специальное исследование влияния кластерного строения решетки двумерных модельных ФСЕ на эффективность передачи энергии возбуждения от антенны к РЦ [7-9] позволило сделать два принципиальных вывода: 1) при слабых взаимодействиях между всеми молекулами ФСЕ,
515
10*
Гг = гУ = гг = г
У
Рис. 1. Элементарные фрагменты бесконечной трехмерной изотропной модели мономерной антенны с кубической решеткой, состоящей из периферической антенны и терминальной акцепторной антенны. Каждый элементарный фрагмент содержит N = 24 молекулы периферической антенны (маленькие кружки) и одну молекулу акцепторной антенны (большие кружки). Каждый элемент модели - мономер (п = 1). В направлении оси г антенна имеет фиксированный размер, N + 1; в направлении осей х и у антенна бесконечна. Молекулы акцепторной антенны занимают плоскость ХУ при 2 = 0, образуя квадратную решетку. Молекулы периферической антенны и всей антенны в целом образуют кубическую решетку, т.е. постоянные решетки гх = Гу = гг = г.
обусловливающих индуктивно-резонансный механизм переноса энергии, кластеризация молекул ФСЕ играет отрицательную роль в процессе доставки энергии возбуждения от молекул антенны к РЦ, существенно замедляя этот процесс, т.е. увеличивая энергетические потери; 2) при сильных межмолекулярных взаимодействиях в пределах каждого кластера и слабых взаимодействиях между соседними кластерами образование кластеров в ФСЕ ускоряет доставку возбуждения от антенны к РЦ и, следовательно, увеличивает эффективность функционирования такой ФСЕ по сравнению с мономерной изотропной ФСЕ того же размера и той же площади. Это означает, что олигомеризация пигментов ФСЕ является структурным фактором, оптимизирующим процесс передачи энергии от антенны к РЦ и, следовательно, биологически целесообразна.
В настоящей работе исследованы возможности оптимизации строения молекулярной решетки трехмерной олигомерной модельной антенны как постоянного, так и переменного размера. Необ-
ходимость рассмотрения этой проблемы для антенн переменного размера диктуется тем, что большинство фотосинтезирующих организмов способно расти в широком диапазоне интенсив-ностей света и адаптируются к низким интенсив-ностям света, значительно увеличивая размер ФСЕ за счет периферической антенны, компенсируя дефицит световой энергии увеличением по-глощательной способности антенны. Это делает, однако, проблему оптимизации структуры антенны более острой, так как требования к оптимизации становятся более жесткими при увеличении размера ФСЕ [1]. Неизбежное падение эффективности функционирования антенны при увеличении ее размера должно компенсироваться "включением" какого-либо дополнительного структурного фактора, обеспечивающего сохранение высокой эффективности функционирования антенны независимо от ее размера [1]. Поиску такого структурного фактора, принципиально позволяющего оптимизировать структуру олигомерной антенны, и посвящена настоящая работа.
В соответствии с выводами предыдущих работ [7-9], влияние кластерного строения решетки трехмерных модельных ФСЕ на эффективность передачи энергии возбуждения от антенны к РЦ исследовали для случая сильной межмолекулярной связи в пределах каждого кластера при слабой связи между молекулами соседних кластеров. В этом случае внутрикластерное взаимодействие молекул столь велико, что возбуждение делока-лизовано по молекулам кластера, и, следовательно, временем миграции энергии внутри кластера можно пренебречь по сравнению с временем Ферстеровского индуктивно-резонансного переноса энергии между соседними кластерами. Очевидно, олигомер является частным случаем молекулярного кластера с сильной межмолекулярной связью.
Рассматривались только упорядоченные системы, так как только упорядоченные системы можно оптимизировать [10].
В качестве исходной модели использовалась бесконечная трехмерная мономерная антенна с кубической решеткой, обладающая трансляционной симметрией в направлении осей х и у, с помощью которой она может быть получена из элементарных фрагментов, представляющих собой линейные одномерные антенные "единицы", параллельные оси г и содержащие N = 24 молекулы однородной антенны (рассматриваемой в качестве периферической) и одну ловушку (рис. 1). При этом роль ловушек одинакова как для молекул акцепторной антенны (являющейся в данном случае терминальной), так и для РЦ. Во всех моделях ловушки занимают плоскость ХУ при 2 = 0. Оли-гомерные антенны получали из мономерной модели (рис. 1) путем образования молекулярных
г
1
п
г
г
X
У
nz = 2
nz = 3
пх = 2
I 5
Й
r
i i
I
rz ~ 2r
rz ~ 3r
Рис. 2. Элементарные фрагменты двух бесконечных трехмерных моделей олигомерных антенн с анизотропными решетками, образованных в результате модификации модели мономерной антенны (рис. 1), состоящей в ассоциации мономерных соседних пигментов периферической антенны вдоль оси z либо в димеры (nz = 2), либо в тримеры (nz = 3). Каждый фрагмент обеих моделей содержит N = 24 молекулы периферической антенны (маленькие кружки) и одну молекулу акцепторной антенны (большие кружки). Решетка каждого фрагмента содержит (1 + N/n) узлов, т.е. на одну ловушку-мономер акцепторной антенны приходится N/n олигомеров, где n - число пигментных молекул в олигомере. В обеих моделях постоянные решетки rx = Гу = r, а постоянная решетки периферической антенны вдоль оси z (rz) увеличивается в n раз: rz = 2r для димерной модели (n = 2) и rz = 3r для тримерной модели (n = 3). Антенны всех моделей, представленных на рис. 1 и 2, имеют одинаковый размер и занимают равный объем.
кластеров (олигомеров) разного размера, каждый из которых содержал от п = 2 до п = 6 молекул однородной периферической антенны.
Использовано два принципиально разных способа образования олигомеров: 1) путем олигоме-ризации исходных мономерных соседних пигментов периферической антенны вдоль оси г, т.е. вдоль главного направления переноса энергии от периферической к терминальной антенне (рис. 2), и 2) путем олигомеризации исходных мономерных пигментов антенны вдоль оси х (или у) (рис. 3). В расчетах (если это не оговорено специально) соблюдали постоянство объема, занимаемого антенной одного и того же размера, так что средняя плотность светособирающих пигментов оставалась неизменной. Таким образом, оба способа олигомеризации пигмент
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.