Введение к работе
Актуальность темы. В связи с бурным развитием высокочувствительной пикосекундной и фемтосекундной лазерной техники в последнее время получено значительное количество экспериментальных данных по кинетике первичных стадий процессов фотосинтеза, имеющих характерные времена от пикосекунд до наносекунд и включающих такие процессы, как миграция светоиндуцированного электронного возбуждения по светособирающей пигмент-белковой антенне, захват возбуждения ловушкой реакционного центра и преобразование его энергии в энергию разделенных зарядов, первичные процессы переноса электрона по цепи электронного транспорта. Существенный прогресс достигнут и в области ислледований структурной организации компонентов фотосинтетического аппарата, обеспечивающего высокую эффективность этих процессов. Кроме того, появляется все больше экспериментальных данных, свидетельствующих об активном участии динамики водно-белкового окружения в первичных фотосинтетических процессах. Роль этой динамики в процессах разделения и переноса зарядов в реакционных центрах и влияние ее характеристик на эффективность первичных процессов фотосинтеза, а также на характеристики наблюдаемых в экперименте величин (в частности, кинетики флуоресценции), в настоящее время еще далеко не ясны. Особенный интерес представляет изучение свойств фотосистемы 2 ( ФС 2 ) высших растений, так как биофизические эксперименты, проводимые на реакционных центрах фотосистемы 2 высших растений в настоящее время, гораздо менее прямые, чем эксперименты на бактериальных реакционных центрах, что обусловлено доступностью более стабильных и активных бактериальных РЦ. В связи с этим нам представляется весьма актуальной и своевременной задача теоретического исследования функционирования фотосистемы 2 на основе вероятностного моделирования происходящих в ней первичных фотосинтетических процессов. Решению этой задачи и посвящена предлагаемая работа.
Цель работы. Целью данной диссертационной работы является теоретическое исследование первичных процессов, происходящих в фотосистеме 2 и включающих в себя миграцию возбуждения по светособирающему комплексу фотосистемы 2, захват возбуждения ловушкой реакционного центра, первичное разделение зарядов между молекулой пигмента Р680 и молекулой феофитина, последующие релаксации водно-белкового окружения радикальной пары разделенных зарядов, перенос электрона с феофитина на первичный хинонный
-2-акцептор, рекомбинацию радикальной пары. Выполнение работы была связано с решением ряда конкретных проблем и задач:
каким образом влияет кластерная организация молекул пигмента в светособирающей антенне фотосистемы 2 на кинетику и эффективность переноса энергии к реакционному центру;
как отражается состояние реакционного центра на величине времени жизни флуоресценции в подобной антенне;
каким должен быть корректный способ описания первичных фотосинтетических процессов с участием динамики водно-белкового окружения;
каким образом может быть учтен при таком описании характер внутренней динамики белка и оценены характерные времена релаксаций;
какое шіияние оказывают релаксации водно-белкового окружения радикальной пары на первичные процессы разделения и переноса зарядов и кинетику флуоресценции фотосистемы 2;
чем объясняются непрерывные зависимости времен жизни и амплитуд ( весовых множителей ) компонентов кинетики флуоресценции фотосистемы 2 от состояния реакционных центров, полученные в экспериментах на образцах, где реакционные центры были закрыты в различной степени;
какую природу имеет зарегистрированное падение эффективной константы разделения зарядов и увеличение эффективной константы рекомбинации с закрытием реакционного центра фотосистемы 2;
чем объясняется падение выхода радикальной пары с закрытием реакционных центров;
чем отличаются характеристики первичных процессов в а- и Р-центрах фотосистемы 2;
каким образом влияет на кинетику флуоресценции фотосистемы 2 исходное состояние системы.
Научная новизна работы. Основные результаты работы представляются нам новыми. Предложен подход к описанию миграции энергии по пигментной матрице, состоящей из кластеров молекул пигмента. На основании последних данных по структурной организации фотосистемы 2 предложены две схемы возможной организации кластеров молекул пигментов в светособирающем комплексе фотоситемы 2, рассчитана кинетика флуоресценции для этих схем. Результаты расчетов для уровней флуоресценции FM и F0 соотнесены с реальным временем. Предложен способ описания первичных процессов разделения и переноса зарядов в реакционном центре фотосистемы 2 с участием релаксаций водно-белкового окружения радикальной пары. Получена функция
-3-распределения вероятности распада состояния с внутренними релаксациями, учитывающая характер внутренней динамики белка. При помощи предложенных уравнений рассчитаны зависимости времен жизни и амплитуд ( весовых множителей ) компонентов кинетики флуоресценции фотосистемы 2 от состояния реакционных центров, адекватно описывающие экспериментальные данные. Получено свидетельство того, что закрытие реакционных центров сопровождается значительным замедлением скорости релаксационных процессов водно-белкового окружения, в то время как в открытых реакционных центрах такие процессы происходят очень быстро. Сделан вывод о различном протекании релаксаций в а- и р- центрах фотосистемы. 2. Оценены времена релаксационных процессов в- открытых и закрытых а- и р-центрах фотосистемы 2.
Практическое значение. Полученные результаты вносят вклад в понимание механизмов первичных процессов, происходящих в фотосистеме 2, и закономерностей кинетики флуоресценции фотосистемы 2. Разработанные модели имеют практическую ценность для обобщения и интерпретации экспериментальных данных, планирования эксперимента, позволяют связать наблюдаемые в эксперименте величины с внутренними характеристиками исследуемой системы. Использованные численные алгоритмы, реализованные на ЭВМ в виде отлаженных программных модулей, применимы для выполнения новых экспериментальных и теоретических исследований. Предложенный способ описания релаксационных состояний может быть использован для исследования релаксационных процессов на различных участках цепи электронного транспорта в реакционном центре.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на семинарах кафедры биофизики физического факультета МГУ, на Пущинских чтениях по фотосинтезу и конференции стран СНГ "Структурно-функциональная организация фотосинтетических мембран и их моделей" 8-11 июня 1993 года, г. Пущино.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано п печатных работ.
Структура и объем работы.. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 135 страницах, содержит 20 рисунков, 4 таблицы. Список цитируемой литературы включает 139 наименований.