Введение к работе
Актуальность темы.
Фотосинтез является одним из наиболее важных процессов в биосфере Земли. Растения и различные фотосинтезирующие бактерии обладают способностью эффективно преобразовывать и запасать солнечную энергию в форме энергии химических связей органических соединений. Изучение этого жизненно важного процесса, являющегося основным источником кислорода и органических веществ для всех живых организмов, представляет собой одну из актуальных задач биофизики и биохимии.
Наиболее просто фотосинтетический аппарат устроен у пурпурных
бактерий, являющихся классическим объектом исследований фотосинтеза. В
структуре фотосинтетического аппарата этих бактерий можно выделить две
основные части - реакционный центр (РЦ) и светособирающую антенну. РЦ и
антенна представляют собой сложные пигмент-белковые комплексы (ПБК)
высокого молекулярного веса, располагающиеся во внутренних мембранах
клетки. В РЦ происходит преобразование энергии из физической формы
синглетного возбужденого состояния в химическую форму разделённых зарядов
разного знака. Основная функция светособирающей антенны заключается в
поглощении квантов света и передаче энергии возбуждения в РЦ. Наличие
антенны позволяет увеличить светосбор РЦ и согласовать скорость поглощения
квантов света со скоростью преобразования их энергии в системе. Для работы
фотосинтетического аппарата характерна очень высокая эффективность (по
крайней мере, на первичных стадиях). Около 90% возбужденных состояний,
возникающих в антенне при поглощении квантов света, попадает в РЦ.
Эффективность преобразования энергии в РЦ ещё выше и составляет почти
100% при разделении зарядов. Столь эффективное преобразование солнечной
энергии давно привлекает внимание учёных. Очевидно, что эффективная работа
фотосинтетического аппарата достигается благодаря согласованной работе
светособирающей антенны и РЦ. В связи с этим изучение структурных и
функциональных свойств фотосинтетических пигмент-белковых комплексов, в
частности их спектральных свойств, является важнейшей проблемой при
исследовании первичных процессов фотосинтеза. Для построения
количественных спектрально-кинетических моделей переноса энергии в антенне и
от антенны к РЦ необходимо знание тонкой структуры оптических спектров
изучаемых комплексов. ] ЮС, НАЦИОНАЛЬНАЯ I
| БИБЛИОТЕКА I
2 Одним из широко применяемых способов выявления тонкой структуры оптических спектров является метод производной спектроскопии. Но, несмотря на возрастающий интерес исследователей к производной спектроскопии, за последнее время появилось очень мало работ, направленных на развитие этого метода. Редко в современных публикациях обсуждается и вопрос об искажениях производных спектров, вносимых различными процедурами получения производных, хотя такие искажения могут привести к неверной интерпретации результатов. Столь же редко публикуются работы, авторы которых используют производные оптических спектров высокого (четвёртого и выше) порядка. С другой стороны, появление персональных компьютеров и бурный рост их производительности в 90-е годы привели к появлению совершенно новых возможностей для применения вычислительных методов в обычной лабораторной практике. Следовательно развитие одного из самых эффективных методов анализа оптических спектров - метода производной спектроскопии - может представлять значительный интерес для широкого круга исследователей в области биофизики и биохимии.
Цели и задачи диссертационной работы.
Целью диссертационной работы являлась разработка методов производной спектроскопии высокого порядка и применение разработанных методов для выявления тонкой структуры оптических спектров важнейших фотосинтетических объектов.
В диссертационной работе решались следующие задачи: 1. Разработка методов производной спектроскопии для анализа оптических спектров:
метода получения неискажённых производных оптических спектров;
метода разложения спектров на полосы по исходному спектру и набору его производных;
метода определения концентрации одного из компонентов многокомпонентной сильно рассеивающей смеси с помощью абсорбционной производной спектроскопии высокого порядка;
методов вычитания фона в одномерных (двумерных) массивах экспериментальных данных с помощью анализирующей окружности (сферы) и с помощью производной спектроскопии.
Создание программного пакета, позволяющего реализовать на персональном компьютере методы обработки экспериментальных спектров, описанные в первом пункте.
Определение набора полос стандартной формы необходимого для аппроксимации Qy-полосы поглощения (бактерио)хлорофилла и её производных.
Определение тонкой структуры спектров оптического поглощения различных фотосинтетических ПБК- основного светособирающего комплекса высших растений (LHC II); периферического светособирающего комплекса (LH2) и реакционного центра из различных пурпурных бактерий.
Научная новизна.
Разработаны новые методы производной спектроскопии для анализа оптических спектров: метод получения неискажённых производных оптических спектров, метод разложения спектров на полосы по исходному спектру и набору его производных, метод определения концентрации одного из компонентов многокомпонентной сильно рассеивающей смеси с помощью абсорбционной производной спектроскопии высокого порядка, метод вычитания фона в одномерных (двумерных) массивах экспериментальных данных с помощью анализирующей окружности (сферы), метод вычитания фона с помощью производной спектроскопии. Определена тонкая структура спектров поглощения ряда фотосинтетических ПБК с помощью метода разложения спектров на полосы по исходному спектру и набору его производных. Для пигмент-белковых комплексов пурпурных бактерий оценены физические характеристики комплексов (диагональный беспорядок для кольца В850 комплекса LH2 и электрохромный сдвиг мономерного бактериохлорофилла РЦ) на основании полученных численных параметров (положения максимумов, амплитуды и ширины) спектральных компонентов спектров поглощения.
Практическая значимость.
Разработанные методы производной спектроскопии имеют существенное практическое значение для широкого круга исследований в области биофизики и биохимии, так как их применение расширяет возможности спектрального анализа.
Полученные параметры спектральных компонентов спектров поглощения ряда фотосинтетических ПБК могут быть использованы для проверки
4 существующих теоретических моделей, описывающих спектрально-кинетические свойства ПБК.
Личный вклад.
Все основные результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Постановка задач исследований и интерпретация полученных результатов осуществлялись автором совместно с научным руководителем - доктором физ. - мат. наук А. П. Разживиным.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы были представлены на конференции ММТТ-2000 (Москва); конференции ICONO-2001 (Минск); конференции Ломоносов-2001 (Москва); III Съезде фотобиологов России (Воронеж-2001); на научных семинарах в НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского, на кафедре биофизики Биологического факультета МГУ и в Институте нелинейной оптики и импульсной спектроскопии им. Макса Борна (Берлин).
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
