Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема преобразования энергии возбужденного электрона в иные формы является одной из главных в биоэнергетике. Процесс этот имеет место не только в фотосинтезе, но и в митохондриях, а также в галобактериях при функционировании бактериородопсина и в фоторедепторных мембранах. В фотосинтезе эта проблема изучена в экспериментальном отношении более детально. В растениях и бактериях процесс может быть достаточно быстро запущен вспышкой света. Современная техника эксперимента позволяет с точности) до долей пикосекунд фиксировать начало процесса. При этом данные о кинетике процесса можно получить проще и с большей точностью, чем в случае, когда процесс запускается химическими агентами, как например, в митохондриях.
Проблема преобразования энергии в биологии изучается сейчас очень активно. J1o мере исследований стали ясны и основные вопросы. Первый вопрос касается того, каковы именно эти иные формы энергии, в которые переходит энергия возбужденного электрона. В конечном итоге - это химическая энергия АТФ. Долгов время считалось, что на промежуточных Формах энергия заключена в макроэргических свя1-зях. При этом в фотосинтезе речь шла о прямом преобразовании энергии электрона в макроэргическую связь - гипотеза прямого сопряжения. В результате работ /Кеіі D., Mitchell Г., Williams R.J.P., Блюменфельда Л.А., Гольдаиского В.И., Кренделевой Т.Е., Скулачева В.П., Рубина А.Б., Чериавского Д.С/ стало ясно, что одной из промежуточных форм являіотся энергязоваяянв протоны. Вопрос о том, где они накапливаются, имеет много гипотез и остается дискуссионным. Согласно Митчеллу они запасаются в водной среде с высоким хемио-осмотическим потенциалом. Согласно Вяльямсу и Келлу они запасаются в неполярной среде, где они дегидратированы я обладают избытком эяергйи. Не выясненным остается вопрос о механизме энергизации протона.
существенный вклад в вняснепие этих вопросов внесла гипотеза электронно-конформашюшшх переходов, активно развиваемая в работах /Воуег 1963,1975; Блдаенфельд 1974; Волькенштейн 1975, 1978; Чернявская, Чернавсккй 1977; Конев 1987/. Само название было предложено М.В.Волькенштейком в 1971 г.
В этой связи важным оказался вопрос о механизм?; енэргпзацин протонов. Для его выяснения необходимо исследовать:
Во-первых, механизм электронного транспорта; сейчас уже ясно, что происходит туннельный перенос электронов.
Во-вторых, необходимо исследовать электрошс-кон<]зормационные переходы /ЭКП/ в макромолекулах.
В-третьих, выяснить взаимосвязь между туин^яированнсм г "КП. Эти исследования проводились во многих работах, вглтз;: работа диссертанта.
Цели и задачи исследования. Основная проблема, которой посвящена диссертациоішая работа - исследование механизма трансфорш-ции внергии. Она содержит ряд задач: I/ Построение и исследование общей схеш трансформации энергии, основанной, на туннельном транспорте электронов. 2/ Приложение этой схемы к раду.конкретных процессов:
а/ Перенос электронов и протонов в фотосинтезе пластохинояаш. б/ Процесс рекомбинации в реакционных центрах фотосистем.. в/ Процессы в бактериородопсине.
Кроме этого рассмотрены процессы ееолюцдл фотосистем и сделана оценка появления новой, ценной информации г. процессе эволюции на примере бакрериородопскна.
Методические аспекты. Методика построения биофизических схем и моделей биологических процессов включает следующие этапы: I/ Критический анализ существующих экспериментальных данных, каса-шихся различных сторон процесса. 2/ Построение физической модели
процесса, описывающего всю совокупность имеющихся экспериментальных данных. При этом необходим системный подход, учнвнващиЗ раз -личине аспекты явления. 3/ Построение математической модели я ее исследование. 4/ Сопоставление модела с экспериментальными данными, определение параметров и формулировка необходигап нруцяалышх экспериментов, если таковне необходимы.
В предлагаемой диссертационной работе использовались все приведенные методы, за исключением штеиатаческнх формул. В последнем не было необходимости, поскольку это было сделано в других, чисто теоретических работах.
Научная новизна. Настоящая работа представляет собой совокупность физических схем преобразования электронного возбуждения в другие формы. Построение биофизических схем, как паучиое направление, началось примерно 20 лет назад. Наш работы 1970-1973 гг. били одними из первых в этом направления. Б разработанных в них схемах била учтены следующие факторы; а/ Туше.тьш/Й характер аяек-троняого транспорта и, в частности, 8ф$5кг резонансного туннелпро-вания',' разработанный нами под зтлм иазваляем. 6/ Способность биологических макромолекул к кояфоргационшш и, в часияосги, элекгрся-но-конформавдояным переходам /ЗКП/. в/ Оообенносгя макромолекуляр-ных конструкций, которые позволяют тбсхатъ дальнейшей дясеппащш энергии.
Предложенная наїта биофизическая схема в 1970 г. затем иптен -сивно развивалась во шюгпх наших работах, а т-ашге параллельно в работах ряда групп: Блюмэнфельда Л.Л., Гсльдаиского В.И.,Рубяиа А.Б.
В 1975 г. наш была рассмотрена бизфізячвская схема внутримолекулярного туннельного электронного цикла, которая открнваяа но -выв возможности применения общей схемі к простершим биологическим системам. В ней акт трансформаппя онергпи совершлся в одной шле-
_4 -
куле. Эта схема послужила отправным звеном для построения биофизических моделей и схем процессов, происходящих в бактериородоп-сине..
Параллельно, в 1975 - 1977 гг. была разработала детальная биофизическая модель активного транспорта протонов в пластохшоновом цикле: фотосинтеза. По существу эта модель представляла собой развитие; общей схег'.щ трансформации энергии применительно к конкретным условия?,? одного из звеньев ЭТЦ. С новых позиций был рассмотрен процесс образования гвдрохшокон из хинонов и их распад. В частности, в модели был получен новый для того времени результат: туннельный транспорт электронов в пласгохинон и последующий захват протона- могут протекать лишь в условиях, когда подвижный плас-тохинон образует прочный шказлисовскпй комплекс с ФС II. В последствии такие комплекса были получены экспериментально и охарактеризованы. Это хорошо известные теперь акцепторные хинонные; комплекси. ФС II, именно Q^Qg.
Аналогично: перенос электронов с пласгохинола /POHg / на систему цитахрош и яелезо- серных центров / bg-f / и освобождение двух протонов во внутрешшв среду тилаковда таняе монет происходить только при образовании связанного комплекса, в которой соединены гидрохинол и система /bg-f/ также по типу комплекса Михазляса. Экспериментальные подтверждения этого положения были получены сравнительно недавно».
Новым является и результат,.-касающийся процесса рекомбинации. Речь идет о переходе- возбужденного электрона с первичного- акцептора - феофитина на основной уровень Pggg ФС II. ?тот процесс протекает в физиологических условиях за время ісг'сек., то есть много медленнее, чем прямой процесс - с феофятина на Од. Характерное время последнего 10~10сек. Б диссертации предложен і.;оуанизм замедления, который основан на приложении общей схемы туннельного пе-
реноса электрона к этому процессу.
Модель внутримолекулярного цикла была развита применительно к функционированию бактериородопсина. При этой были учтены специ -фические особенности поведения возбужденных электронов в нолиенах, именно образование в них солитонов. Этот эффект интенсивно изучается в теория твердого тела. Солитонная модель процессов в бактв' -риородопсине является новой, альтернативной изомеризационной модели. Ряд экспериментальных данных, касащихся функционирования БР, не вполне объяснимых с точки зрения изомеризационной модели, можно интерпретировать с позиций солитонной модели. Можно такжэ сформулировать наиболее актуальные направления дальнзйгоих исследований.
При рассмотрении эволюции фотосистем продемонстрирован новый подход к оцеїже появления новой и ценной информации в эволюционном процессе.
Научная и практическая значимость. Разработанные биофизические схемы и модели процессов трансформация энергии в фотосинте-зирущях системах являются теоретической основой для интерпретация полученных результатов с одной стороны и для постановки целенаправленных экспериментов - с другой. В этом заключается теоретическая научная значимость работы. Практическую значимость работа приобретает и в связи с бурно развивающимся направлением - биоэлект -роникой. В последние годы популярным стало исследование искусств венных объектов бислойных мембран, в которые включены биологически активные макромолеяулярнне комплексы. /БР, реакционные центра и др./, а также активные макромолекулы. Затем эти мембраны могут использоваться как преобразователи энергии, в частности, как преобразователи светового сигнала в электрический в электронных схемах. Для дальнейшего развития этого направления необходимо знать какие-биофизические процессы происходят в этих макромолекулах.
Таким образом, в предлагаемой работе исследуются фундамен-
- ь -
залыше проблеш биоэнергетики, которые в настоящее время приобретают все большее практическое значение.
Апробация работы. Основиые результаты работы бнля доложе-ш и обсувдены: на II Всесоюзном биохимическом съезде /Ташкент 1969/; на I симпозиуме "Проблемы биофотоники" /Москва 1970/;- на II Всесоюзном симпозиума "Колебательные процессы в биологических и химических системах"/Пущино 1970/; на 17 Международном биофизическом съезде /Москва 1972/; на Всесоюзной конференции "Динамика биологических мембран" /Минск 1974/; на XII Международном ботаническом съезде /Ленинград 1975/; на І Советско-Швейтарском сишо-зиугле "Биологические мембраны. Структура и функции" /Тбилиси 1979; на Всесоюзной конференции по биологической а медицинской кибернетике /Сигнахи Груз. ССР 1978/; на ?.5екдународяой конференции по ква-нтовоРішшя и фармакологии /Киев 1978/; на Всесоюзном семинаре по кристаллографии /Бологое 1981/; на I Всесоюзной биофизическом съезде /Москва 1982/; на 4-й Республиканской школе-севднаре "Моделирование развивающихся систем" /Славское Льв. обл.1983/; на 16 І'Ьздународн. конференции ФВБО /Москва 1984/; на III школе-семинаре "Лазери в биологии" Драеновидово 1985/; на Всесоюзном сешнаре "Моделирование функционирования развивающихся систем с изменяющей-. ся структурой" /Киев 1988/; на Всесовзной конференции "Структурная дииашка биологических мембран и ее роль в регуляции фотобиологи-чеекпх процессов"Діинск 1983/;: на ЇІУ Всесоизн. иколе-семтааре "Моделирование развиваидазся систем* /Славско Льв.Обл.1989/; на общегородском семинаре "Проблемы теоретической биофизики"; на кафедре Физической Х1ШШ1 ИГУ.
Публикации. По материалам диссертации оп/оликовано 37 работ в советских и мевдуиародных изданиях, в том числе 3 монографии.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и списка литературы, изложенных на 276 стр. текста; содержит 37 рисунков, 4 таблицы,635 ссылок.