Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1 Бактериальный фотосинтез 12
1.1.1 Пурпурные фотосинтезирующие бактерии 8
1.1.2 Устройство фотосинтезирующего аппарата 14
1.1.2.1 Фотосинтетическая единица 14
1.1.2.2 Светособирающая антенна 17
1.1.2.3 Фотоактивный реакционный центр 19
1.2 Пигмент - белковые комплексы светособирающей антенны пурпурных бактерий 20
1.2.1 Бактериохлорофилл, его модификации и их свойств 21
1.2.2 Каротиноиды и их свойства 23
1.2.3 аР-протеины 25
1.2.4 Комплекс LH1 26
1.2.5 Комплексы LH2 и LH3 27
1.3 Теоретическое описание процессов переноса энергии в антенных комплексах 31
1.3.1 Формализм Фёрстера 40
1.3.1.1 Потенциальные поверхности 40
1.3.1.2 Сильное взаимодействие 42
1.3.1.3 Слабое взаимодействие 44
1.3.1.4 Очень слабое взаимодействие 45
1.3.2. Экситонная теория для светособирающих комплексов 49
1.3.3 Экситон - фононное взаимодействие в светособирающих комплексов 53
Глава 2. Материалы и методы исследования 57
Глава 3. Спектры оптического поглощения и кругового дихроизма светособирающих комплексов из rodopseudomonas acidophila, расчитанные на основе рентгеноструктурных данных 58
3.1 Теоретическая модель 58
3.2 Результаты и обсуждения 60
Глава 4. Гипотеза о происхождении трёх полос в спектре поглощения комплекса lh2 нового типа (в800-830-850) из thiorhodospira sibirica 67
4.1 Теоретическая модель 67
4.2 Результаты и обсуждения 68
Глава 5. Моделирование стационарного спектра флуоресценции для lh2 комплекса из thiorhodospira sibirica 78
5.1 Теоретическая модель 78
5.2 Результаты и обсуждения 81
Выводы 85
Список литературы 86
Приложение
- Пигмент - белковые комплексы светособирающей антенны пурпурных бактерий
- Теоретическое описание процессов переноса энергии в антенных комплексах
- Спектры оптического поглощения и кругового дихроизма светособирающих комплексов из rodopseudomonas acidophila, расчитанные на основе рентгеноструктурных данных
- Гипотеза о происхождении трёх полос в спектре поглощения комплекса lh2 нового типа (в800-830-850) из thiorhodospira sibirica
Введение к работе
Фотосинтез является важнейшим процессом преобразования солнечной энергии, происходящим в живой природе. Он присущ высшим растениям, сине-зелёным водорослям, цианобактериям и фотосинтезирующим бактериям [Priestley, 1772; Barnes, 1893; Wurmser, 1925; Van Niel, 1941; The Photosynthetic Bacteria, 1978.]. Фотосинтетический аппарат пурпурных бактерий уже много десятилетий является не только классическим объектом экспериментальных исследований, но и предметом пристального внимания физиков и химиков, интересующихся фундаментальными основами процессов преобразования световой энергии в биологических системах. Можно назвать, по крайней мере, две причины столь широкой популярности пурпурных бактерий. Во - первых, существование информации о пространственной структуре с точностью до атомных расстояний, и, во - вторых, в отличие от растений, наличие четкого спектрального разделения между отдельными группами пигментов.
Исторически сложилось, что фотосинтезирующие организмы подразделяют на два класса. Когда фотосинтез происходит на воздухе, то его называют кислородным фотосинтезом [Oxygenic Photosynthesis: The Light Reactions, 1996.]. В противном случае - бескислородным [Anoxygenic Photosynthetic Bacteria, 1995.]. У высших растений, и цианобактерий фотосинтез происходит с участием кислорода, который включает в себя процессы восстановления диоксида углерода и окисления воды. Некоторые фотосинтезирующие бактерии, например пурпурные, демонстрируют бескислородный фотосинтез, при котором в роли окислителя вместо воды (-ОН) используются другие молекулы. Однако, несмотря на все различия, основные принципы переноса энергии одинаковы для этих двух типов фотосинтеза [Van Niel, 1931, 1941; Stanier, 1961; Wraight, 1982; Gest, 1993]. Первичные процессы фотосинтеза включают в себя поглощение фотонов молекулами пигментов светособирающих комплексов (LH), образующих светособирающую антенну, перенос энергии от LH комплексов к реакционным центрам (РЦ) и разделение зарядов в РЦ [Sauer, 1975; Knox, 1977; Fleming, van Grondelle, 1994; Novoderezhkin, Razjivin, 1995; van Grondelle et al. 1994]. У бактерий светособирающие комплексы и РЦ представлены разными пигмент-белковыми комплексами (ПБК), а у растений и цианобактерий РЦ образуют единый ПБК с прицентровой частью светособирающей антенны [Kaplan, Arntzen, 1982; Zuber, Brunisholz, 1991]. Образующие фотосинтетический аппарат ПБК антенны и РЦ располагаются во внутренних клеточных мембранах в виде двумерных структур. Вспомогательные светособирающие комплексы зелёных бактерий (хлоросомы), цианобактерий и низших водорослей (фикобилисомы) могут располагаться вне мембраны вплотную к ней.
С помощью биохимических и спектроскопических методов исследования фотосинтезирующих бактерий были выявлены следующие структурные и физические принципы, лежащие в основе поглощения солнечной энергии: (1) Фотосинтетические мембраны бактерий содержат тысячи молекул пигментов - бактериохлорофиллов (БХл) и каротиноидов (Кар), которые нековалентно связываясь с белками, образуют высоко симметричные пигмент-белковые комплексы [Stoll, 1936; Smith, 1938; Rees, Clayton, 1968; Thornber et al. 1983; Zuber, 1986; Photosynthetic Light-Harvesting Systems, 1998.; Zuber, Brunisholz, 1991; Zuber, Cogdell, 1995]. Из всех пигментов только несколько находятся в реакционном центре, и непосредственно принимают участие в химических реакциях. Остальные, образуя светособирающие антенны, ответственны за поглощение энергии, и ее транспортировку к РЦ [Emerson, Arnold, 1932; Arnold, Kohn, 1934; Duysens, 1952, 1964]. Реакционный центр и связанные с ним по переносу энергии возбуждения светособирающие антенны условно называют фотосинтетической единицей (ФСЕ) [Mauzerall, Greenbaum, 1989; Francke, Amesz, 1995; Freiberg, 1995; Cogdell et al. 1996]. На самом деле, формирование пигментов в ФСЕ, в которых многочисленные антенны обслуживают РЦ, происходит у всех фотосинтезирующих организмов [Duysens,
7 1988; Grossman et al. 1995; Fromme, 1996; Gantt, 1996; Green, Durnford, 1996; Hankamer et al. 1997]. С их помощью они могут поглощать свет в широком спектральном диапазоне и используют солнечную энергию более эффективно, т.е. увеличивают вероятность захвата возбуждения реакционным центром. При ярком солнечном свете хлорофиллы поглощают с частотой порядка 10 Гц, а при тусклом - 0.1 Гц [Borisov, Godik, 1973]. Однако, химические реакции в РЦ происходят с частотой 1000 Гц. Таким образом, светособирающие комплексы, поставляя энергию реакционному центру, согласовывают работу РЦ с процессами переноса энергии.
У большинства пурпурных бактерий ФСЕ состоит из двух типов светособирающих комплексов В800-В850 (LH2) и В875 (LH1) с пиками поглощения in vivo 800нм, 850нм и 875нм соответственно [Thornber et al. 1983; Zuber, Brunisholz, 1991; Hawthornthwaite, Cogdell, 1991]. LH1 непосредственно окружает РЦ, a LH2 с ним не контактирует [Miller, 1982; Walz, Ghosh, 1997]. Для некоторых типов бактерий, например Rhodopseudomonas (Rps.) acidophila и Rhodospirillum (Rs.) molischianum strain DSM 120 [Germerroth et al. 1993] существует третий тип антенн В800-В830 (LH3).
Пурпурные бактерии поглощают видимый свет главным образом в области 500 нм благодаря каротиноидам и в области 800 нм благодаря молекулам бактериохлорофилла. Пигменты периферических комплексов LH2 поглощают в более коротковолновой области по сравнению с комплексами LH1. Такие особенности оптических свойств компонентов, входящих в состав ФСЕ, не случайны, так как они формируют энергетическую «воронку», которая обеспечивает миграцию энергии от LH2 к LH1 и на РЦ.
Опыты с временным разрешением показали, что процессы переноса энергии в ФСЕ происходят за короткие промежутки времени, в пределах пико и фемто секунд, и с очень большой эффективностью (95%) [Pullerits, Sundstrom, 1996; Fleming, van Grondelle, 1997]. Характерное время за которое возбуждение антенны достигает РЦ составляет меньше 100 пс.
Актуальность темы.
Существенный прогресс в понимании бактериального фотосинтеза достигнут в течение последних 15 лет благодаря одновременному развитию теоретических представлений о механизмах первичных процессов фотосинтеза и постановке экспериментов, направленных на выявление молекулярной структуры светособирающих комплексов. Определено расположение атомов в РЦ из Rps. viridis и Rb. sphaeroides, позднее были получены рентгеноструктурные данные для кристаллов LH2 комплексов из Rps. acidophila и Rs. molischianium. Для LH1 комплексов данных с атомным разрешением пока нет, однако, методами электронной микроскопии уже получены проекционные карты с разрешением 8.5А для комплексов из Rs. rubrum и Rps. viridis .
По мере накопления и обработки экспериментальных данных менялись представления не только о молекулярной структуре компонентов фотосинтетических мембран, но и о механизмах первичных процессов фотосинтеза. Достаточно продолжительное время миграция энергии рассчитывалась по теории Фёрстера [Forster, 1948, 1965], основу которой составляет приближение слабого взаимодействия между пигментами, что позволяло говорить о «перескоках» электронного возбуждения с одной молекулы на другую. Неожиданно плодотворным оказалось применение экситонной теории, достаточно детально разработанной для описания свойств кристаллических тел и, в частности, для полупроводников [Давыдов, 1968]. Адаптация математического аппарата позволила интерпретировать процессы фотосинтеза пурпурных бактерий как рождение экситонов в антенных комплексах, взаимодействие их между собой, фононами и белковым окружением [Novoderezhkin, Razjivin, 1995; Novoderezhkin et al. 1999]. Причём, приближение Фёрстера трактуется как частный случай локализованных экситонов. В результате, удалось получить адекватное описание экспериментов зондирования и накачки, и, самое главное, предсказать пространственное
9 расположение молекул бактериохлорофилла в виде кольцевых агрегатов, которые подтвердились результатами рентгеноструктурного анализа.
Цели и задачи исследования.
Основной проблемой, решению которой посвящена настоящая работа, является дальнейшая разработка адекватной спектрально-кинетической теории первичных процессов бактериального фотосинтеза на основе экситонных представлений.
В рамках этой общей проблемы в работе решались следующие задачи:
Разработка программного обеспечения, позволяющего рассчитывать оптические спектры для моделей светособирающих антенн, задаваемых с помощью графического редактора, а также на основе рентгеноструктурных данных, содержащихся в файлах специального формата (pdb) баз данных для белков.
Количественное описание на основе рентгеноструктурных данных спектров оптического поглощения и кругового дихроизма комплексов LH2 и LH3 из Rhodopseudomonas acidophila, получаемых при выращивании клеток на сильном и слабом свету.
Разработка модели структуры LH2 комплекса из Thiorhodospira sibirica, имеющего аномальный спектр поглощения (три полосы в длинноволновой области).
Описание изменений спектров поглощения светособирающих комплексов пурпурных бактерий под действием давления и температуры.
Новизна и практическая значимость работы.
Разработан пакет программного обеспечения, позволяющий рассчитывать оптические спектры для моделей светособирающих антенн, задаваемых с помощью графического редактора, а также на основе рентгеноструктурных данных.
Получено количественное описание спектров поглощения и КД в области Qy перехода комплексов LH2 и LH3 из Rps. acidophila. Определены критически важные параметры для моделирования различий оптических свойств этих комплексов. В частности, показана необходимость варьирования длины и величины момента перехода Qy полосы.
Предложена пространственная структура молекул бактериохлорофилла - комплекса LH2 из бактерии Thiorodospira sibirica, объясняющая происхождение трёх полос в длинноволновой области спектра поглощения (800-830-850).
Определены параметры моделирования измерений оптических спектров светособирающих комплексов пурпурных бактерий при изменении давления и температуры.
Апробация работы и публикации.
Материалы диссертации были представлены на Гордоновской исследовательской конференции по фотосинтезу «Биофизические аспекты фотосинтеза» (Бристоль, шт. Род Айленд, США, 2003), на Втором симпозиуме «Signals, Sensing and Plant Primary Metabolism» (Потсдам, Германия, 2003), a также на семинарах в НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского и на кафеде биофизики Биологического факультета МГУ.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 печатных работах, список которых приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования; трёх глав, в которых представлены полученные результаты и их обсуждение, заключения, выводов и списка цитированной литературы. Работа изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 233 наименований.
Пигмент - белковые комплексы светособирающей антенны пурпурных бактерий
Хлорофиллы фотосинтезирующих бактерий выполняют несколько важных функций в первичных фотофизических и фотохимических процессах фотосинтеза. Во-первых, это основные молекулы фотосинтетической мембраны, поглощающие свет; синглетные возбуждённые состояния, возникшие первоначально в других молекулах (например, в каротиноидах и линейных тетрапиролах), передаются на молекулы Хл за времена, измеряемые пикосекундами. Во вторых, большое число молекул хлорофиллов действует кооперативно и играет роль антенны в фотосинтетической мембране, перенося энергию синглетного возбуждения к реакционному центру, а энергию триплетных возбуждённых состояний на молекулы каротиноидов. В-третьих, между хлорофиллами и феофитинами происходит первичное разделение зарядов в реакционных центрах. Бактериохлорофилл относятся к группе циклических тетрапирольных природных пигментов, характерной особенностью которого является наличие центрального атома магния Mg [Sheer, 1991]. Наличие или отсутствие центрального атома существенным образом влияет на электронные и функциональные свойства пигментов. У содержащегося в реакционных центрах феофитина, участвующего в процессах переноса электрона, атом магния замещён двумя атомами водорода. В хромофорах пурпурных бактерий содержатся различные модификации БХл. БХл а является наиболее распространенным пигментом.
Он встречается у пурпурных, зелёных и бурых бактерий. БХл а отличается от хлорофилла а растений тем, что содержит в положении 2 первого пиррольного кольца ацетильную группу вместо винильной и восстановленное второе пиррольное кольцо. У некоторых видов его замещает БХл Ъ, который был впервые выделен из Rps. viridis, а позднее обнаружен у Rp. sulfoviridis, у некоторых видов Ectothiorhodospira, у Thiocapsa pfennigii, и других несерных пурпурных бактерий. БХл а отличается от БХл Ъ тем, что содержит во втором пирольном кольце этильную группу вместо этилиденильной. [Sheer, 1991] БХл в клетках нековалентно связан с белками и легко экстрагируется полярными растворителями. В таблице приведены длины волн для пиков поглощения различных модификаций хлорофиллов и бактериохлорофиллов, а также соответствующих им феофетинам в растворе метанола. In vivo поглощение БХл а смещается в красную область спектра в зависимости от типа комплекса. У большинства видов пурпурных бактерий одновременно со сдвигом появляется несколько пиков, чётко видимых на спектре поглощения, которые принадлежат отдельным пигмент-белковым комплексам и по соотношению полос поглощения в области 800-900 нм можно идентифицировать и оценивать нативность этих комплексов.
Кроме БХл, во внутриклеточной мембране пурпурных бактерий содержится ещё один тип пигментов — каротиноиды, которых идентифицировано у различных видов бактерий более 50. Протяжённая система сопряжённых двойных связей в молекулах этих пигментов образует хромофорную структуру, ответственную за поглощение каротиноидами в видимой части спектра (450-570 нм). С увеличением длины хромафора наблюдается длинноволновый сдвиг максимумов поглощения в спектрах каротиноидов (батохромный эффект), который, например, происходит в ряду ациклических каротиноидов: фитоин, фитофлуин, 4_каР0ТИН» нейроспорин и ликопин [Бриттон, 1986]. Каротиноиды относятся к классу липидов, поэтому легко растворяются в органических полярных растворителях и имеют типичный трёхпиковый спектр поглощения. На положение максимумов большое влияние оказывает тип используемого растворителя. В ароматических и галогенированных растворителях максимумы поглощения каротиноидов сдвигаются в длинноволновую сторону, по сравнению с аналогичным спектров в петролейном эфире, гексане и этаноле [Бриттон, 1986]. In vivo каротиноиды находятся в ассоциации с белками. Это приводит к длинноволновому сдвигу максимумов поглощения в каротиноидной части спектра на 10 нм, по сравнению с таковым в органических растворителях [Britton, 1995]. Большинство видов пурпурных бактерий Rhodospirillaceae и Chromatiaceae характеризуются присутствием ациклических каротиноидов спириллоксантинового ряда: ликопин, родопин, ангидрородовибрин, родовибрин и т.д. Некоторые каротиноиды присутствуют только в определённых видах или физиологических группах пурпурных бактерий. Например, сфероиден и промежуточные продукты этого типа обнаружены только в трёх видах Rhodopseudomonas: Rps. sphaeroides, Rps. gelatinosa и Rps. capsulata. Присутствие родопина и каротиноидов этой серии ограниченно несколькими штаммами анаэробных видов Chromatiaceae (Rsp. tenue, Re. purpureus и Rps. acidophild). Ароматический каротеноид окенон обнаружен только в нескольких видах бактерий сем. Chromrtiaceae: С. okenil, С. weissi, С. purpuratum BN5500, С. minus и Thiokapsa штамм 5811 [Schmidt, 1977; Cogdell et al. 1990; Caumette et al. 1985]; все эти бактерии относятся к третьей малоизученной группе бактерий, у которых обнаружены необычные характеристики длинноволновых полос поглощения. Замечателен тот факт, что все светособирающие комплексы пурпурных бактерий демонстрируют одинаковую архитектуру. Основной формирующей единицей является гетеродимер, состоящий из двух коротких пептидов, называемых а-апопротеин и Р-апопротеин. Эти гетеродимеры, образуя кольцевые структуры, нековалентно связывают бактериохлорофиллы и каротиноиды.
Теоретическое описание процессов переноса энергии в антенных комплексах
Теория делокализованных электронных состояний базируется на оригинальной концепции Френкеля [Frenkel J. 1936], которая в дальнейшем была разработана в работах Давыдова. Первые убедительные экспериментальные исследования экситонов выполнены в работах МакКлюра [McClure D.S. 1955], Крейга, Прихотько [Пирхотько А.С. 1949]. Рассмотрим общие положения. Экситоны Френкеля - экситоны «малого радиуса» - вводятся для описания элементарных коллективных электронных возбуждений молекулярных кристаллов, состоящих из слабо взаимодействующих молекул. В этом случае в первом приближении каждому элементарному коллективному возбуждению кристалла - экситону - можно сопоставить электронное возбуждение свободной молекулы. Основными базисными функциями являются волновые функции стационарных состояний молекул. Из базисных молекулярных функций образуются многоэлектронные волновые функции, определяющие основное и возбуждённое состояния всего кристалла в целом. Экситоны Френкеля часто называют молекулярными экситонами. Экситонные состояния в твёрдом теле не являются стационарными. Энергия возбуждения излучается или переходит в тепловую энергию. В некоторых случаях излучается часть энергии возбуждения, а остальная часть переходит в тепловую энергию, т.е. перераспределяется по многим степеням свободы с малыми частотами, соответствующим колебаниям молекул около равновесных положений. Чтобы упростить расчёты на первом этапе обычно пренебрегают взаимодействием возбуждений с колебаниями молекул, полагая, что молекулы жёстко закреплены в своих равновесных положениях. В основном и возбуждённых состояниях при энергии возбуждения, меньшей энергии ионизации, волновые функции соседних молекул перекрываются слабо.
Поэтому, когда речь идёт о малых электронных возбуждениях, перекрывание функций не учитывают. В таких молекулах переходы в первые электронные возбуждённые состояния соответствуют изменениям движения л-электронов атомов углерода молекулы На периферии молекулы располагаются атомы водорода, которые удерживаются в молекуле о-связями. Первые электронные переходы в таких молекулах происходят между состояниями, в которых пространственные распределение плотностей д-электронов мало различаются, л-электроны ароматических молекул в некотором смысле напоминают электроны 4оболочек в атомах редкоземельных элементов.
Пусть #„ - оператор энергии молекулы, занимающей узел л, a Vnm - оператор энергии взаимодействия двух молекул. Тогда полный оператор энергии системы, состоящей из N молекул, имеет вид: В нулевом приближении система (1.1) рассматривается без взаимодействия. Пусть операторы энергии молекул Н„ имеют набор собственных функций фп, соответствующих собственным значениям энергии W. Основное состояние кристалла с оператором энергии Н0= Н„ имеет л энергию Nw и описывается волновой функцией: Возбуждённые состояния системы взаимодействующих молекул, соответствующие возбуждению одной молекулы, имеют энергию: где есть матричный элемент, определяющий переход возбуждения с молекулы п на молекулу т. ЭТИ состояния N-кратно вырожденны, так как любая из N молекул может находиться в возбуждённом состоянии. Если возбужденна молекула /, то соответствующая функция имеет вид: Функции (1.2) и (1.5) должны быть антисимметризованными по всем электронам.
Такая антисимметризация приведёт к дополнительным энергетическим членам, содержащем интегралы перекрытия волновых функций соседних молекул. Для бактериохлорофиллов эти члены малы и обычно не учитываются. Итак, невырожденному возбуждённому состоянию свободной молекулы соответствуют N различных возбуждённых состояний. При больших значениях N, энергия возбуждения образует квазинепрерывную полосу состояний системы, состоящую из N подуровней. Такие элементарные возбуждения были впервые рассмотрены Френкелем и получили названия экситонов. Волновая функция, описывающая экситон является линейной комбинацией функций (1.5). Коэффициенты си и энергия Wk получаются из решения задачи на собственные значения (ф \н\Фк) = 1к5ік. В первом приближении теории возмущений достаточно вычислить средние значения оператора (1.1) в состояниях j и к. Помимо собственных значений энергии возбуждения отдельных молекул, общая энергия системы будет зависеть от матричных элементов, отражающих характер взаимодействия между молекулами: Кп определяет среднее значение кулоновской энергии взаимодействия электронов без учёта корреляции движения электронов, обусловленной симметрией функций. Umn - определяет часть кулоновского взаимодействия, существенно связанную с корреляцией движений обоих электронов. Добавку к энергии, обусловленную Umn, обычно называют обменной энергией. Стационарные состояния системы молекул характеризуются дискретными наборами физических величин, которые имеют определённые значения в этих состояниях. В твёрдых телах из-за наличия трансляционной симметрии одной из величин, характеризующей стационарные состояния, является вещественный волновой вектор к (или квазиимпульс М). Для линейных или кольцевых молекулярных агрегатов волновые вектора принимают все возможные значения, удовлетворяющие неравенству - л к л, а волновая функция имеет вид: Связь микроскопических свойств пигментов антенны с макроскопическими обеспечивается распределением дипольных сил экситонных состояний. Дипольная сила пропорциональна квадрату моменту перехода в конкретное состояние. Момент перехода, соответствующий экситонному состоянию п) имеет вид: Вычисление моментов перехода по формуле (1.8) для агрегатов молекул БХл обладающих N — кратной кольцевой симметрией, а также диполями, лежащими в одной плоскости, показывает, что только энергетически вырожденная пара экситонных состояний 2) и 3) имеет ненулевые дипольные силы. Результат, очевидным образом, отражает правило суммы, по которому сумма дипольных сил компонент экситонного спектра в точности равна сумме дипольных сил отдельных молекул. Распределение результирующей дипольной силы имеет важное значение. При возбуждении системы, например кольца В850, после тепловой релаксации, энергия будет накапливаться на нижайшем оптически запрещённом уровне l)
Спектры оптического поглощения и кругового дихроизма светособирающих комплексов из rodopseudomonas acidophila, расчитанные на основе рентгеноструктурных данных
Соотношение между геометрической структурой периферической антенны и ее электронными свойствами не являются однозначным. Не существует прямой зависимости спектральных свойств антенны от расположения пигментов. Несмотря на то, что координаты атомов молекул, образующих комплексы LH2 и LH3, известны с точностью, достаточной для определения взаимного пространственного расположения и ориентации молекул БХл, для адекватного моделирования спектров поглощения и КД необходимы дополнительные предположения относительно значений энергий возбуждения, направления и величины диполей, неоднородного и однородного уширения.
При численном моделировании спектров, прежде всего, анализируют пространственном расположении молекул бактериохлорофиллов относительно друг друга. В данном случае мы пользуемся рентгеноструктурными данными для LH2 и LH3 комплексов из Rps. acidophila. Атомы магния выбираются в качестве центров пигментов. Положение вектора момента перехода Qy строго параллельное NB-ND направлению, принимается как начальное.
В литературе нет единства мнений относительно значений расчетных параметров для LH2 и LH3 комплексов. Например, энергию взаимодействия между ближайшими пигментами для кольца В850 принимают в пределах 200-800 см 1 [Chachisvilis М, 1997]. Мы придерживались следующей процедуры выбора значения энергии перехода в возбужденное состояние молекулы Бхл и энергии взаимодействия между пигментами. Так как положение полос В800 и В850 является следствием сильного экситонного взаимодействия в кольце В850, то прикидочное значение е (SQ— Si) берётся таким, чтобы положение пика В800, вычисленное без кольца В850 совпадало с экспериментальными данными для В800 в комплексе LH2. При этом неоднородное и однородное уширения не учитываются. Далее производится грубая подбора для значений энергии взаимодействия. Энергия взаимодействия вычисляется в диполь — дипольном приближении:
Величина в квадратных скобках называется ориентационным фактором, v — определяет интенсивность взаимодействия, е — относительная диэлектрическая константа, используемая для примитивного описания влияния белкового окружения. Использование этой константы даёт возможность получить хорошую подгонку экспериментальных данных, избегая применения сложных квантово химических расчётных методов, v вычисляется для случая парного взаимодействия, когда из эксперимента известна величина энергии взаимодействия между молекулами бактериохлорофиллов.
Выбор величин однородного и неоднородного уширений производится с учётом энергии взаимодействия между пигментами. При этом отношение L = A/V является определяющим. Если L 1, то в такой системе дипольная сила будет распределяться практически по всем экситонным состояниям. После диагонализации гамильтониана мы получаем энергетический спектр системы. Применение метода Монте-Карло моделирует статистику неоднородного уширения. Для этого на каждой итерации к диагональным элементам гамильтониана добавляется случайная величина, полученная с помощью генератора нормального распределения. Однородное уширение является суперпозицией энергетического спектра системы и функции, описывающей характер взаимодействия экситонов с фононами.
Каждому экситонному состоянию кольца \к) соответствуют дипольный момент перехода ц,и магнитный момент тк, которые имеют ненулевые значения только для к = 0,±1. Моменты перехода дают результирующий спектр поглощения. Каждая линия пропорциональна /л]. Спектр КД зависит от магнитного момента тк - в данном случае интенсивности экситонных уровней пропорциональны рктк. На рис. 3.1-3.4 приведены экспериментальные спектры поглощения и КД комплексов LH2 и LH3 из Rps. acidophila, полученные при 77К, и теоретические спектры, рассчитанные с помощью программы "ExcInAnt". Численные значения параметров, использованные при расчетах спектров, представлены в Табл. 1. Видно, что теоретические спектры достаточно хорошо аппроксимируют экспериментальные спектры в центральной части полос. Коротковолновые и длинноволновые крылья полос экспериментальных спектров описываются несколько хуже.
Энергия перехода є (So- Sj) принималась одинаковой для всех молекул БХл комплекса (то есть как для молекул спектральной формы В 800, так и формы В850 или В820). Следует отметить, что значения є для LH2 и LH3 почти не различались (спектральный сдвиг 30 см"1 или около 2 нм). По-видимому, в расчетах можно принимать одно значение є для всех молекул БХл всех комплексов из одного вида бактерий. В данной работе это не было сделано потому, что в экспериментальном спектре полоса В800 имеет выраженную несимметричную форму. При выборе одиной Б для всех комплексов пик полосы В800 комплекса LH2 оказывается сдвинутым примерно на 2 нм.
Три других задаваемых параметра (Д1, А2, и Г) принимались одинаковыми для полос комплексов обоих типов потому, что они характеризуют температурно-зависимые свойства окружающей хромофоры среды. Перечисленные выше четыре параметра теории являются определяющими для спектров оптического поглощения комплексов. Разумеется, эти параметры влияют и на спектры КД комплексов. Однако для описания спектров КД необходимо рассмотрение дополнительных переменных.
Гипотеза о происхождении трёх полос в спектре поглощения комплекса lh2 нового типа (в800-830-850) из thiorhodospira sibirica
Для удобства исследования и интерпретации результатов, непосредственно относящихся к бактерии Trs. sibirica, гамильтониан системы представим в виде блочной матрицы 3x3: диагональными элементами являются матрицы размерности NtxNit N7xN2 и N3xN3, соответственно. Они описывают свойства трёх структурных единиц светособирающего комплекса LH2 Trs. sibirica: колец из молекул БХл800, БХл850аиБХл850р. где Аьш, АШОа и AbiiQ/} - неоднородное уширение. Недиагональными элементами гамильтониана И являются матрицы Jtj, i,j = аг,/7,800,850, характеризующие взаимодействия между молекулами БХл800, БХл850а и БХл850(3. Nx = N2=Ni = n, где и- кратность симметрии антенны.
Предполагается, что спектр поглощения есть усреднение по всем возможным ориентациям единичного вектора е линейно поляризованного электромагнитного поля падающего света. Тогда интенсивность поглощения вычисляется как:
Применение метода Монте-Карло при вычислении спектров поглощения и КД позволяет моделировать статистику неоднородного уширения. Для этого на каждой итерации значения величин {&ыоо \иоа Амьор} выбираются генератором нормального распределения. Далее решается задача нахождения собственных значений для матрицы гамильтониана (4.1): Н(р„ = Еп рп. Варьируемыми параметрами является энергия возбуждённого состояния ha0, направления моментов перехода //„, количество пигментов в антенне и расположение колец относительно друг друга. Полученный набор функций At{co) и CDt(uy) усредняется по большому количеству испытаний п1еш «103.
Спектры оптического поглощения комплексов LH2, выделенных ранее из ряда пурпурных бактерий, имеют в области Qy-перехода БХл две полосы (при 800 и 850 нм). Полоса при 850 нм обусловлена тем, что энергия взаимодействия между молекулами БХл850 существенно больше, чем энергия взаимодействия молекул БХл800 между собой и молекул Бхл800 и БХл850. В силу чего, полоса поглощения молекул БХл850 сдвинута в длинноволновую область на 50 нм по сравнению с полосой слабовзаимодействующих молекул БХл800. В контексте известных структур LH2 комплексов трёхгорбый спектр поглощения LH2 комплекса из Trs. sibirica является совершенно необычным и требует особого рассмотрения.
Биохимические доказательства того, что изучаемый препарат комплекса LH2 из Trs. sibirica не является смесью комплексов В800-830 и В800-850, представлены и подробно обсуждаются в [Москаленко А.А., 2002]. Там же показано, что комплекс В800-830-850, выделенный из клеток Trs. sibirica, по своим биохимическим свойствам соответствуют периферическому комплексу LH2, обычно выделяемому из клеток других бактерий. На этом основании мы предположили, что в общих чертах структура комплекса LH2 из Trs. sibirica не отличается от таковой у LH2 из Rps. acidophila и Rh. molischianum.
Расстояние между молекулами БХл800 в комплексе LH2 составляет примерно 20 А. Соответственно, взаимодействие между молекулами БХл800 достаточно мало ( 20-50 см"1). Изменение направления момента перехода молекул БХл800 не приводит к сколько-нибудь существенному изменению взаимодействия. Поэтому полоса поглощения молекул БХл800, рассматриваемая отдельно от полосы В850, может смещаться в очень ограниченном спектральном диапазоне вблизи 800 нм (3-5 нм).
В свою очередь, если кольцо В850 рассматривать отдельно от кольца В800, то в случае одинаковой энергии возбуждения у всех молекул БХл850 и одинакового расположения моментов перехода относительно оси, проходящей через центр кольца, полоса поглощения В850 не может расщепиться. Если молекулы БХл850 группируются в димеры, причем направления моментов перехода ориентированы таким образом, что взаимодействие близко к нулю, то эти две подгруппы молекул БХл850 будут давать две полосы поглощения.
