Введение к работе
Актуальность темы. Хлорофилл и его безметалльный аналог
феофитин играют ключевую роль в первичных процессах фотосинтеза у высших растений и бактерий [1]. Установлено, что ассоциаты хлорофилла в антенных комплексах служат для улавливания световой энергии и передачи ее в форме электронного возбуждения в фотореакционные центры (ФРЦ).
В реакционных центрах феофитин и хлорофилл выступают в качестве акцептора и донора электрона. Значительный прогресс в исследовании механизмов функционирования реакционных центров фотосинтеза был достигнут после расшифровки пространственной структуры ФРЦ и антенных комплексов. Это позволило построить детальные модели первичных стадий переноса электрона и миграции энергии электронного возбуждения. Наряду с этим возник ряд новых фундаментальных проблем: объяснение безактивационного характера первичных стадий разделения зарядов и предотвращения обратных процессов рекомбинации в ФРЦ, идентификация каналов деградации избыточной энергии у промежуточных переносчиков электрона, исследование механизма сопряжения транспорта электронов с переносом протонов.
Колебательная спектроскопия ИК, РКР, а также тонкоструктурные спектры поглощения и флуоресценции дают богатую информацию как о внутримолекулярных взаимодействиях хромофоров [2], так и о взаимодействиях простетических групп с белковой матрицей. Поэтому детальная теоретическая интерпретация колебательных спектров хлорофилла и других переносчиков электрона в ФРЦ представляет значительный интерес.
Квантово-механические расчеты структуры и колебательных спектров реалистических моделей хлорофиллов в литературе отсутствуют, что объясняется относительно большими размерами молекул, приводящими к высокой плотности колебательных состояний, и нетривиальностью решения колебательной задачи в естественных координатах для хлорофиллидного макроцикла.
Наряду с процессами переноса электрона в ФРЦ происходит восстановление вторичного хинона (убихинон, пластохинон). Методами генной инженерии и рентгеноструктурного анализа были выяснены аминокислотные остатки, отвечающие за перенос протона из окружающей среды к хинону. Эти остатки формируют своеобразный протонный канал в тяжелой субъединице ФРЦ. Подобные протонные каналы обнаружены во многих энергообразующих белках, например, в бактериородопсине и АТФ-синтетазе. Принципы функционирования протонных каналов неясны, поэтому их исследование вызывает значительный интерес и имеет фундаментальное значение для понимания механизмов запасания энергии в живых организмах.
Для исследования электронного транспорта при фотосинтезе и сопряженного с ним протонного переноса на молекулярном уровне необходимы точные данные о структуре и физико-химических свойствах доноров и акцепторов электрона и протона. Многие параметры (геометрия, потенциал ионизации, сродство к протону, дипольный момент, поляризуемость) могут быть получены из квантово-механических расчетов на различных уровнях приближения.
Цель работы. Основной целью диссертационной работы является интерпретация и классификация колебаний молекулы природного хлорофилла в основном состоянии на основании квантово-механических расчетов силового поля методом функционала плотности (DFT/B3LYP), а также изучение механизма протонирования вторичного хинона в первичных процессах фотосинтеза.
В задачу исследования входит:
проведение квантово-механических расчетов методом функционала плотности B3LYP колебательных спектров и электронной структуры модельных соединений хлорофилла (порфина, металлопорфинов, хлорина, металлохлоринов, бактериохлорина, Mg-пиррофеофорбида, этилхлорофил-лида (а));
соотнесение форм нормальных колебаний для вышеперечисленных молекул и интерпретация их колебательных спектров;
проведение квантовомеханических расчетов методом функционала плотности B3LYP сечений потенциальной энергии для переноса протона в модельном комплексе с водородной связью пластохинон - гистидин в трех зарядовых состояниях.
Научная новизна результатов:
1. На основании квантово-механических расчетов выполнено полное
соотнесение форм колебаний модельных соединений хлорофилла и дана
интерпретация нормальных колебаний этих соединений в терминах
колебаний их структурных элементов.
2. Выполнены квантово-механические расчеты силового поля и
интенсивностей в спектрах ИК этилхлорофиллида (а).
-
Дана интерпретация экспериментального спектра РКР хлорофилла (а), зарегистрированного при возбуждении в полосу Соре.
-
С использованием квантовомеханических расчетов показано, что гистидин является первичным донором протонов при протонировании молекулы вторичного хинона.
Научно-практическая ценность работы. Силовые поля порфина и его металлокомплексов, полученные при помощи квантово-механического расчета методом функционала плотности, могут быть использованы для интерпретации колебательных и вибронных спектров замещенных порфина сложного строения и классификации их колебаний в терминах колебаний наиболее симметричного представителя гомологического ряда.
Колебательные частоты и структурные параметры этилхлорофиллида (а) находят применение при фундаментальных исследованиях механизма разделения и переноса зарядов в реакционных центрах фотосинтеза под действием света.
Характеристики комплекса с водородной связью - замещенный хинон-гистидин, полученные в диссертации, необходимы для исследования механизма переноса протонов в протонных каналах энергопреобразующих белков в живых организмах и, в частности, при изучении сопряжения электронного транспорта с транспортом протонов в реакционных центрах фотосинтеза.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием обоснованных физических моделей и методов расчета, а также качественным и количественным согласием теоретических данных, полученных в настоящей работе, с известными экспериментальными данными и независимыми исследованиями других авторов в пределах точности используемых приближений.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Потенциальные кривые переноса протона в комплексе с водородной
связью хинон-гистидин, рассчитанные методом функционала плотности
DFT/B3LYP/6-31G(d), качественно объясняют поведение вторичного
хинона как двухэлектронного затвора в реакционных центрах фотосинтеза.
-
Существует однозначное соответствие между колебаниями Mg-порфина и колебаниями свободного основания порфина, хлорина, Mg-хлорина и Mg-пиррофеофорбида, что позволяет отделить кольцевые колебания макроцикла хлорофилла от колебаний заместителей и интерпретировать кольцевые колебания в терминах нормальных колебаний наиболее симметричного представителя гомологического ряда - Mg-порфина.
-
Образование комплексов Mg-порфин-имидазол и Mg-хлорин-имидазол приводит к сдвигу трех частот валентных колебаний связей Mg-N и слабо влияет на частоты имидазольного кольца и тетрапиррольного макроцикла.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях:
Региональная конференция Молодежь и наука на пороге 21 века, Саратов, 1998;
8th European Conference of Biological Molecules, The Netherlands, Twente, 1999;
Международная молодежная научная школа по оптике, лазерной физике и биофизике, Россия, Саратов, 1999,2000,2001, 2002,2003,2004;
XI Симпозиум по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, Саратов, 2002;
- The 2nd International Conference on Advanced Vibration Spectroscopy (ICAVS-2), University ofNottingham, UK, 2003.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 статей в рецензируемых отечественных журналах.
Личный вклад диссертанта. Все основные результаты, на которых базируется диссертация, получены лично автором. В большинстве работ, которые написаны в соавторстве, диссертанту принадлежит участие в постановке задач и интерпретации результатов. Программы для преобразования квантовомеханических силовых полей в естественные координаты и масштабирования силовых постоянных были предоставлены к.ф.-м.н. БерезинымК.В.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит перечня условных обозначений, из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка использованной литературы (128 наименований), содержит 34 рисунка, 16 таблиц и изложена на 186 страницах машинописного текста.
