Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экситонные модели первичных процессов бактериального фотосинтеза

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Экситонные модели первичных процессов бактериального фотосинтеза"

РГ6 од - О ОПТ 1936

На правах рукописи УДК 577.345; 577.355; 577.377

НОВОДЕРЕЖКИН ВЛАДИМИР ИППОЛИТОВИЧ

ЭКСИТОННЫЕ МОДЕЛИ ПЕРВИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ БАКТЕРИАЛЬНОГО ФОТОСИНТЕЗА

03.00.02 - биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова и I Научно-исследовательском центре по технологическим лазерам РАН

Официальные оппонента:

Доктор биологических наук, член-корреспондент РАН Шувалов В.А. Доктор физико-математических наук, профессор Пащенко В.З. Доктор физико-математических наук, профессор Чернавский Д.С.

Ведущая организация:

Институт биохимии им. А.Н.Баха РАН

О у -

Защита состоится " ¿^/«^¿уУ 1996 года в ' часов на заселении Специализированного Совета Д.053.05.53 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при МГУ 'им. М.В. Ломоносова по адресу: П9899 Москва, Воробьевы горы, Биологический факультет МГУ

Диссертация разослана

Ученый секретарь Специализированного Совета, / доктор биологических наук, профессор

КРЕНДЕЛЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Фотосинтез является глобальным биологическим процессом, ответственным за преобразование солнечной энергии -в энергию химических связей и синтез органических соединений. Естественный фотосинтез может рассматриваться как прообраз технических преобразователей солнечной энергии, альтернативных полупроводниковым солнечным батареям. Исследования физико-химических принципов и структурной организации фотосинтетического аппарата, определяющие его высокую эффективность, представляют несомненный фундаментальный и практический интерес.

В ходе первичных стадий фотосинтеза происходит поглощение кванта света молекулами (боктерио )хлоро<Еилла и перенос энергии электронного возбуждения на реакционные центры, где она йреобра-зуется в химическую. Высокая эффективность преобразовайия энергии в природном фотосинтезе определяется структурой агрегированных форм молекул хлорофилла в сбетособираювдх комплексах и их оптимальным сопряжением с реакционным центром (РЦ).

До сих пор не существовало адекватной и общепринятой теории, описывающей динамику возбуждений в светособирапцей антенне и их перенос на РЦ. в традиционных моделях процессы переноса энергии описываются как миграция локализованных возбуждений. Однако в последнее время появляется все больше экспериментальных, данных, не совместимых с такими представлениями.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является развитие новой концепции переноса и захвата энергии возбуждения при фотосинтезе. Физической основой этой концепции является представление о делокализованных экситонах в больших высоко упорядоченных агрегатах светособирающих пигментов. Решались следующие задачи:

1. Поиск пространственных моделей для агрегированных форм молекул бактериохлорскХилла (БХл) в антенне фотосинтезирупцих бактерий, позволяющих объяснить известные спектральные данные на основе экситонной теории.

2. Создание теории переноса энергии для предложенных моделей бактериальных антенн на базе представлений о миграции делокализо-ванных экситонов между антенными субъединицами.

3. Разработка экспериментальных методик для прямого доказа-

з

тельства делокализации экситона и экспериментальная проверка предложенных моделей.

Научная новизна и практическая ценность работы. Предложена модель делокализованного экситона в кольцевом агрегате молекул БХл, позволяющая объяснить структуру стационарных и пикосекундных спектров поглощения и спектров выжигания провала для антенны пурпурных бактерий. Модель позволила непротиворечиво интерпретировать ряд особенностей этих спектров, не объяснимых в рамках традиционной _ модели локализованных возбувдений.

Разработана уникальная методика для прямого определения эффективного радиуса делокализации экситона с помощью нелинейной спектроскопии возбуждения и зондирования, и выполнены эксперименты, доказывающие делокализации экситона по всем молекулам прицен-тровой антенны для ряда пурпурных бактерий.

Разработана теория переноса энергии мевду кластерами из сильно взаимодействующих молекул, и рассчитаны кинетические зависимости для переноса энергии от антенны к РЦ у пурпурных бактерий в рамках модели кольцевого экситона.

Рассчитаны углы ориентации молекул БХл в кольцевом агрегате, оптимальные с точки зрения переноса энергии на РЦ. Наличие высокосимметричной кольцевой структуры и предсказанные ориентации молекул БХл были впоследствии подтверждены рентгеноструктурныыи данными.

Создана теория экситон-фононных взаимодействий для кольцевых агрегатов, и рассчитаны спектры выжигания провала в антенне пурпурных бактерий при произвольной величине экситон-фононной связи. Исследованы изменения формы спектров поглощения и спектров провала при переходе от предела свободного экситона к случаю автолокализованного экситона.

Разработана экситонная теория спектров кольцевого агрегата с учетом спектральной неоднородности молекул и отклонений от симметричного расположения молекул на кольце. Рассчитаны спектры антенны для экспериментальных значений спектрального беспорядка и для расположения молекул, соответствующего рентгеноструктурным данным.

Предложена новая модель делокализованного экситона в цилиндрическом агрегате молекул БХл в хлоросомах зеленых бактерий. В

основу модели положены уникальные данные о линиях электронных переходов в'спектре выжигания провала, противоречащие ранее предлагавшимся моделям хлоросомальной антенны.

Создана теория экситон-фононных взаимодействий и теория спектров выжигания провала для ассоциатов из линейных цепочек молекул в пределе слабой экситон-фононной связи (включая случаи изолированной цепочки и цилиндрического ассоциата с плотной упаковкой линейных цепочек).

Для предложенной модели цилиндрического экситона разработана теория переноса энергии в хлоросомах зеленых бактерий. Впервые теоретически и экспериментально исследована зависимость пикосе-кундных кинетик затухания флуоресценции светособиравдего БХл от размера хлоросомы.

Проведенный цикл теоретических и экспериментальных исследований важен для понимания физических принципов переноса энергии и принципов структурной организации светособиравдих систем, обусловливающих высокую эффективность естественного фотосинтеза и целесообразных с точки зрения их реализации в искусственных системах .

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на 17-ой Международной Конференции "Применение лазеров в науках о жизни" (Юваскюла, Финляндия, 1992), на Международной школе по биоэнергетике (Саутсгемптон, Англия, 1992), на у-ой Международной Конференции "Применение лазеров в науках о жизни" (Минск, Беларусь, 1994), на Рабочем Симпозиуме Европейского Научного Фонда по све-тособиравдим системам (Нант, Франция, 1995), на х~ом Международном Конгрессе по фотосинтезу (Монпелье, Франция, 1995), а также на семинарах НИИ Физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского МГУ и кафедры биофизики биологического факультета МГУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, указана научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения о ее апробации.

Глава I. Модель делокализованного экситона в кольцевых агрегатах и пикосекундные дифференциальные спектры поглощения светособираю-щих комплексов пурпурных бактерий.

В Главе I дан обзор моделей, описывающих динамику возбуаде-ний в светособиращей антенне фотосинтезирупцих пурпурных бактерий.

Во всех предложенных ранее моделях описание динамики возбуждений базируется на представлениях о переносе локализованных возбуждений (например, локализованных на слабо связанных димерах

БХЛ) [Borisov et al., 1982; Razjlvin et el., 1982; Pullerits and Freiberg, 1991; Visschers et al., 1993; Somsen et al., 1993;Pul-lerits et al., 1994; van Grondelle et al., 1992; 1994). При ЭТОМ

кинетики флуоресценции и наведенного поглощения объясняются миграцией таких локализованных возбуждений в спектрально и/или Пространственно разупорядочешшх антеннах [van Grondelle et al., 1992; Pullerits et al., 1994).

Однако эти представления не способны объяснить ряд экспериментальных данных, таких как форма пикосекундных дифференциальных спектров, аномально высокие величины фотоиндуцированных изменений поглощения, спектры выжигания провала, кинетики переноса и захвата энергии в РЦ.

Поиск моделей, способных объяснить все перечисленные, данные, привел нас к отказу от модели локализованных возбуждений, предполагающих димерную структуру антенны . и ее пространственную раз-упорядоченность. В качестве альтернативы нами была предложена модель делбкализованных возбуждений в антенных структурах кольцевого типа с высокой степенью симметрии [Новодережкин и Разживин,

1992; Novoderezhkin, 1992; 1995; Novoderezhkin and Razjlvin, 1993; 1994; 1995; Danielius et al., 1994; Dracheva et al., 1995).

В нашей модели антенна состоит из n идентичных молекул БХл, расположенных в виде идеального кольца с сн-симметрией. Для прицен-тровой антенны N=24.

, Модель кольцевого агрегате из ы молекул показана на рис.18. Дипольные моменты аг* длинноволновых о?- переходов для светособи-раодих молекул БХЛ образуют малый угол Ф с плоскостью кольца и угол Ф с касвтельноцй к окружности. Дшюльный момент перехода шшнего уровня спецпары РЦ ориентирован под углами и

Сама спецпара расположена в центре на оси симметрии кольца.

Экситонные взаимодействия в агрегате из n молекул приводят к расщеплению первого синглетного уровня на N уровней с энергиями Е"йЕ+2Мсов(2nk/N), ^ где ЛЕ - энергия электронного возбуждения мономера БХл, м - энергия взаимодействия ближайших молекул агрегата, к - азимутальное волновое число, принимающее N значений о, ±1, ±2... . ,

Для спектрально однородного агрегата лишь два нижних экси-тонных уровня k-о и k-±i (соответствующих поглощению линейно и циркулярно поляризованного света) являются дипольно разрешенными. Это объясняет наличие в спектрах поглощения двух спектральных компонентов с разной степенью анизотропии (Borisov et ai., 1982; Razjivin et al., 1982; «-Bergstrom et al. , 1988).

Дифференциальный спектр поглощения для кольцевого агрегата имеет отрицательную ветвь в длинноволновой области обусловленную насыщением переходов между основным и возбужденным состоянием и широкую положительную ветвь в коротковолновой области обусловленную поглощением из возбужденного состояния. Именно такая форма спектров наблюдается в пикосекундных экспериментах с возбуждением И зондированием [Borisov et al., 1982; Razjivin et al., 1982; Nuijs et al., 1985; Danlelius et al., 1989).

Детальные расчеты дифференциальных спектров в рамках кольцевой МОДеЛИ [Novoderezhkin and Razjivin, 1993; 1995; Danielius et ai., 1994] позволяют объяснить кинетики деполяризации наведенного поглощения наблюдавшиеся в пикосекундных экспериментах [Sundstrom

et al., 1986; van Grondelle et al., 1987; Bergstrom et al., 1988;

Hunter et ai., 1990]. В частности, субпикосекундная деполяризации наведенного поглощения в коротковолновой области обусловлена де-фазировкой состояний k=i и -1, а долгоживущая высокая степень анизотропии наведенного поглощения в длинноволновой области объясняется большим временем жизни нижнего уровня к«о.

БЫли также рассчитаны дифференциальные спектры для случая высокой интенсивности возбуждающего импульса, когда каждый агрегат поглощает более одного кванта. В этом случае надо учитывать переходы не только с уровней |к>, но и с более высоких возбужденных уровней, например, переходы с уровней |*,к2> на уровни |к> (вынужденное излучение двуэкситонных состояний) и на уровни |k'к''к''■> (вынужденное поглощение двуэкситонных состояний).

Рис.1. Расположение пигментов в светособирающей антенне пурпурных бактерий, (а) Модель антенны в виде идеального кольца из ы молекул с см- симметрией. Дипольные моменты Оу- переходов для

молекул БХл показаны стрелками. Плоскость рисунка совпадает с плоскостью мембраны. . Ориентация диполей перехода характеризуется углами ф и Ф (см. текст). В случае прицентровой антенны внутри кольца располагается глобула РЦ со спецпарой БХл на оси симметрии (на рисунке не показаны), (б) Модель антенны в виде кольца из N молекул с см/г- симметрией, уточненная в соответствие с рентгено-

структурными данными, (в),(г) Расположение молекул БХл850 в периферийной антенне; вид сверху на плоскость мембраны (в) и вид сбоку (г) (по рентгеноструктурным данным [мсаегто^ еъ а1., 1995]). Плоскости молекул БХл перпендикулярны плоскости мембраны и сверху видны как прямые отрезки (их угол с касательной к окружности совпадает с углом ф мевду проекцией даюльного момента и касательной). На виде сбоку видны плоскости тетрапиррольных колец молекул БХл,- дипольные моменты о^- переходов образуют малый угол с плоскостью мембраны. Показаны также аир полипептиды и кзрот оиды .

Форма дифференциальных спектров при сильном возбуждении отличается от низкоинтенсивного предела сдвигом полосы выцветания (отрицательной ветви) В СИНЮЮ Область [Novoderezhkin and Razjivin, 1993). Такие же изменения спектров с ростом энергии возбуждения наблюдались В экспериментах (Borisov et al.( 1982; Razjivin et al., 1982; Nuijs et al., 1985; Danielius et al., 1989].

Наиболее интересным свойством дифференциальных спектров поглощения является то, что их амплитуда линейно растет с увеличением размера агрегата N. Это дает возможность экспериментально определить величину n, определив величину изменений поглощения в антенне в расчете на один поглощенный квант или сравнивая ее с аналогичной величиной для одной молекулы или кластера с хорошо известной структурой (для прицентрового комплекса удобно сравнивать сигнал в антенне и в димере БХл РЦ).

Эксперименты проводились на спектрометре, позволявшем измерять фотоиндуцированные изменения поглощения с точностью ю~* оптических единиц [Borisov et ai., 1986]. Возбуждающий и зондирующий импульсы имели длительность 18 пс с частотой повторения i Гц и с плавной перестройкой (независимо друг от друга) в диапазоне 400-1500 нм. Энергия возбуждающего импульса варьировалась от ю-" до ю'1Т фотон/см2. Измерения проводились при комнатной температуре.

В экспериментах измерялась величина е=ДА™*£/ДА™®х, где дд^ - величина изменений поглощения в пике выцветания (т.е. амплитуда отрицательной ветви дифференциального спектра) при нулевой задержке между возбуждающим и зондирующим импульсами,- да^х -амплитуда длинноволнового пика выцветания спецпары РЦ при задержке 1 не. Экспериментальные значения £ представлены в таблице i для прицентровых комплексов из различных пурпурных бактерий.

Из таблицы 1 видно, что выцветание антенны может быть в ю-15 раз больше выцветания димера БХл РЦ. Это прямо доказывает делокализацию экситона по большому числу молекул антенны.

В таблице 1 представлены также значения е, рассчитанные в предположении делокализации эксиТона по всем молекулам кольцевого агрегата. При этом максимально возможное значение е равно 24 для нашей модели. Реально значения е уменьшаются с 24 до 10-12 из-за перекрытия положительных и отрицательных компонент дифференциального спектра.

Таблица 1. Экспериментальные и расчетные значения отношения ?"ЛАап*/ЛАксХ ДЛ1Я прицентровой антенны различных пурпурных бактерий. хех - длина волны возбуждения, а -угол между векторами поляризации возбуждающего и зондирующего импульса ёГ^ и в*, £ехр - эксперимент, £са1с - расчет.

MV*™* Хех 01 «exp ^calc

R. rubrum, хроматофоры 930 шп, 0° 4 . .5 6. .7

R. rubrum, хроматофоры 930 пл 54. 7° 10. .0 10. .2

С. minutissimum, КОМПЛеКС В890 (*) 930 пш 0° 4. .2 9. .6

С. minutissimum, комплекс В890 930 nm 54. 7" 15. ,0 10. .8

R. viridis мембранные фракции 1064 nm 54. 7е 15. 8 10. .2

С. rinosum, хроматофоры (**) 532 пш 54. 7° В. .0 11, .1

С. tepidum, хроматофоры (**) 532 пш 54. 7° 16. .0 11. .1

<*) экспериментальные данные взяты из работы (АМоигакЫпапоу et

а1., 1986];

(**) экспериментальные данные взяты из работы [Кепп18-еъ «1.,

1994).

Если возСуждения в антенне локализованы на димере БХл, то максимальное значение с равно 2. Реальные значения (с учетом перекрытия положительных и отрицательных компонентов спектра) будут при этом меньше 2, что сильно расходится с результатами эксперимента. С другой стороны, экспериментальные и расчетные значения £ хорошо согласуются в рамках модели кольцевого агрегата из 24 сильно связанных молекул БХл.

Таким образом, разработанная нами методика измерения радиуса делокализации экситона дает прямое экспериментальное доказательство делокализации экситона по всей прицентровой антенне, подтверждая предложенную модель кольцевого экситона. Позже аналогичным образом были проведены измерения для периферийной антенны пурпурных бактерий [Kermis et ai., 1996], которые также подтвердили делокализации экситона по всей кольцевой антенне.

После завершения описанных выше теоретических и экспериментальных исследований появились результаты рентгеноструктурного анализа [McDermott et ai., 1995) И ЭЛвКТрОННОЙ МИКРОСКОПИИ (Karrasch et ai., 1995) прямо доказывающие наличие высокосимметричных кольцевых структур из молекул светособкрапцего БХл в периферийной и прицентровой антенне (рис.1в,г). При этом все молекулы БХл располагаются на кольце примерно на одинаковых расстояниях друг от друга (около 0.9 нм), что противоречит представлениям о димерной структуре антенны и о переносе энергии возбуждения локализованными на димерах экситонами. С другой стороны межмолекулярные расстояния в 0.9 нм соответствуют сильной связи и допускают образование делокализованного экситона, что является еще одним аргументом в пользу предложенной нами кольцевой модели.

Глава 2. Модель кольцевого экситока и процессы переноса и захвата энергии в пурпурных бактериях.

В традиционных моделях фотосинтеза пурпурных бактерий процессы переноса энергии в трактуются как миграция локализованных возбуждений от комплексов В800-850 к комплексам B875 и от комплексов В875 на РЦ [Somsen et al., 1994; van Grondelle et al., 1994]. в рамках таких представлений возникают следующие проблемы при объяснении кинетических данных.

(А) Трудно объяснить быстрый перенос энергии от прицентровой

антенны к РЦ. Если спецпара РЦ находится в центре кольцевого антенного комплекса В875, то постоянная времени для затухания сигнала в антенне тс , связанного с переносом на РЦ равна 150-170 пс в рамках модели локализованных возбуждений [Borisov and vinigra-dov, 1994]. Эта оценка противоречит экспериментальным данным при комнатной температуре: гс - 50-80 ПС (Sebban et al., 1984; Freiberg et al., 1984; Borisov et al., 1985; Razjivin et al., 1982; Nuijs et al., 1985; Sundstrom et al., 1987; ПащеНКО, 1987).

(В) В рамках модели локализованных возбуждений РЦ является обратимой ловушкой (вероятность обратного выхода возбуждения из РЦ в антенну v составляет более 50% [Borisov, 1990]), что противоречит экспериментальным данным при комнатной температуре:

т)< 10—20% [Abdourakhmanov et al., 1989; Danielius and Razjivin, 1987; Timpmann et al., 1993; Otte et al., 1993].

Объяснение экспериментальных данных в рамках модели локализованных на димере возбуждений возможно только при искусственных предположениях о смещении спецпары РЦ из центра кольца [Борисов и Виноградов, 1992; Puiierits et al., 1994 ], о взаимодействии спецпары РЦ только с одной молекулой антенны, смещенной к РЦ

[Puiierits et al., 1994; Pearlstein, 1992] ИЛИ О СДВИГе ЛИНИИ

поглощения спецпары РЦ в длинноволновую область по сравнению с линией поглощения антенны [somsen et al., 1994].

Для моделирования процессов переноса энергии в рамках модели кольцевого экситона была разработана теория переноса энергии между кластерами из сильно взаимодействующих молекул. В этой теории перенос энергии от кольцевой прицентровой антенны к РЦ и перенос между кольцевыми антенными субъединицами в мультицентральных объектах трактуется как процесс ферстеровского типа. Для*корректного описания переноса делокализованных возбуждений теория Ферстера была обобщена на случай нескольких уровней электронной природы (n экситонных уровней) и с учетом фазовой памяти между молекулами агрегата в каждом экситонном состоянии.

Были рассчитаны постоянная времени затухания сигнала в антенне тс, квантовый выход разделения зарядов в РЦ и вероятность обратного выхода в антенну v.

При оптимальной ориентации молекул БХл антенны и РЦ (Ф -4о°i30, ф - о°±ю°, o°iio°) в рамках модели делокализованного экситона получается г с= 50-60 пс, v - 20-25%, ф° - 0.89-0.91.

Эти значения хорошо согласуются с экспериментальными данными при комнатной температуре : Bhodospirillum rubrum: r£ - 60-80 ПС СОГласно флуоресцентным данным [Sebban et al., 1984; Freiberg et al., 1984; Borisov et al., 1985], Rhodobacter sphaeroides: xc -50-70 ПС, ПО флуоресцентным [Freiberg et al., 1984; Borisov et al., 1985) И абсорбционным [Eazjivin et al., 1982; Nuijs et al., 1985; Sundstrom et al., 1987] ДЭННЫМ; Chromatium minutissimum: t|<10-20% [Abdourakhmanov et al., 1989], Rhodospirlllum rubrum: i)<10-15* [Danielius and Razjivin, 1987], 17 - 25% [Timpmann et al., 1993), Rhodopseudomonas viridis: i)<10* iOtte et al., 1993);

- 0.87 (±10*) [Borisov et al., 1986].

В модели делокализованного экситона взаимодействие РЦ с антенной происходит как взаимодействие с одной "супермолекулой" с аномально высоким дипольным моментом (взаимодействие с одним экситонным уровнем при малом Ф или При этом скорости прямого и обратного переноса одинаковы (и достаточно высокие). Поэтому РЦ должно быть практически необратимой ловушкой. Однако реально скорость переноса от антенны к РЦ всегда меньше скорости обратного переноса, поскольку, во-первых, населенность уровня k - ±i всегда меныце единицы и, во-вторых, из-за вырожденности состояния к « ±i взаимодействие происходит не с одним уровнем (одной "супермолекулой") , а с двумя. В результате вероятность обратного выброса в антенну увеличивается до ч ■ 20-25%. Такая ловушка может быть названа квазинеобратимой в отличие от обратимой ловушки с вероятности обратного выброса около 50% и более.

Для модели локализованных возбуждений оптимальные углы ориентации.молекул БХл антенны и РЦ равны <р эо°, ф - о°, фп= о°. Для оптимальной ориентации т - 150-170 ne, v - 32-38%, -0,72-0,75. Таким образом, модель локализованных возбуждений не позволяет объяснить высокую эффективность переноса и захвата энергии в РЦ.

Модели локализованного и делокализованного экситона дают не только разные константы скорости переноса энергии, но и разные оптимальные ориентации молекул БХл антенны. Если принять, что структура антенны оптимизирована с точки зрения эффективности переноса энергии [Фетисова, 1994], то случаи локализованного и делокализованного экситона можно было бы различить по расположению молекул БХл на кольце вокруг РЦ: в первом случае они должны

быть перпендикулярны окружности, а во втором - образовывать с ней острый угол.

Недавно полученные рентгеноструктурные данные [McDermott et ai., 1995]).дают значения углов ^ - 20° И 0 <10° (рис.1в,г) близкие к предсказанным для случая делокализованного экситона. Эти данные свидетельствуют в пользу предложенной нами модели кольцевого экситона.

Глава 3. Кольцевая модель с учетом экситон-фононных взаимодействий. Теория спектров выжигания провала в антенне пурпурных бактерий.

В данной Главе рассмотрены экситонные состояния кольцевого агрегата с учетом экситон-фэнонных взаимодействий, которые в общем случае могут приводить к нарушению делокализованного состояния.

В стандартной экситонной теории расматриваются делокализо-ванные состояния свободного экситона, соответствующие жесткой (недеформируемой) решетке. При достаточно сильном экситон-фэнонном взаимодействии могут возникать автолокализованные состояния экситона (self-trapped exciton), когда радиус экситона уменьшается за счет взаимодействия с локальными деформациями решетки [Рашба, 1985]. Зона автолокализованных экситонов (АЛ) сужена в exp(-s) раз (где s - фактор Хуана-Райса) по сравнению с зоной свободных экситонов и сдвинута на энергию с, соответствующую энергии локальных деформаций. В трехмерных системах всегда 'возникают AJI экситоны малого радиуса (локализованные на одном узле). В квазиодномерных и квазидвумерных агрегатах, характерных Для фотосинтетических систем (например, в кольцевых и цилиндрических агрегатах) возможны АЛ состояния большого радиуса [Рашба, 1985]. Так, например, для замкнутого кольцеобразного агрегата последовательность состояний при увеличении зкситон-фононной связи выглядит так [Давыдов, 19881 :

1) Свободные экситоны (недеформированная решетка).

2) Свободные экситоны со слабыми однородными деформациями.

3) АЛ состояния большого радиуса.

4) АЛ состояния в виде кноидальных волн (при n » i).

5) Локализованные на одном узле возбуждения.

Таким образом, структура экситона сильно зависит от параметра связи. Обычно его удается определить из низкотемпературных спектров, например, из спектров выжигания провала.

Теория низкотемпературных эксигон-фононных спектров кольцевого агрегата конечного размера была создана по аналогии с теорией ДЛЯ молекулярных кристаллов [Давыдов, 1968; Fischer and Rice, 1970; Grover and Silbey, 1970]. В ОДНОМОДОВОМ Приближении И В

пренебрежении дисперсией оптической моды удалось получить точное аналитическое решение, для функции Грина при произвольной величине параметра экситон-фононной связи g [Novoderezhkln, 1995; Dracheva et al., 1995].

На рис.2 показаны спектры поглощения при различных значениях параметра связи д. В пределе свободного экситона (g=oj спектр состоит из двух пиков, соответствующих переходам на уровни к=о и k-±l.

В случае слабой связи (0 < g < 0.8) в спектре видны две последовательности эквидистантных вибронных линий, связанных с экси-тонными уровнями к=о и к«±1 (помечены индексами о и D и слабая вибронная последовательность, связанная с уровнем к=±2 (помечена индексом 2). Уровни к=±2 (и более высокие) являются дипольно запрещенными в пределе свободного экситона, однако этот запрет снимается при наличии экситон-фононных взаимодействий, когда экси-тонные состояния создаются одновременно с локальными деформациями пигмент-белковой матрицы (поляроны или "одетые" экситоны). Локальные деформации приводят также к сжатию зоны и, в частности , к уменьшению расстояния между линиями о и 1 в ехр(д2) раз.

С ростом д (д-1.2; рис.2) виброннне последовательности становятся длиннее, расстояние между ними продолжает уменьшаться, последовательности, связанные с уровнями к=±2 и к=±з становятся более ярко выраженными (они обозначены индексами 2 и з). Появляется также дополнительная последовательность (обозначенная индексом 1 ), связанная с уровнем k=±i и обусловленная нелокальными экситон-фононными взаимодействиями.

При сильной связи (g-i.6; рис.2) расстояния между экситонны-ми уровнями становятся сравнимыми с расстоянием между вибронными линиями. При этом вибронйые последовательности от разных экситон-ных уровней сильно перекрываются и структура спектра становится нерегулярной.

Рис.2. Спектр поглощения кольцевого агрегата (N=12) без учета однородного и неоднородного уширения линий. Параметр экситон-фононной связи д= 0.8, 1.2, 1.6, 2.о. Пики, помеченные индексами о, 1, 2 И 3 соответствуют ЭКСИТОНШМ уровням к=0, к=±1, к=±2 и * . Частота и отсчитывается от дна зоны свободных экситонов (де-2|м|) и нормирована на |м|.

При очень СИЛЬНОЙ СВЯЗИ (д=2.о; рис.2) ширина экситонной зоны становится меньше фононной частоты. Спектр становится однородным с регулярной вибронной структурой. Это есть спектр Примесного центра (мономера), связанного с матрицей через фононную моду с частотой п, что соответствует возбуждению, локализованному на одной молекуле.

Для расчета спектров выжигания провала необходимо учитывать однородное уширение из-за релаксации верхних экситонных уровней и неоднородное уширение из-за спектральной неоднородности пигментов в агрегате.

В случае слабой связи спектр провала состоит из узкой бесфо-нонной лишга (БМ) и узких вибронных сателлитов уровня к=о и из широкого церезонансного провала в коротковолновой области, обус-ловленого высшими экситонными уровнями (в основном уровнями >.=¿1), уширенными за счет субпикосекундной релаксации на уровень к=о. При длинноволновом возбуждении получаются провалы с ярко

выраженной БФЛ и широким нерезонансным крылом,- при коротковолновом возбуждении выжигается только широкое крыло без БФЛ.

В случае сильной связи при любой частоте выжигания получаются провалы с широким нерезонанснкм крылом без БФЛ.

Рассчитанные спектры провала для случая слабой связи обладают всеми характерными свойствами наблюдаемыми в экспериментальных спектрах выжигания провала: узкие интенсивные БФЛ при длинноволновом возбуждении, малая по сравнению с БФЛ интенсивность фонон-ных сателлитов (свидетельство слабой связи с фононами), широкое нерезонансное коротковолновое крыло [йесШу et а1., 1991; 1992; 1993]•

Ширина ВФЛ в спектрах выжигания провала дает оценку снизу для времени жизни нижнего уровня к=о. При низкой температуре оно лимитировано лишь миграцией кольцевого экситона на соседние антенные субъединицы. Расчет миграции экситона между кольцевыми антенными субъединицами показал, что ширина БФЛ в экспериментальных спектрах действительно соответствует постоянной времени миграции делокализованного экситона по кольцевой модели.

Таким образом, низкотемпературные спектры выжигания провала хорошо объясняются предложенной нами моделью в пределе слабой экситон-фононной связи, при' которой не нарушается делокализация экситона по кольцу. С другой стороны, время жизни нижнего экситонного уровня соответствует представлениям о некогорентном переносе ферстеровского типа между соседними агрегатами, которые были использованы нами при разработке теории переноса энергии в антенне пурпурных бактерий.

Глава 4. Модель кольцевого экситона с учетом пространственной и спектральной неоднородности антенны пурпурных бактерий

В Главе 4 рассмотрены изменения экситонных состояний из-за отклонения реальной структуры (обладающей сн/г-симметрией) от идеального случая сн-симметрии, а также из-за спектральной неоднородности молекул БХл.

Согласно рентгеноструктурным данным [мсоеггао^ et а1., 1995) комплекс в800-850 из ЯПойорзеиаолюпаз ас!с1орЫ1а состоит из 18 молекул бхл850, расположенных в форме кольца с с^-симметрией. Расстояния между атомами мд соседних молекул БХлвбо составляют

п

0.87 ш и о.97 нм. Соотоветствукщие энергии взаимодествия равны 785 см"1 И 566 см"1 (в ДИПОЛЬ-ДЩЮЛЬНОМ ПриОЛИЖвНИИ И ДЛЯ (32=60 ДеОаЙ2 [Pearlstein, 1992]).

При численных расчетах экситонной структуры считалось, что разброс энергий переходов для молекул БХл (относительно де) описывается гауссовским распределением с шириной (ринм) г. Результаты для различных значений г представлены в таблице 2 (положение и интенсивности экситонных компонент в спектре поглощения и КД). В отличие от спектра симметричного кольца, спектр кольцевого агрегата с двумя молекулами в элементарной ячейке состоит из двух наборов уровней (два давыдовских компонента по 9 уровней с волновыми числами к=о/±1,±2(±з и +4 в кавдом компоненте).

В отсутствие неоднородностей (г=о) спектр состоит из сильной дваждывыровденной линии к=±1 нижнего давыдовского компонента, а также из слабых линий к-о, находящихся на краях экситонной зоны и соответствующих верхнему и нижнему давыдовским компонентам. Верхний уровень к=о на порядок сильнее нижнего к=о уровня. Однако уже при небольшой неоднородности (порядка г=9о см"1) их интенсивности в спектре поглощения сравниваются за счет смешивания волновых функций нулевого приближения. При большей степени беспорядка нижний уровень к=о продолжает усиливаеться за счет близких сильных линий к=±1. При г=470 см"1 он уже на порядок сильнее верхнего к=о уровня.

В этом диапазоне величины неоднородности (0-500 см"1) кроме роста интенсивности уровня к=о возникает также поглощение уровней к=±2, ±з нижнего давыдовского компонента, которые становятся ди-польно разрешенными за счет дипольной силы уровней к=+1. Однако при этом интенсивность сильных линий к=±1 меняется не более чем на 20%. Это означает, что спектральный беспорядок не приводит к существенному нарушению экситонной структуры и изменению делока-с^лзованного характера возбуждений. Поэтому область г=0-500 см*1 можно считать областью слабой неоднородности.

Вместе с тем в этой области смещение линий к=о, к=1 и к=-1 (абсолютное и относительно друг друга) весьма существенно. Так, расщепление между уровнем к=о и уровнями к=1 и к=-1 при г=о составляет 78 см"1 и 78 см"1, а при г=467 см"1 оно равно 98 см"1 и !70 см"1.

Таблица 2. Положение и интенсивности экситонных компонентов в спектре поглощения и КД кольцевого агрегата из 18 молекул с с9-симметрией для различных величин спектрального беспорядка. Энегрия уровней е* (в см"1) отсчитывается от ае (при этом уровни верхнего давыдовского компонента имееют положительную энергию, а нижнего - отрицательную). Ширина неоднородного распределения энергии молекул г дана в см"1.

г= =0 г= =467 г= = 1850

Е* к А1 к С* к < А* к + С к + Е" к + А" к с:

-1351 0 01 -2 41 -1427 0. 746 -1 380 -1843 1 038 -0. 340

-1271 2 94 1 18 -1329 2. 281 0 524 -1587 1 150 0. 017

-1271 2 94 1 18 -1257 2. 347 0 681 -1394 1 071 0. 109

-1044 0 0 -1089 0. 214 0 035 -1201 0 792 0. 071

-1044 0 0 -1013 0. 180 0 027 -1034 0 543 0. 040

- 701 0 0 - 742 0. 039 0 002 - 814 0 343 0. 030

- 701 0 0 - 667 0. 034 0 003 - 628 0 249 0. 006

- 318 0 0 - 355 0. 015 0 001 - 381 0 159 0. 004

- 318 0 0 - 274 0. 015 0 001 - 161 0 130 • 0. 013

318 0 0 269 0. 005 0 ООО 166 0 072 0. 001

318 0 0 352 0. 005 0 ООО 379 0 065 0. ООО

701 0 0 662 0. 004 0 ООО . 632 0 047 0. 001

701 0 0 739 0. 004 0 001 828 0 036 0 ООО

1044 0 0 1007 0. 004 0 001 1041 0 035 0 003

1044 0 0 1086 0. 005 0 002 1210 0 035 0 014

1271 0 0 • 1254 0. 013 0 009 1402 0 036 0. 008

1271 0 0 1327 0. 018 0 011 1596 0 043 0 003

1351 0. 11 0 05 1421 0. 073 0 031 1851 0 061 0 023

При r>soo см"1 интенсивности уровня к=о и. верхних уровней к=±2, к=±з,... продолжает увеличиваться за счет уровня k=±i, что соответствует уменьшению радиуса делокализации экситона. При г>1800 см"1 распределение дипольной силы по экситонным уровням становится более однородным, и при этом неоднородная ширина отдельных экситонных уровней заметно превышает величину расщепления между ниш. Это случай локализации экситона на небольшом количестве молекул агрегата.

В области слабого беспорядка {г=0-500 см"1) неоднородная ширина экситонных уровней гех меньше чем г в v^ie раз (эффект уменьшения беспорядка за счет суперпозиции волновых функций -"exchange narrowing" [Knapp, 1984)), Т.е. Ге)=0-120 CM"1 . ТаКИМ образом, можно считать, что критическая (с точки зрения разрушения делокализованного экситона) величина г^ равна г^=120 см"'.

Значения г , полученные из спектров выжигания провала для ДЛИННОВОЛНОВОЙ ПОЛОСЫ (850 HM) комплексов В800-850, оказались равными 60 см"1 (Rhodobacter sphaeroides) ; И 110 CM"1 (Rhodopseudomonas acidophils) [Reddy et al., 1991; 1992; 1993].

Мы видим, что для обоих комплексов г не превышает г"=120

ex ex

см"1, т.е. величина спектрального беспорядка попадает в область слабой неоднородности. В этой области влияние беспорядка в основном сводится к появлению сдвига экситонных уровней без заметного изменения их волновой функции и дипольной силы. При этрм из-за сдвига уровней возникает заметное неоднородное уширение линий, однако структура делокализованных экситонных состояний изменяется не сильно. Это означает, что все специфические экситонные эффекты (линейные и нелинейные спектры, кинетика переноса энергии), предсказываемые теорией для однородного агрегата будут иметь место и в реальных антенных комплексах.

Глава 5. Модель цилиндрического экситона в хлоросомальной антенне зеленых бактерий: спектры выжигания провала и кинетика переноса энергии.

В Главе 5 рассмотрены экситонные модели для хлоросомальной антенны зеленых бактерий.

Хлороссма содержит несколько тысяч светособирающих пигментов (БХл с, d или е) расположенных в цилиндрических элементах диамет-

ром 5-ю нм и длиной 100-250 нм (равной длине хлоросомы). В одной хлоросоме содержится от ю до зо таких цилиндрических элементов, плотно упакованных параллельно друг другу (oison et ai., i977; Staehelin et al., 1978; 1980; Golecki and Olze, 1987). Каждый ИЗ

них имезт вид полого цилиндра, образованного б субъединицами (рис.3).

В большинстве предложенных до настоящего времени моделей

[Smith et al., 1983; Mimuro et al., 1989, 1994; Lin et al.. 1991; Alden et al., 1992; Holzwarth and Schaffner, 1994; Nozawa et al., 1994; Feiler et al.. 1994; Krasnovsky and Bystrova, 1980) СЧИТЭ-

ется, что цилиндрические элементы содержат агрегаты БХл с, структура которых обусловлена пигмент-пигментными взаимодействиями.

Все эти модели можно разделить на две 'группы, различающиеся с точки зрения плотности упаковки элементарных линейных агрегатов:

(1) Невзаимодействующие (изолированные) линейные агрегаты молекул БХл, включая одномерные цепочки, двумерные (двойные) цепочки с антипараллельными диполями переходов, двумерные зигзагообразные цепочки с однонаправленными диполями переходов

[Alden et al., 1992; Nozawa et al., 1994).

(2) Сильно связанные между собой линейные цепочки (простые или двойные) плотно упакованные и образующие цилиндрические структуры в результате пигмент-пигментных взат-модействий [Hoi-

zwarth and Schaffner, 1994; Nozawa et al., 1994;.

Для всех перечисленных моделей линейных и цилиндрических агрегатов большая часть (около 81%) всей дилольной силы приходится на долю ниляего экситонного уровня. Спектр поглощения состоит из интенсивной БФЛ нижнего уровня и относительно слабых коротковолновых пиков, соответствующих верхним экситонным уровням.

Этот вывод противоречит экспериментальным спектрам выжигания провала, для которых интегральная интенсивность БФЛ (вместе с фоношшми крыльями) намного меньше интенсивности широкого нерезонансного провала, обусловленного верхними уровнями (сдвинутыми на 200-400 см"1 В коротковолновую Область ПО отношению к БФЛ) [Fetisova and Maurlng, 1992; Fetisova and Mauring, 1ЭЧЗ; Fetisova et. 1., 1991; Fetisova et al., 1995).

Рис.3. Модель хлоросомы. 1 - цилиндрический элемент,- 2 -агрегат из молекул БХл с, расположенных в шести субъединицах, образующих полый цилиндр,- з - молекулы БХл а базовой пластинки, к* - скорость переноса энергии между двумя цилиндрическими агрегатами БХл с; к* - скорость переноса энергии от агрегата БХл с к молекуле БХл а; к* - скорость обратного переноса.

Для объяснения экспериментальных спектров выжигания провала нами были предложены альтернативные модели агрегатов молекул БХл. Если предположить, что в двойной цепочке пигмент-пигментные связи разорваны и расстояние между двумя рядами молекул увеличивается, то дипольная сила агрегата перераспределяется таким образом, что теперь ЕФЛ нижнего' экситонного уровня имеет низкую интенсивность по сравнению с верхними уровнями как это и наблюдается в спектрах провала.

Сдвиг в 2 00-400 см"1 меящу нижним и верхним компонентами соответствует энергии взаимодействия между рядами 100-200 см"1 и расстоянию между рядами порядка 1.6-2.0 нм. На таких расстояниях пигмент-пигментные взаимодействия исключены, значит такая пространственная организация двух цепочек возможна вследствие либо пигмент-белковых взаимодействий [Lehmann et'al., 1994], либо какого-либо другого, типа взаимодействий. з-4 таких двойных цепочки могут образовывать (внутри цилиндричиского элемента хлоросомаль-ной антенны диаметром 5-ю нм) структуры с сз- или (^-симметрией относительно оси цилиндрического элемента.

Аналогичным образом можно объяснить экспериментальные спект ры провала на базе цилиндрической модели с малой плотностью упаковки линейных цепочек. Для цилиндрической модели расщепление в 200-400 см"1 соответствует энергии 50-100 см"1 и расстоянию между линейными цепочками в цилиндрическом агрегате около г нм.

При низкой плотности упаковки число цепочек в цилиндре должно быть значительно меньше, чем в предлагавшихся ранее моделях [Holzwarth and Schaffner, 1994; Nozawa et al., 1994]. Структурные данные указывают на шесть субъединиц в цилиндрическом элементе хлоросомы [staeheiin et ai., 1978, 1980). Поэтому естественно предположить, что число цепочек равно 6 или 12. Существенно также, что при расстоянии мевду линейными цепочками около 2 нм диаметр цилиндрического, агрегата' согласуется с диаметром цилиндрического элемента, равным 5 НМ ДЛЯ Chloroflexus aurantlacus ИЛИ 10 НМ ДЛЯ Chlorobium llmicola [Olson et al., 1977; Staeheiin et al., 1978; 1980; Golecki and Olze, 1987]).

Результаты моделирования спектров ДЛЯ Chloroflexus aurantia-cus показаны на рис.4. Для расчетов экситон-фононных спектров использовалась модель слабой связи для молекулярного кристалла (Давыдов, 1968], обобщенная на случай конечной линейной попочки

1 л 1 1 ( а. \ . л!

1 ! I 4 и 6 А1 // V V' у 1 - 1 —ь.

1 752 чД2 ' в

^^^^ 1 г

754 ^пг^ 1 1 1

13, 200 14,000

Рис.4. Спектры для цилиндрической модели (шесть цепочек), (а) Спектр поглощения Оез учета уширения линий. (0) Спектр выжигания провала для однородной ширины 180 см и неоднородной ширины юо см. (в) Экспериментальный спектр провала для с.аигапх.1а-сия при 1.8к; \ь - длина волны выжигания, (г) Экспериментальный

спектр КД для с. аигариасив при комнатной температуре. Верхняя шкала - энергия в см" , отсчитываемая от ле; нижняя шкала - абсолютные волновые числа в см. Числа на экспериментальных спектрах указывают длины волн в нм.

или цилиндра. Фононная частота (в одномодовом Сездисперсионном приближении) полагалась равной n-зо см"1.

Ка рис.да показан спектр поглощения агрегата без учета однородного и неоднородного упшрения. Ширина линии принималась равной 4 см"1 (fwhm). Относительные интенсивности давыдовских компонентов к-о, «с-ti, K-t2 и к«з полагались равными юо, 27, з и 1.6. Компоненты к-и, к-и и *=з считались слаборазрешенными из-за спектрального беспорядка. Нижний уровень компонентов к=о,.к=±1, к-±2 и к=3 соответствует линиям -1.370 см"1, -1.415 см"', -1.5с5 см"1 и -1.550 см"1, а более высокий уровень компонентов к=о и к-±1 соответствует линиям -950 см"1 и -995 см"1 (рис.4э).

Линия -1.550 см"1 соответствует БФЛ в спектре провала (рис. 4В) и длинноволновому компоненту спектра КД (рис.4Г); линии -1.370 см"1 и -950 см"1 соответствуют двум остальным компонентам спектра КД (рис.4г); наиболее интенсивная линия -1.370 см"1 также соответствует максимуму•широкого нерезонансного провала (рис.4в).

Для расчета спектров провала вводилась однородная ширила, равная 180 см"1 (fw1im> для всех экситонных уровней, кроме нижнего. Неоднородная ширина полагалась равной юо см"1 (fwhm) . Расчетные спектры провала показаны на рис.4б. Узкие резонансные провалы, связанные с БФЛ нижнего уровня, выжигаются только при возбуждении на длинноволновом краю спектра. При возбуждении в коротковолновой области выжигаются широкие провалы без узких L Л.

Таким образом, модель цилиндрического агрегата из шести линейных цепочек молекул БХл с позволяет объяснить все существенные свойства экспериментальных спектров выжигания провала, такие как относительные интенсивности и положения спектральных линий, дающих узкий резонансный пик и широкий нерезонансный провал. С другой стороны, пространственная структура предложенной модели соответствует размерам и внутренней симметрии цилиндрического элемента хлоросомы. . •

Была также создана теория переноса энергии от хлоросомы к Бхл а в рамках модели цилиндрического экситона, предложенной для chiorofiexus aurantiacus. Перенос энергии между агрегатами из соседних цилиндрических элементов считался некогерентным, т.е. переносом ферстеровского типа, и описывался с помощью общей теории переноса делокализованных возбуждений (см. Главу 2).

Считалось, что хлоросома состоит из р слоев цилиндричес:сих

элементов с гексагональной упаковкой (на рис.3 показан случай р-з). В каждом цилиндрическом элементе расположены агрегаты из шести линейных цепочек молекул БХл с. Каждый агрегат из нижнего слоя взаимодействует с q молекулами БХл а (БХЛ790) из базовой пластинки.

Эксперименты проводились на интактных клетках зеленой бактерии Chloroflexus aurantiacus (ШТЭММ 0k-70-fl) С разЛИЧНЫМ СОДержанием БХл с [Fetisova et ai., 1995, 1996]. Клетки, содержащие хлоросомы разных размеров характеризовались функцией распределения f(р), где f (р) - относительное число хлоросом, содержащих р слоев. Функция F(p> определялась с помощью электронной микроскопии. Константа времени затухания сигнала в хлоросомальной антенне .измерялась с помощью пикосекундной флуоресцентной спектроскопии in situ.

Экспериментальные результаты для четырех исследованных культур приведены в таблице з. Показаны только быстрые компоненты затухания флуоресценции , отражающие динамику переноса энергии к БХл а и теоретические значения *с41 рассчитанные для модели цилиндрического экситона.

Таблица з. Экспериментальные и расчетные константы затухания флуоресценции для культур А, Б, В и Г с различными функциями распределения f(р) и с различным, средним размером хлоросом <р>.

F(l) F(2) F (3) F(4) <Р> т • » р X с»1

А О.01, 0.38, 0.58, 0.03 2.63 40 ПС 43.7 ПС

Б 0.40, 0.60, 0.00, 0.00 1.60 21 ПС 23.5 ПС

В 0.77, 0. 23, 0.00, 0.00 1.23 17 ПС 17.2 ПС

Г 0.90, 0.10, 0.00, 0.00 1.10 12 ПС 14.3 ПС

Полученные результаты показывают, что эффективность переноса энергии от хлоросомы к базовой пластинке уменьшается с увеличением размера приблизительно по линейному закону.

В нашей модели время парного скачка между агрегатами БХл с равно (к*)"1- 27.4 пс,- для агрегатов, расположенных в одном из

средних слоев, время скачка к одному из 6 соседей равно (к*)_1/б-4.4 пс; для агрегатов из верхнего слоя время скачка к одному из 4 соседей равно <к')_1/4- 6.6 пс. Если хлоросомальная антенна состоит из одного слоя, время скачка в антенне равно <к*)"1/2- 13.2 пс, а время переноса к БХл а составляет №*)"'« 13.7 пс. Как и следовало ожидать,'эти времена соответствуют времени дефазировки нижнего экситонного уровня, которое можно оценить из ширины БФЛ в спектрах провалов. Для chiorofiexus auranciacus оно составляет 10.6 ПС (при ширине БФЛ, равной 2 см'1- [Fetlsova and Mauring, 1992)').

Кроме того, найденные врмена скачка экситона соответствуют характерному времени спектральной диффузии между агрегатами с неоднородно уширенной линией. Так, в дифференциальных спектрах поглощения для хлоросомальной антенны Chiorofiexus aurantiacus был обнаружен динамический спектральный сдвиг с постоянной времени 7 пс (Lin et ai., 1991). Амплитуда этого сдвига, равная 4 нм (или во см"1), соответствует неоднородной ширине линии, полученной ИЗ спектров выжигания провала (ЮО см"1 ДЛЯ Chloroflexus aurantiacus [Fetisova and Mauring, 1992]).

Таким образом, теория переноса энергии, созданная на базе предложенной модели цилиндрического экситона, позволяет объяснить данные по затуханию флуоресценции при различном размере антенны. Расчет параметров переноса энергии на базе предложенно; модели находится в согласии с экспериментальными данными по пикосекунд-•ной кинетике наведенного поглощения и с данными о ширине БФЛ в спектрах выжигания провала.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

В работе показано, что для непротиворечивого объяснения всех известных данных о первичных процессах переноса энергии в бактериальном фотосинтезе необходимы принципиально новые, нетрадиционные представления как о структуре антенны, так и о физических принципах, определяющих динамику возбуждений. В отличив от традиционных моделей, предполагапцих сильную пространственную и спектральную неоднородность антенны с локализацией возбуждения на малом кластере молекул БХл, в новых моделях предполагается наличие высокосимметричных агрегатов БХл и перенос энергии делокализопзн-

ными экситонами.

Для прицентровой (и периферийной) антенны пурпурных бактерий предложена модель симметричного кольцевого агрегата с делокализа-цией экситона по всем 24 (18) молекулам кольцевой субъединицы.

Такая модель приводит к качественно новому взгляду на природу стационарных и нестационарных оптических спектров, что позволяет естественным образом на основе экситонной теории объяснить наличие в спектрах нескольких компонентов с разной степенью анизотропии, форму, дифференциальных спектров поглощения и спектров выжигания провала к т.д. Качественно меняется также и описание переноса энергии между антенными субъединицами и от антенны к РЦ. Делокализованные экситонные состояния обладают аномально высокими дипольными моментами перехода, поэтому взаимодействие РЦ с антенной происходит как с одной "супермолекулой". При этом сильно возрастает эффективность процессов переноса и захвата энергии.

Теоретические исследования показывают, что статический и динамический беспорядок (спектральная неоднородность и взаимодействие с фононами) не приводят к заметному уменьшению радиуса экситона. Получены также и прямые экспериментальные доказательства делокализации экситона по всем молекулам антенны на основе нелинейной спектроскопии. Правильность предсказаний структуры агрегата (порядок симметрии, углы ориентации молекул БХл) была полностью подтверждена недавно опубликованными рентгеноструктур-ными данными.

Для хлоросомальной антенны зеленых бактерий предложена модель цилиндрического агрегата с малой плотностю упаковки линейных цепочек. В предложенной модели цилиндрического агрегата молекул БХл предполагается наличие не только пигмент-пигментных, но и других (например, пигмент-белковых) взаимодействий. Показано, что только такая модель, в отличие от предлагавшихся ранее, способна объяснить все свойства экспериментальных спектров выжигания провала.

Экспериментально исследованы кинетики затухания флуоресценции, связанные с переносом энергии в хлоросомах. Эксперименталные зависимости кинетик от размера хлоросомальной антенны находятся в согласии с теорией переноса энергии, созданной на базе предложенной модели и описывающей миграцию экситона, делокализованного по молекулам цилиндрического агрегата.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выдвинута новая физическая концепция переноса энергии в первичных процессах фотосинтеза у пурпурных бактерий, согласно которой электронное возбуждение в светособиравдей антенне имеет вид экситона, делокализованного по кольцевому агрегату молекул БХл.

2. Показано, что форма стационарных и пикосекундных дифференциальных спектров поглощения и их анизотропия, а также профили выжигания провала в спектре поглощения для антенны пурпурных бактерий полностью соответствуют структуре экситонных спектров кольцевого агрегата.

3. Предложена и реализована оригинальная методика прямого измерения эффективного радиуса делокализации экситона на основе нелинейной спектроскопии с возбуждением и зондированием. Экспериментально показано, что экситон делокализован по всем молекулам ЕХл кольцевой прицентровой антенны для всех разновидностей пурпурных бактерий из числа исследованных.

4. Показано, что высокая эффективность переноса энергии от антенны к РЦ и квазинеобратимый захват возбуждения в РЦ у пурпурных бактерий обусловлены аномально высокой дипольной силой для делокализованных .-экситонных состояний в антеннеи взаимодействием РЦ с антенной как с одной "супермолекулой".

5. Предсказаны углы ориентации молекул БХл в кольцевой антенне у пурпурных бактерий, оптимальные с точки зрения переноса делокализованного экситона на РЦ. Эти предсказанния были впоследствии подтверждены рентгеноструктурными исследованиями.

6. Продемонстрировано; что пространственный и спектральный беспорядок в реальной антенне пурпурных бактерий дают лишь незначительные поправки к экситонной структуре, рассчитанной по предложенной нами модели идеально* симметричного и спектрально однородного кольцевого агрегата.

7. Предложена новая модель цилиндрического агрегата с малой плотностью упаковки молекул БХл для хлоросомальной антенны зе;;з-ных бактерий. В этой модели предполагается наличие не только пигмент-пигментных, но и других (например, пигмент-белковых) взаимодействий.

8. Экспериментально исследованы кинетики затухания флуоресценции, связанные с переносом энергии в хлоросомах. Экспериментальные зависимости кинетик от размера хлоросомальной антенны находятся в согласии с теорией переноса энергии, созданной на базе предложенной модели и описывающей миграцию экситона, делока-лизованного по молекулам цилиндрического агрегата

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гафуров Х.Г., Криндач Д.П., Назаров Б.И., Новодережкин В.И. Энергетические характеристики излучения Аг+-лазера в режиме пассивной синхронизации мод. // Журнал технич. физики, 1983, т.53, вып.8, с. 1536-1540.

2. Криндач Д.П., Новодережкин В.И., Шерстюк A.B. Оптимизация поглотителя по спектральным характеристикам в лазере на красителе с пассивной синхронизацией мод. // Квантовая электроника, 1989, Т.16, №12, с. 2482-2485.

3. Криндач Д.П., Новодережкин В.И. Фазовая модуляция импульсов в лазерах на красителе с синхронной' накачкой. // Вестник МГУ сер.З, физика, астрономия, 1989, т.30, №4, с. 50-55.

4. Новодережкин В.И., Разживин А.П. Эффективность захвата энергии возбуждения реакционными центрами фотосинтеза в зависимости от спектральных и пространственных свойств прицентровой части антенны. // Деп. ВИНИТИ J6273-B92 28 янв. 1992, 34 с.

5. Новодережкин В.И., Разживин А.П. Локализация синглетных экси-тонов в светособиращей антенне пурпурных бактерий. // Деп. ВИНИТИ »I74I-B92 26 мая 1992, п с,-

6. Новодережкин В.И., Разживин А.П. Экситон-экситонные взаимодействия в светособирающей антенне пурпурных бактерий с учетом локальных деформаций молекулярной решетки. // Деп. ВИНИТИ Ы742-В92 26 мая 1992, 16 с.

7. Новодережкин В.И., Разживин А.П. Влияние олигомеризации све-тособиращего (бактерио)хлорофилла на эффективность преобразования энергии возбуждения в фотосинтетических мембранах. // Деп. ВИНИТИ JSI743-B92 26 мая 1992, 13 с.

8. Новодережкин В.И., Разживин А.П. Экситонные взаимодействия молекул антенны и их влияние на процессы поглощения, переноса и захвата энергии в фэтосинтезирупцих пурпурных бактериях. //

Дап. ВИНИТИ *2947-В92 9 окг. 1992, 21 с.

9. Новодережкин В.И., Разживин А.П. Влияние виСронной релаксации молекул на процессы переноса и захвата энергии в фотосинтези-рущих пурпурных бактериях. // Деп. ВИНИТИ Ж3021-В92 20 окт. 1992, 14 с.

10. Новодережкин В.И., Разживин А.П. Экситонная модель первичных процессов бактериального фотосинтеза: Спектры и кинетика переноса энергии. // Журнал прикладной спектроскопии, 1995, т.62, №Z, с. 77-82.

11. Мауринг К., Таисова А.С., Новодережкин В.И., Шибаева Л.В., Фетисова З.Г. Олигомеризация светособирающих пигментов как структурный фактор, оптимизирующий функцию фотосинтетической антенны, и. Экспериментальное доказательство олигомерной организации пигментов в антенне зеленых' бактерий. // Молек. биология, 1996, т.30, вып.2, с. 442-448.

12. Novoderezhkin V.I. Exclton Interactions and their influence on picosecond absorbance difference spectra of light-harvesting antenna of purple bacteria. // Program and Abstracts of 4th International Conference on Laser Applications in Life Sciences, Jyvaskyla, Finland, 7-11 Sept., 1992, p. 175.

13. Novoderezhkin V.I., Razjivin A.P. Exclton interactions and their Influence on picosecond absorbance difference spectra of light-harvesting antenna of purple bacteria. // In: Laser Spectroscopy of Biomolecules, Korppi-Tommola, Jouko E.I. (ed.), РГОС. SPIE, 1993, v.1921, p. 102-106.

14. Razjivin A.P., Novoderezhkin V.I. Picosecond absorption spectroscopy of photosynthetic objects. // In: Laser Spectroscopy of Blomolecules, Korppi-Toranola, Jouko B.I. (ed.), Proc. SPIH, 1993, V.1921, p. 112-121.

15. Novoderezhkin V.I.; Razjivin A.P. Excltonlc interactions in the light-harvesting antenna of photosynthetic purple bacteria and their Influence on picosecond absorbance difference spectra. // FEBS Lett., 1993, v.330, p. 5-7.

16. DanielluB R., Novoderezhkin V., Razjivin A. Picosecond absorbance difference spectra of the antenna of photosynthetic purple bacteria. The influence of exclton interactions and llbratlons // FIBS Lett., 199«, v.345, p. 203-206.

17. Novoderezhkin V.l., Razjivin A.P. Exciton states of the antenna and energy trapping by the reaction center. // Photosynthesis Research; 1994, v.42, p. 9-15.

18. Novoderezhkin V.l. Exciton-phonon interaction in one-dimensional molecular systems: application to light-harvesting complexes of photosynthesis. // Program and technical digest of 5th International Conference on Laser Applications in Life Sciences, Minsk, Belarus, 1994, p. 115.

19. Novoderezhkin V.l. Exciton-phonon interaction in one-dimentional molecular systems: application to light-harvesting complexes of photosynthesis. // 5th International Conference on Laser Applications in Life Sciences, Apanase-vich P.A., Koroteev N.I., Kruglik S.G., Zadkov V.N. (eds.), Proc. SPIE, 1995, V.2370, p. 85-89.

20. Novoderezhkin V.l. Exciton model of primary processes of bacterial photosynthesis: spectra and energy transfer kinetics. // 5th International Conference on Laser Applications in Life Sciences, Apanasevich P.A., Koroteev N.I., Kruglik S.G., Zadkov V.N. (eds.), Proc. SPIE, 1995, ' v.2370, p. 463-472.

21. Novoderezhkin V.l., Razjivin A.P. Spectra and exciton dynamics in circular aggregates of the photosynthetic apparatus. // Photosynthetica, 1995, v.31, p. 147-151.

22. Novoderezhkin V.l., Razjivin A.P. Exciton dynamics in circular aggregates: application to antenna of photosynthetic purple bacteria. // Biophys. J., 1995, v.68, p. 1089-1100.

23. Dracheva T.V., Novoderezhkin V.l., Razjivin A.P. Exciton theory of spectra and energy transfer inphotosynthesis: Spectral hole burning in the antenna of purple bacteria. // Chem. Phys., 1995, v.194, p. 223-235.

24. Novoderezhkin V.l., Razjivin A..'. Excitation delocalizaiton over the vhole core antenna of photosynthetic purple bacteria evidenced by non-linear pump-probe spectroscopy. // FEBS Lett., 1995, v.368, p. 370-372.

25. Novoderezhkin V.l. Light-harvesting strategy in photosynthesis of purple bacteria. // Program of ESF Workshop on light-harvesting systems, Nant, France, 1995.

26. Fetisova Z.G., Hauring K., Novoderezhkin V.l. Organization of bacteriochlorophyll in chlorosomes of green bacteria: a

spectral hole burning study. // Program of ESF Workshop on light-harvesting systems, Nant, France, 1995.

27. Novoderezhkin V.I., Fetisova Z.G. Spectral hole burning as a test for exciton models of chlorosomal antenna. // Photosynthesis Research, 1995, Supplement 1, p. 39.

28. Fetisova Z.G., Novoderezhkin V.I., Taisova A.S., Mauring K. Problems of exciton dynamics in chlorosome antenna. // Photosynthesis Research, 1995, Supplement 1, p. 6.

29. Novoderezhkin V.I., Fetisova Z.G. Spectral hole burning as a test for exciton models of chlorosoraal antenna. // In: Photosynthesis: from Light to Biosphere, Mathis P. (ed.), Kluwer Academic Publishers, The Netherlands, 1995, v.l, p. 99-102.

30. Fetisova Z.G., Novoderezhkin V.I., Taisova A.S., Uzbekov R.E., Freiberg A.M., Tirapmann K.E. Dynamics of a cylindrical exciton in chlorosomes of green bacteria. // In: Photosynthesis: from Light to Biosphere, Mathis P. (ed.), Kluwer Academic Publishers, The Netherlands, 1995, v.l, p. 17-22.

31. Novoderezhkin V.I,, Razjivin A.P. Theoretical study of circular dichroism of thelight-harvesting antenna of photosynthe-tic purple bacteria:« consideration of exciton interactions and energy disorder. // Photochera. Photobiol., 1995, v.62(6), p. 1035-1040..

32. Fetisova Z.G., Freiberg A.M., Novoderezhkin V.I., Jaisova A.S., Tirapmann K.E. Antenna size dependent exciton dynamics In the chlorosomal antenna of the greeh bacterium Chlorofle-xua aurantlacus. // FEBS Lett., 1996, v.383, p. 233-236.

33. Fetisova Z.G., Freiberg A.M., Mauring K., Novoderezhkin V.I., Taisova A.S., Tirapmann K.E. Excitation energy transfer in chlorosomes of green bacteria: theoretical and experimental •tudies. // Biophys. J., 1996 (accepted).

34. Novoderezhkin V.l.,. Razjivin A.P. The theory of forster-type migration between clusters ofstrongly interacting moleculesi application tolight-harveating complexes of purple bacteria. // Chera. Phys. 1996, (accepted).

35. Dracheva T.V., Novoderezhkin V.I., Razjivin A.P. Exciton derealization in the antenna of purple bacteria« Exciton spectra calculatlonualng X-ray data and experimental site inhomogeneity. // FEBS Latt., 1996, (accepted).