Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Физическое моделирование нелинейных эффектов электронно-конформационных взаимодействиях в реакционных центрах пурпуровых бактерий

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Физическое моделирование нелинейных эффектов электронно-конформационных взаимодействиях в реакционных центрах пурпуровых бактерий"

ХАРМВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ

РГ8 О А

? /

КАПУСТ1НА Марина TapaciBHa

УДК 577.355

Ф13ИЧИЕ МОДЕЛЮВАННЯ НЕЛ1Н1ЙНИХ ЕФЕКТ1В ЕЛЕКТРОН-КОНФОРМАЦ1ЙНО( ВЗАСМОДИ В РЕАКЦ1ЙНИХ ЦЕНТРАХ ПУРПУРОВИХ БАКТЕР1Й

03.00.02 - 6¡o<t>¡3iiKa

Автореферат дисертац|| на здобуття наукового ступеня кандидата ф1зико-матсматичних наук

ХАРКШСЬКИЙ ДНРЖАВНИЙ УШВЕРСИТЕТ

КАПУСТ1НА Марина TapaciBiia

УДК 577.355

Ф13ИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ НЕЛ1Н1ЙНИХ ЕФЕКТ1В ЕЛЕКТРОН-К0НФ0РМАЦ1ЙН01 ВЗАеМОДМ В РЕАКЦ1ЙНИХ ЦЕНТРАХ ПУРПУРОВИХ БАКТЕР1Й

03.00.02 - бюфЬика

Автореферат дисертацп на здобуття паукового ступени кандидата ф!зико-математичних наук

Дисертацкга е рукопис

Робота виконана в 1нститут1 фЬнки Нашонально! академи наук Украши

Науковий KepißHHK доктор ф)зико-математичних наук, профссор Харкянен Валерии Миколановнч, 1нстнтут ф1зики HAH Укра'пш, завщувач вщдшу

Офшшш опонентн:

1. Доктор бюлопчних наук, старший науковий сгнвробшшк Горд1енко Свген Олександрович, 1нститут проблем Kpioöiojiorii' та крюмедицини HAH Украши, завадувач вцщшу.

2. Доктор фпико-математичних наук, старший науковни сшвробтшк Сержов Олександр Олександрович, Институт теоретично! ф1зики HAH Украши, головний науковий cneuianicT.

Провщна установа: Кишський нацюнальний университет ¡м. Тараса Шевчетса, кафедра б1оф1зики, MiiiicTepcTBO осв1ти, м.Кшв.

Захист вщбудеться " "/•/ " 06 1998 року о /5*"" годиш на замдант спещалповаио! вчено1 ради Д 02.02.13 у Хархюському державному ун1верситет!, 310077, м.Харюв, пл. Свободи, 4, ауд.7-4. ,

3 дисертацкю можна ознайомитись у Центральнш науковШ б1блютещ Харкшського державного ушиерситету, 310077, м.Харк'т, пл.Свободи, 4

Автореферат роз ¡слан и й ■ ©г _1998 р.

Вчений секретар спец1ал!зовано'1 вчено! ради, кандидат бюлопчних наук С.В.Гаташ

Актуальшсть теми. Встановлення ф!зичних мехажзм1в регуляцн процест фотороздтення заряд!в у бактер1альному фотосинтез! являе собою одну э найбтьш актуальних задач сучасно! бюфюики. Експериментальж дослщження, як! дуже ¡нтенсивно розвивалйсь останш десятирпчя, дозволили встановити, що перенос' елементарних зарядш у бюмолекулярних системах та пов'язаж з ним конформац!йн! перебудови у б!лково-мембранних макромолекулярних комплексах складають основу енергозабезпечення клтш орган!зму на молекулярному рты.

Реакцмний центр (РЦ) фотосинтезуючих бактер!й е ¡нтегральним б!лково-л!гментним комплексом, здатним у фотозбудженому стан1' до первинного роздшення заряду. Його можна уявити у вигляд|" складно? бтково? матриц! з вбудованими в не! молекулами (редокс-кофакторами), що проявляють донор-акцепторж властивост! вщносно фотозбуджених електрожв Трансформащя енергм у фотосинтез! здмснюеться, коли енерпя електронНого збудження, що м1грус по св1тлозбираюч)й антеж, захоплюеться фотоактивним жгментом реакц!йного центру.. Фотозбуджений електрон з донора - димера бактерюхлорофту Р по ланцюжку пром1жних акцептора переноситься на вщстань -30-40А на первинний х!нонний акцептор а пот!м стабЫзуеться на вторинному хшонному акцептор!' <3В, створюючи рЬннцю потенцшл)'в на фотосинтетичжй мембран|.

Чисельн! експерименти показали, що на ефективжсть роздтення заряду та швидкють послщовного переносу електрона через сер|'ю акцептора, наряду з ¡х природою, виршальний вплив мае бткове оточення. Суттева рухливють сгруктури бюлопчних макромолекул разом з дуже сильними електричними полями, що виникають бЫя мюць локал1зац!Т електрожв в процеа переносу, можуть бути домшуючими факторами, що впливають (через перебудову структури макромолекули) на швидкють електронного потоку. В загальжй теори електронного переносу це питания представлено недостатньо повно та детально, хоча I пщкреслена його важливють. Встановлення зв'язку мЬк структурою та основними константами функщонування РЦ е основною задачею в дослщженж цих об'ект!в. Для виршення ц1е! проблеми робляться спроби використати р1зн) методи, але поки що жоден з них не дае можливосл описати конкретж ф!зичж мехажзми регуляцм ефективност1 фотороздтення заряд!в за рахунок конформацшних перебудов структури РЦ. Досигь часто використовуеться метод молекулярно! динамки. Однак тут виникають принципов! трудной^, пов'язаж з багатовим!рнютю задач!, осмльки до складу РЦ входять десятки тисяч атомов, пов'язаних М1'ж собою складною взаемод!ею, характерж часи яко'( становпять приблизно 10"13 10"'5 сек., а характеры часи структурних зм!н, яю дають вагомий внесок у функц!онування РЦ лежать у широкому д!апазож вщ 10 9 до 10 3 сек. Очевидно, що пром|'жок

часу на якому слщ шукати розв'язок задач1 про залежнють мЬк структурою та функцию, е занадто великим пор1вняно з елементарним кроком пошуку розв'язку 1' цей факт не дозволяв врахувати разом вЫ м1жатомн1 взаемодм та структурж змши на всьому диапазону часу. Тому актуальним е пошук нових метода моделювання, що використовували б загальш уявлення про динамЫж та юнетичж якост1 молекулярних систем I могли б досить точно вщтворювати характер функцюнування РЦ .

Мета роботи. Метою даноТ роботи було створення натвфеноменолопчно? теори нелжшних ефектш, пов'язаних з1 взаемодюю фотозбуджених електрожв ¡з структурою бюмакромолекули у реакцГйних центрах пурпурових бактерш та побудова на Ц)й основ! ф)зичних моделей для опису Тх функцюнування.

Основж задач! дослЩження. Важливо пщкреслити, що об'екти, яю ми розглядаемо, якщо не зосереджуватись на !х бюлопчному походженж, по суп дуже близью до традиц1йних об'ект!в, що вивчаються у ф1зиц1 конденсованого стану (наприклад, примюн1 нап1впровщники), але, в той же час, вщр1зняються вщ них бшьшою складнютю та примхливютю конструкцп, що потребуе розгляду П у динамвд. Тому в процей виконання роботи виршувались таю завдання:

1. Створення загального теоретичного пщходу, що дозволив би описати взаемозалежну поведшку потоку фотозбуджених електрожв 1 конформацшного стану РЦ фотосинтетичних бактер!й.

2. Побудова теоретичних моделей, що описують ефекти саморегуляцп та самооргажзаци в РЦ фотосинтетичних бактерш без та з вторинним хЫонним акцептором. •

3. Проведения експериментю для з'ясування параметр1в системи, актуальних при побудов1 теоретичних моделей. ••

4. Створення на основ1 теоретичних моделей комп'ютерних програм та проведения з 1х допомогою юльюсного та яюсного анализу експериментальних результате. • • , .'

Наукова новизна. Теор1я електронного переносу, що звичайно використовуёться для опису електронного транспорту в РЦ, розглядае цей процес як неад1абатичний. В|'н являе собою тунелюваиня електрожв м!ж двома редокс центрами, ям одночасно зазнають температурних та квантових флуктуацш. Дуже важливим е те, що, як правило, у всю експериментальних та теоретичних роботах, цей перехщ описуеться як поодиноке явище, коли взаемодя м1ж електроном та оточуючим його серёдовищем сутгева тшьки для даного конкретного переходу. Насправд1, електрон, що переноситься, створюе навколо себе на вщстаж ~ 1А сильж електричж поля ( до 108 вольт/см), що здатж викликати значж структурж змЫи. Часи релаксацм таких змш лежать у

дуже широкому д1апазонк вщ ктькох п1косекунд до дектькох годин. Це означав, що за час м1ж двома послщовними актами електронного переносу конформацмна структура центру не встигае в1дрелаксувати ¡, таким чином, кожен наступний електрон "вщчувае" структурж змжи, що залишив його попередник'. Природно, що це вщбуваеться т!льки у випадку достатньо велико! ¡нтенсивност1 збуджуючого светла, коли час м1ж двома послщовними актами переносу електрона менше н1ж час релаксацп структурних змЫ, ям виникають. В залежност вщ швидкост! прибуття кожного наступного електрона структура зсуви можуть пщсилюватись та накопичуватись, отже, можна говорити про свого роду "пам'ять'Чмакромолекулярно! системи. Це означав, що швидюсть кожного наступного акту електронного переносу буде залежати вщ того, через який час теля свого попередника в1н буде рухатись через систему. Наявнють подобного механизму приводить до ефект!в "саморегуляцн" електронного потоку в бюлопчнм систем! \ дозволяе говорити про П нелжшну динамЫну поведжку. Зокрема, виникають ефекти, ям можна розглядати як фотождукований "нержноважний фазовий пёрехщ",

Наукова новизна запропонованого теоретичного Ыдходу полягае у тому, що реакцжний центр описуеться як самоузгоджена колективна система, яка складаеться з фотомобЫзованого електрона та деякоТ видтено! структурно! змжно!. Припускаеться, що ця структурна змжна впливае на ефективнють переносу електрона ¡, таким чином, вщповщальна за нелжжне поводження системи у процесс проходження електрона через РЦ.

В основу теорм, що розвиваеться, покладено уявлення про те, що процес фотоактивацн' реакцжного центру, враховуючи ¡ерарх1ю по часу, можна розбити на дв1 стади:

1)тунелювання електрона з одного кофактора на ¡нший; пщ час щеТ стадм конформац|'йнйй стан макромолекули можна вважати хезмЫним, а сам! тунельй переходи м1ж кофакторами у РЦ можуть бути описав системою баланс.них рпнянь; .

2) конформацжний перехщ само! макромолекули, викликаний змжами розподту електронно! густини. Вщповщж ржняння руху для структурно! змжно! е ржняннями Ланжевена. На протяз! ще! стадП розподш електронно! густини ад1абатично змГнюеться 31 змжою структури РЦ.

Для опису динамнних • та стохастичних якостей системи в дажй роботе пропонуеться використовувати р1вняння типу Фоккера-Планка для сптьно! функци розподшу фотомобт13ованого електрона I структурних змжних. Таке р1вняння буде точно враховувати вплив електрон-конформацшно! взаемоди на стохастичну поведжку вс1е! системи.

Практичне значения роботи полягае в .тому, що запропонована теорж I •побудован! на П основ! модел1 дають змогу пояснити з ф1зично! точки зору

нелЫ!йж ефекти електрон-конформацмно! взаемоди у реакцмних центрах пурпурових бактер1й. У робот! показано, що саме ц| ефекти складають основу керування потоком фотозбуджених електронгв РЦ, 1 можуть бути викорисгаж при створена штучних систем молекулярно? електронжи та бюкомп'ютингу. Розроблено комп'ютерж програми, за допомогою яких проведено числов! експерименти. Комп'ютерн! розрахунки, проведен'! на основ! розроблених моделей ямсно, а в деяких випадках I к!льюсно, сшвпадають з ' експериментальними даними. Створен! програми можуть бути використаж в плануванж подальших експериментш та ¡нтерпретацп ?х результате.

Зв'язок роботи з планом науково-дослщних роб№

Дисертащя виконувалась у вщд!л! ф1зики б1блог1чних систем Ыституту ф!зики НАНУ у в1дпов!Дност1 з планом науково-дослщних роб!т по тем! "Дослщження ф!зичних властивостей та механ!змщ функц!онування бюлопчних молекул та утворених ними структур. Розробка на ц,1й основ! нових методик та пристроТв в галузях молекулярно! електрон'1ки, еколоп? та бюмедицини", що затверджена Постановою Бюро ЕИддшення ф1зики та астроном!) НАНУ 19 грудня 1995 року, номер д/р. 1.4.1 В/27.

Особистий внесок автора.

Особистий внесок автора пщтверджуеться опублшованими роботами автора. Всього результати дисертац!йно1 роботи вщображен! в 11 публжацтх. В роботк [1] - автор приймав участь у розробц1 теоретичного Ыдходу; !й належить весь обсяг роботи, пов'язано! з числовими дослщженнями та комп'ютерним моделюванням кЫетики рекомб!нацп фотозбудженого електрона; числова реконструкция конформацШних поте^ц/ал1в системи з електроном на донор! та первинному хЫонному акцептор!. В роботах: [2,3,4,5] - автору належить весь обсяг роб!т пов'язаний з числовим та комп'ютерним моделюванням самоузгоджено! поведЫки електронних та конформац!йних рух!в, участь в розробф анал!тичного п!дходу !. обговоренж результате експерименту.

В роботах: [6,7,8] - автору належить частина роботи пов'язана з обробкою та анализом експериментальних дани*, участь й постанов^ задач! експерименту та обговорен! його результате. '

В роботах: [9,10,11] - особистий внесок автора полягае в участ! у розробш теоретичного пщходу до Моделювання нелшжних ефектш елёктрон-конформацшно! взаемоди з урахуванням стохастичних ефект!в ансамблю РЦ; автору належить весь обсяг робп- пов'язаний з числовим та комп'ютерним моделюванням; автором було запропоновано використання функци Морза для

початково! форми ад1абатичного потенц1алу i були проведен! необхщж розрахунки.

Апробац|'я роботи

Результати роботи доповщались на: сем1нарах Вщдтення фЬики бюлопчних систем 1Ф НАНУ; наукових семжарах 1нституту фпики НАНУ; семшар1 1нституту ф1зюлогм рослин НАНУ; 1-му з'Узд1 укражського бюф1зичного товариства, (Ки|в,1994); International Symposium "Charge and Field Effects in Biosystems" USA.Richmond^ June,1994; 12 Республ1канськ1й школ1-семшар| "Спектроскогня молекул та кристалл", Нежин, 1995; International conference on "Nonlinear dynamics, chaotic and complex systems", Poland, 1995; 3rd European Conference on Mathematics Applied to Biology and Medicine,Heidelberg, 1996; seminar Biophysics department of Free University of Amsterdam, 1996; XIII нацюнальый школьсемЫар1 з мЬкнародною участю "Спектроскотя молекул та кристалш", Суми,1997; seminar Max-Planck-lnstitut fur Strahlenchemie, Mulheim, Germany,1996,1997.

Публ1кацн. Матерели дисертацГг викладеш в 11 журнальних статтях.

Структура та обсяг дисертацм. Дисерташ'я складаеться ¡з вступу, чотирьох орипнальних роздЫв, лщсумкових висновюв та перел1ку використано'| лтератури ¡3 151 найменування. Роботу викладено на 158 CTOpiHKax друкованого тексту, вона мютить 35 рисунюв.

У встуги подана загальна характеристика роботи, показана актуальн'ють обрано'| теми, сформульована мета та задач! дослщження.

Po3flin 1 присвячений огляду лтератури. В ньому аналЬуються сучасн1 погляди на процес переносу заряду у фотосинтетичних реакцшних центрах, подаються eiflOMOCTi про структуру РЦ пурпурових бактер|й, ефектившсть та швидмсть транспорту фотоактивОваного' електрона через РЦ. Детально аналюуеться схема електронних переходш у фотосинтетичних РЦ.

■а^В

к

Рис. 1 Спрощена схема процесу фотороздтення та елёктронного переносу "у фотосинтетичних РЦ пурпурових бактерий. к| - вщловдн! швидкосл переносу електрона, пр,

Ив пА, пв - густина електронноГ

Р

заселеност1 на тгменп Р , первинному та вторинному Qb хжонних акцепторах.

Виходячи з аналйу л'иературних джерел показано, що ужкальн! властивост! фотореакцшних центр1в т!сно пов'язаж з1 структурою цих бтково-шгментних комплексе. Експериментальж свщчення про ефективнють переносу електрона, що отримаж р1зними авторами у широкому температурному ¡нтервал!, дозволяють вважати, що власне електронний перехщ являс собою тунелювання електрона м/ж донор-акцепторними парами (редокс-кофакторами). Згщно з теор1ею Маркуса швидюсть прямого електронного переносу м1ж двома молекулами залежить вщ трьох фактора: перекриття електронних хвильових функцш двох молекул; р1зниц! редокс потенцшлт молекул та величини енергП реорган!зацп, котра визначае ёнерпю, що необидна для перебудови молекули при втрат! або приеднанж електрона. На величину матричного елементу електронного переходу суттево впливае просторова та електронна структура - при змш! вщстан! м!ж кофакторами на дол! ангстрема швидюсть змжюеться у кшька раз!в .

Досл!дження, що були проведен! -багатьма авторами на модельних системах, переконливо довели, що на реакцмну властив!сть та ефективнють взаемодм редокс-компонентш фотосинтетичних електрон-транспортних ланцюпв вир^шальний вплив справляе Тх бшкове оточення. Досить довгий час вважалось, що фотосинтетичн! б!лки в основному виконують функцш ноет вбудованих в нього редокс-кофактор!в, а ефективн!сть переносу електрона регулюеться головним чином високочастотними внутршньомолекулярними коливаннями самих кофактор1в, як! акцептують частину енерп! електрона. Однак подалыиий перебг досл!джень, особливо стимульований вивченням температурних залежноетей електрон-транспортних процес!в в РЦ, показав, що адекватна ф!зична картина функцюнування цих комплекса може бути отримана ттьки при врахуванн! низькочастотних рух!в б!лка. Значения останжх при ць'ому значно ширше, н!ж проста можлив!сть внесения'деякого, хай нав1ть суттевого внеску у процеси дисипацм частини енерги при стаб!л1зацм електрона.

Дал! у роздш! анал!зуються р!зн! шдходи, що використовуються для моделювання процесу електронного транспорту у РЦ, показано ■ недол!ки ¡снуючих моделей ! обгрунтовуеться новий п1дхщ до моделювання нелЫмних ефект!в електрон-конфбрмац'1йно1 взаемодм в ФРЦ.

Розд1л 2 присвячений вивченню та моделюванню електрон-конформац1йно1 взаемодм в реакцмних центрах, що мають ттьки первинний хшонний акцептор. Так! РЦ можна отримати пюля обробки препарат!в РЦ ортофенонтрол!ном, що блокуе перех1д на вторинний акцептор (Зв- Осктьки час життя електрона на пёрвинному х!нонному акцептор! Од на юлька порядюв довший н!ж на вс!х пром!жних стадях, яю вЫ проходить пюля поглинання

кванту св1тла I до попадания на 0А, то в умовах стацюнарного осв1тлення заселен1стю пром1жних станш, можна знехтувати пор1вняно ¡з засележстю стамв з електроном, що знаходиться на донорI - димер| бактерюхлорофту та на первинному хЫонному акцептор!. Схема переходе буде мати простий

ВИГЛЯД1.

к' ) ,

РОд^__Р+<За (1)

• к-1

Константа швидкосл к| - пропоршйна ¡нтенсивносл д!ючого св1тла I I в реальних умовах саме вона л1м1туе попадания електрона в електрон-транспортний ланцюг. Тому подал) ми будемо використовувати замють константи 1<1 ¡нтенсивнють збуджуючого св1тла I , визнечаючи П в одиницях, що вщповщають ктькосл актш роздтення зарядш в одиницю часу, Константа рекомб1наци к.|, в загальному випадку, е функщею вщ багатьох структурних змшних, ям визначають положения рухомих елементш РЦ. Осюльки рекомбЫащя електрона з первинного акцептора мае тунельний характер, то в робот1 [О.ЮеМеИ, М.Окатига.С.РеЬег, 1984] було запропоновано структурну координату ототожнювати з вщстанню, на яку тунелюе електрон, тому 1цо час рекомбЫаци електрона експоненцжно зменшуеться з1 збтьшенням вщстаж м1ж донором та акцептором. Тому для к_1 використовуеться залежнють:

г га г г()

к_|(г) = ы АРе р = пе р; п = ш АРе р ; (2)

(!>ДР - швидкють рекомбжацГ! у темноадаптованих РЦ; г0 - вщстань м|ж донором та акцептором у темноадаптованих РЦ; г - пщстань в процесс фотождукованоТ перебудови структури РЦ р « 1а - характерний параметр тунелювання електрона,(подал1 ми будемо його опускати, зважаючи на те, що вж приблизио ршняеться одинищ).

Спшставляючи характерн! часи I вщстаж електронних та конформащйних перехода, приходимо до висновку, що загальний процес можна розбити на ряд бтьш простих стад1й: ~

1) тунелювання електрона з одного кофактора на ¡нший; на протяз1 ц1е! стад! конформац1йний стан макромолекули будемо вважати незмЫним;

2)конформац1йний перехщ само! макромолекули, викликаний зм!ною розподту електронно! густини; протягом ц!е1 стадп розподт електронно! густйни адабатично прямуе за змжою структурно! змЫнОТ. При цьому електронний стан завжди знаходиться в р1вновазГ з1 структурою макромолекули.

Розглянемо першу стад1ю процесу фотоактиваци РЦ. При змж! ¡нтенсивност! фотоактиваци в систем! починаеться перерозподт електронно!

заселеносп кофактора. Ui перехщж заселеност1, що залежать вщ часу, позначимо вщповщно p(t,P) i p(t,A) i вони будуть визначати ¡мов1рн1сть знайти систему в момент часу t вщповщно у стан] з електроном на донор! або первинному хжонному акцептор!. Стацюнарн! заселеност!, котр! досягаються при сталЖ фотоактивацм системи, пюля завершения перехщних процес!в, позначимо Пр та Пд

За рахунок взаемодп фотоелектрона з дуже швидкими тепловими коливаннями атома (часи релаксаци ~10-,3-10пс), що служать йому за термостат, квантовий рух електрона, що описуеться хвильовою функц!ею, стае натвкласичним i може бути описаний нер1вноважною матрицею густини, AiaronanbHi компоненти яко1 е, в нашому випадку, заселенютю кофактор'.в. 3 причини довго! локал1зацП електрона на окремих кофакторах, рух електрона можна вважати марковським, а вщповщна система р1внянь для заселеностей матиме балансний вигляд. Пюля подстановки вираз1в для констант швидкостей у балансне ршняння маемо:

^%^ = -Ip(t,P) + r1e-r.p(t,A) (3)

at

з урахуванням нормування p(t, Р) + p(t, А) = 1

Для вщображення повшьних конформац!йних зм(н в РЦ уявимо, що донор та акцептор являють собою гарможчний осцилятор у вигляд! точкових мае 3i з'еднуючою пружиною, роль якоТ, виконуе бткове оточення. Вважаючи, що в загальному випадку система виконуе мал1 коливання навколо положения р'шноваги, можна записати р'шняння руху у вигляд'| р!вняння Ньютона для гармон!чного осцилятора. В умовах стац!онарного осв1тлення i нехтуючи флуктуац1ями, вщетань м!ж донором та акцептором буде описуватись р!внянням:

Г = Г0 + (Гоо-Г0) ПА - (4)

де: Го, - максимально можлива в!дстань Mix кофакторами, що досягаеться при пост!йн1й локал1зацн електрона на QA ;

В умовах стацганарно! фотоак+иваци в систем! встановлюеться деяка постшна заселен!сть донора пр та х!нонного акцептора Пд, що залёжить вщ швидкост! переходе м!ж кофакторами. 3 р!внянь (3) та (4) маемо:

nA = Р(°°> А) =-i—r (5); г = г0 +(гда -г0)---— (6)

I + т\с I + це г

Р1вняння (6) визначае залежнють г вщ стацюнарно! 1нтенсивност1 фотоактивацм I. Граф!чний вигляд ц1е! залежност! вщ логарифму 1 представлено на рис.2.а. Досл!джуючи цю залежш'сть, легко виявити, що при (г^ - Го) > 4 вона набувае характерний S-образний вигляд, який евщчить про появу облает! 6icTa6mbHocTi, коли при одному ¡ тому ж зиаченн! ¡нтенсивност! I система

може знаходитись у двох pi3HHX стойких конформацЮних станах з р1зними значениями г.

Ад1абатичний потенщал системи U(r;I) можна визначити як потенщальну енергш РЦ, що пов'язана 3i змшою структурно! координати г, без урахування власноТ енергм фотоелектрона i яка вщповщае умов1:

¿U(r,I) Slip (г, I)

• Пр +

5UA(r,I)

па;

(7)

Гг ïr et

де: Up(r;i), UA(r;i) - потенщали системи y стаж з електроном, що локал1зовано в'|дпов!дно на донор! чи акцептор!. Вважаючи, що донор-акцепторну пару можна розглядати як передемпфований гармоннний

осцилятор, запишемо: Up(r;l)

blLlïSll ; иЛгЧ)- k<r~r")2 (8) 2 2

Залежжсть и(г) для випадку (Гда - го) > 4 при р!зних значениях штенсивност! 1 представлена на рис.2.б. Видно, що в деяюй облает! значень I система мае два спйких стани, що вщповщають двом м!жмумам адабатичного потенщалу

и(г).

а)

Рис, 2 а.) - Залежнють конформащ'йног координати г eifl (нтенсивност! д1ючого свала I в стацюнарних умовах. Залежжсть наведена для р!зних сп!ввщношень м|ж початковим (темновим) го ! максимально можливим (пюля довгого осв!тлення) г® значениями конформацЮно! координати. т)= Ю1г.

б) - Залежнють конформацжного потенц!алу U(r) в!д конформацЮно! зм!нно1 г для випадку (гда - го) > 4 при р!зних значениях ¡нтенсивност! евггла 1:1-1 =0; 2 - 1=1 сек" 1; 3 -1 =20 сек-1; 4 - 1 =200 сек1; 5 - 1=10000 сек '; Значения ¡нших параметра було однаковим для Bcix кривих : т|= 1012; го=20; гда=30. •

Розглянемо В1'д чого залежить середжй час життя фоторозд!леного заряду в систем!. BiporiflHicTb o(t) знайти систему з, фоторозд!леними

зарядами в момент часу t визначаеться як в!рогщн!сть вщеутност! електрона на донор!.

c(t)=1-p(t,p) <9)

У випадку донор-акцепторноТ пари в стацюнарних умовах, маем о:

a(cc) = —L_ (10),

Середжй час життя фотороздтено'| електрон-дфково'| пари, яке ми позначимо т, можна визначити як вщношення ¡MoeipHocTi стацюнарного фотороздтення заряду ст(=о) до iMOBipHOCTi того, що вщбудеться рекомбЫащя вже роздтеного заряду. 3 урахуванням р!внянь балансу це можна записати у виглядк

ст( /.)

Т = / р I (11)

p(°°i Р) I

для двор1внево! системи: i X = (k_|)~'

Для загального випадку донор-акцепторно! системи з кшцевим числом промЬкних акцептора з (9) та (11) випливае формула:

а(') - 1 j (12)

I + Т

3 лтературних джерел вщомо, що швидисть темново? рекомбЫацм у темноадаптованих i св1тлоадаптрваних зразюв РЦ вщрЬняеться приблизно у 4 рази (МО) ~ (25 мс)"1 ; k„iH « (100 мс)"1 ).

k_,(0) = Пехр(-гр) = )к100 (13)

к_,(со) г, ехр(-г„) " 25

звщки: г^ - Го к 1.4

Дуже схож1 ощнки подаються в роботах по кристалографНним дослщженням РЦ. Так в робот; [Deisenhofen J.,1985] вщстань ij оцшюеться приблизно в 20Ä, а г«, » 21А. Таким чином умова (Гсо - Го) > 4 для РЦ пурпурових бактерм без вторинного хжонного акцептора не виконуеться. Це означав, що сила, електрон-конформац1йно'|' взаемодн недостатня для того, щоб створити умови для появи в систем! фотоактивованоУ бютабтьност, i нел|жйж ефекти у функцюнуванж системи будуть проявлятись слабо. Зпдно з побудованою теорию було проведено аналЬ кривих темново)' релаксацй коефМента оптичного пропускания зразюв РЦ i в результат! отримано вид адшбатичного потенциалу системи для темно i свгаоадаптованих зразюв. Реконструйоваж потенц1али . виявились дуже подбними до тих, що були знайдеж в експериментальжй poöoTi [Kleinfeld et al, 1984].

У розд1Л1 3 розглядаеться процес переносу фотозбудженого електрона, що вщбуваеться в систем! РЦ з двома xiHOнними акцепторами. Спрощена схема такого процесу (при нехтуванж пром1жними короткоживучими станами) мае вигляд:

кч

-» , -=-->

РОлОв ,_P + QaOB <_P4QAQ"B

•<- -

k3

Для заселеност! piBHis системи з фжсованою структурою p(t,P), p(t,A), p(t,B) (значения P, А, В вказуе, що електрон локал1зований, вщповщно на донора первинному або вторинному х'жонних акцепторах) можна записати систему балансних р1внянь:

fdp(t,A)

-(k_| +k2) p(t,A) + k, p(t,P)+k2 p(t,B) dp^B) = _(kj + k_2). p(t>в) + k2 • p(t,P)

(14)

при виконанж умови нормування: p(t, P) = 1 - p(t, A) + p(t, B) де: k| ~ I;

k_| (r) = г)e~г. Спшвщношення Mix константами швидкостей (для Rb.sphaeroides) в нормальних умовах мае такий вигляд:

к2 » к., > к,, к.2 (15)

звщки випливае, що в стацгонарних умовах засележсть первинного акцептора Чд дуже незначна пд «1. Отже, змтою величини г можна знехтувати i вважати, що k.i =Const. кг- швидмсть переходу з Qa на Qb-k_2 - швидкють зворотного переходу з Qb на QA.

В трир|'внев|'й систем! електронних переход!в в РЦ юнуе два можливих шляхи повернення електрону з вторинного акцептора Qb на Ыгмёнт Р. Один -пряма рекомбжащя Qb-»P 3i швидюстю кз , другий - повернення через первинний акцептор Qb-»Qa-> Р- В)домо, що в.р^них реакцмних центрах, в залежносл вщ зовн!шн1х умов, реалЬуеться той чи ¡нший шлях i в po6oTi також розглядаються два можлив! варианта. Зупинимось детальнее на випадку, коли повернення електрона з Qb вщбуваелъся ттьки через первинний хжонний акцептор Qa, тобто к3 =0.

Для сгпввщношення констант швидкостей, виходячи з принципу детально!

к ~а

ршноваги запишемо: —— = еК|,т (16)

к-2

де ддв - р1зниця вшьних енерпй Mix ршнями P+QaQ ' P+QaQb-

Ми вважаемо, що повмьн! конформацмн! перебудови, як1, впливають на значения Ддв, можуть бути описан у вигляд едино! узагальнено! структурно! змжно! х. Така змжна в!дображае комплексну реконструкц!ю в систем! i може бути введена таким же шляхом, як ! "координата реакцп" в Х1м1чн1й к!нетиц|. Ми припускаемо також, що Дав е однозначною функц!ею структурно! змжно! i для спрошення будемо вважати залежжсть Mix Ддв • х лМйною. Покладемо:

х=ДАв\КьТ - безрозм1рна координата.

к-ч / х

Таким чином у, = е ¡, враховуючи (14) можна легко отримати вирази

'

для стацюнарних заселеностей пА I пц

пА =__!—_п„ =_ 1ехр(х-1-- (17)

А I - (I + схр(х)) + к„, в I (1 + ехр(х)) + к ,

Легко бачити, що ^^ = е~х «I (18)

ПВ

Ця нершнють означае, що трир1вневу систему, яку ми розглядаемо можна в стацюнарних умовах звести до дворшнево! системи:

__I__>

Р ______^___ В

" ¿еГГ ^ -.

Таким чином модель, що була побудована у роздЫ 2 ми маемо можливють використовувати для трир1внево! системи. Виходячи з цього, визначимо стацюнарну в1ропднють фоторозподту заряду:

о(оо)=Н-р(со,Р) = р(оо,А) + р(со,В) = --(19)

1+ К 1 1 + е*

( к-1 V1 '

звщки: X = ——— . 3 цього випливае, що середнЫ час життя

V] -»

фотороздтеного заряду при наявност кофактора В збтьшуеться в (1+ех) раз пор1внянню з системою, що мае ттьки первинний акцептор. Система з вторинним акцептором може мати область бютабшьносл, де при одн^й ) лй сам1й ¡нтенсивносл фотозбудження- можлив1 конформац|йн1 стани з р1зним часом життя фотороздтеного заряду. Величина змЫи х для таких систем буде залежати в\д сили електрон-конформацшноТ взаемодп, що виникае в процос! переносу фотозбудженого електрона через систему РЦ. Наявнють в систем! такого мехашзму зворотного зв'язку, повинно призвести до появи ефекту, яю1Й можна назвати "пам'яттю" системи I яскравим проявом яшго буде пстерезисна залежнють деяких параметр1в системи вщ ¡нтенсивност! фотоактивацн. Експериментальн1 дослщження, що були проведен! в наищ лабораторм довели правильность таких припущень.

Однак, для того щоб коректно сшвставити запропоновану теор1ю з експериментом, необхщно врахувати температурний розподш центр1в за обраною структурною координатою х.. Тому наступний роздт 4 присвячений побудов! модел! функцюнування фотореакцмних центрш, що враховуе статистичну поведЫку ансамблю РЦ.

Введемо функц1ю Р|(1,х), яка визначае спшьну 1моВ1рнють знаходження електрона на ¡-тому мюц1 локал1зацн ( г = Р,А,В) \ одночасно знаходження РЦ

в дан1й структурна! конф1гурацп, що вщповщае координат! х. Загальним ршнянням, яке буде описувати еволюц1ю такоТ функци, буде р1вняння типу узагальненого диференц!ального р1вняння Чепмена-Колмогорова. При використан! ад1абатичного наближення, можна легко перейти до р!вняння типу Фоккера-Планка для функци розподту ттьки по конформацмжй координат!':

гР«,х) _р д

д{ дх

1 йУа1,(х) + 1 а

„т . ■ Р(»,*) (20)

КЬТ дх 2 дх_

де Уа(1(х) можна розглядати як аналог ад1абатичного потенц1алу для повшьноТ

структурно! змшно!, що характеризуе м1ру ад1абатичноТ дм електрона на структурну компоненту при стацюнарному освкленж.

В свою чергу, стацюнарний розподш електронно! заселеносл залежить шд ¡нтенсйвносп св1тла I, яку можна розглядати як керуючий параметр. Якщо в систем! встановлюеться стацюнарний режим, то:

_у!,,<х) 3,<|{-х>

Р,(оо,х) = г-'е" к"т ; Ъ= • е к"т ; (21)

С хяЬж

Значения конформацмно! координати, в яких функцт розподту Р1(=о,х) мае максимуми ¡, як1 вщповщають стацюнарним станам РЦ при деякому ф!ксованому значению I, знаходяться з ршняння:

Легко бачити, що в цьому випадку потенщал ствпадае з адшбатичним потенц!алом, який був введений зпдно з (7) у другому роздт! роботи. Аналопчно тому, як це було зроблено в попереджх роздшах, можна, задаючи початковий (темновий) 1 кшцевий (св!тловий) вигляди адабатичного потенц1алу, отримати його форму в процеа змЫи ¡нтенсивност! фотозбудження. У випадку, коли адшбатичний потенщал у деякому д1апазож ¡нтенсивностей мае яскраво виявлений двоямний характер, к1нетику розподту ансамблю РЦ справедливо описувати у два етапи. Перший - це процеси релаксаци всередин! потенцшних ям I другий - переходи м:ж ямами.

Розглянемо випадок коли температурними переходами через максимум потенц!алу можна знехтувати. У цьому раз! максимум ад!абатичного потенцшлу розбивае область зм!ни структурно! змЫноТ на дв1 частини, в кожн!й з яких функцм розподту прямують до р!вноважного вигляду незалежно одна вщ одно!. Р!вноважний розподт локалЬований в кожжй з областей в окол1. м1жмуму потенц!алу структурно! зм!нно!, тобто визначае два конформацЮж стани для РЦ.

Нехай при деяк!й ¡нтенсйвносп св!тла потенцШний максимум розд'шяе загальну юлькють РЦ на дв1 частини. Частина загально! ктькост!

Р(х)

ВЩНОСИТЬСЯ ДО UeHTpiB у ЯКИХ X<Xmax i, ВЩПОВЩНО, (1-V<|) до ТИХ, у яких

х>хтах. Функцы розподту для такого випадку може бути записана у вигляди

-г-\ ,-Vad(x,lh „ ■ xmrax ,-Vad(x,l),. vdZ( 1 ехр(—гг^г- )> Z, = f ехр(—х < х,„ах

Чг - Ч1 (25)

(l-vd)Z2-1eXp(^^), Z2= ] х > хшах

hb' хшах Kb'

В npoueci змши ¡HTeHCHBHOCTi i зсуву точки потенц1йного бар'еру хтах буде вщбуватись перерозподт центр|'в mîjk областями.. При цьому ктькють центр1в, що перейшли з одно? потенЩальноТ ями в ¡ншу ¡, таким чином, змЫили св1й конформацшний стан, буде.залежати вщ форми ад1абатичного потенц1алу, що мав ансамбль РЦ до змЫи ¡нтенсивностг i пюля. Таким чином динамжа перерозподшу системи центр1в м1ж двома р1вноважними станами в процес! змши ¡нтенсивност! фотозбудження бще залежати вщ попереднього стану системи i в цьому випадку ми маемо право говорити про наявнють свого роду пам'ял в системи Одним з яскравих проявш такого ефекту пам'ятг повинна стати, передбачувана Teopieio, пстерезисна повед^нка залежност! vd вщ штенсивносп фотозбудження.

Для пор^вняння теорИ з експериментальними даними необхщно провести анал1з макроскопмних параметров РЦ, яи спостерогаються експериментально. Основним параметром, з яким ми будемо проводи™ поршняння, е оптичне поглинання зразюв РЦ. Вщомо, що коефщснт оптичного пропускания a(t) на довжиж хвил1 >.=870 нм пропорщйний ктькост1 окислених п1гментш. бактерюхлорофту (донор(в) в ансамбл1 РЦ. Отже,: для визначення a(t) BiporiflHÎCTb знаходження електрона поза донора (l-p(t,x,P)) повинна бути усереднено по bcîm можливим конф1гурацЫм, в яких може знаходитись реакц|'йний центр.

u(t) = ]p(t,x) (1 - p(t,x,P)) dx (27)

— со .

Розглянемо приклад конкретних експериментш, що були спрямоваж на визначення ¡снування тих нел]жйних динамЫних ефектш, що передбачала теор|'я.В експеримент! використовувались РЦ пурпурових бактерш Rb.sphaeroides, штам R-26 у вигляд! суспензм. В ход1 експерименту . вим1рювалась змжа максимально! полосй поглинання (Х=865 нм) димеру 6актерюхлороф1ла. Спочатку ¡нтенсивнють фотоактиваци збтьшувалась вщ нуля до деякого максимального р'шня lITiax, а пот1м зменшувалась в зворотному порядку до нуля. При кожному новому значенж ¡нтенсивностт система витримувалась перюд часу, достатнш для досягнення кваз1-стацюнарного стану i п^сля цього проводились вим1ри максимально! полоси поглинання.

Рис. 3. Експериментальна (точкова) I теоретична (суцшьна та пунктирна) крив! залежност! зм1ни оптичного поглинання для РЦ РЬ.БрЬаегсийез вщ ¡нтенсивност! дючого свггла. Теоретичж крив! були отримаж при таких значениях параметр'1в: 1).. К.,=9; ¡8=11; к=1.2; х0 =1. -суцшьна лМя; 2) к. 1=6; ¡в=10; к=1.8; х0 = 1 - пунктирна л!жя. АА865/ Авб5=0 -вщноситься до стану системи у вщсутносл свпла. Шкала оа х вказуе дол! вщ р!вня насичуючо! ¡нтенсивност! 1=1 (що доршнюе 2*10'5 кванта/(см2с)). Стршка вказуе напрям змЫи ттеисивност! фотоактииацн.

Експеримент показав яскраву пстерезисну поведжку коефщюнта оптичного поглинання в залежност! вщ ¡нтенсивност! фотоактивацм (рис.3, точкова крива). Результати розрахунюв по запропоноважй модел! з р1зними початковими умовами (див.пщпис до рис.3) ¡.з початковим ад!абатичним потенщалом у вигляд! параболнноТ функцл представлен! на тому ж рисунку суцтьною та пунктирною лш1ями. Видно, що теоретичж та експериментальна крив! дуже схож!. Ширина петл! теоретичного п'стерезису достатньо мала, що добре узгоджуеться з експериментальними даними I може бути пояснено тим, що при таких умовах експерименту т!льки невелика частина вщ загального об'ему РЦ переходить в новий конформац!йний стан I дае внесок в пстерезис. Для того, щоб суттево зблизити теоретичн! \ експериментальж peзVльтaти, необхщно якомога точжше знати форму ад1абатичного потенщалу. Ця важлива ¡нформацт може бути отримана з детального вивчення' юнетики темновоТ рекомбжацн РЦ ( тобто повернення електрона з хЫонних акцег1тор|'в на донор), що спостер1гаеться Ысля припинення фотоактивац!?. 3 щею метою нами були проведен! експерименти по вивченню юнетики Р+ рекомбшацп РЦ при р!знйх умовах осв!тлення . зразюв. Експериментальн! дан! були апроксимоваж з урахуванням запропонованоТ модел1 за формулою:

а(0 = |г-'е кьт • е"к 1е"" (28)

—оо

В якосте параметрш апроксимацм використовувались параметри адаабатичного потенц!алу. В результат! апроксимаци виявилось, що найкращим е задания початкового I юнцевого виду потенц!алу у форм! потенц!алу Морза I були отримаж параметрицих потенц1ал1в,

0,001 0,010 0,100 1нтенсивн1сть сштла I

Рис. 4. а). Ад|абатнчний потенфал та функцйя розподту системи по конформац1йжй змЫшй. 1, 3 - для системи адаптовано!' до темряви; 2,4 - для системи п1сля довготривало! фогоактивацп. б). Дщабатичний потенц1ал системи для РЦ при рЬних ¡нтенсивностях фотоактиваци. хо=1.97; хь=6.91; 1-1=0; 2 - I =0.07 сек1; 3 - I =0.1 сек1; 4 - I =0.2 сек'1; ; 5 - 1 =0.3; сек'1

На рис.4.а), представлена залежнють початкового (темпового) I юнцевого (св1тлового) конформацмного потенщалу та функцн розподту системи по конформацшжй координат), що лобудоваж по даним алроксимацГУ (28) кривих кжетики рекомбжащ!. ГПсля знаходження за допомогою експериментальних даних, параметра потетиалш ир(г;1), 11и(г;1) ми маемо змогу визначити форму ад1абатичного потенц1алу системи при р1зних ¡нтенсивностях фотозбудження злдно з (22). На рис.4.6). представлена ця залежнють, що побудована на основ1 даних рис.4.а. Виразно видно область бютабтьност1, яка виникае в систем! при значенж 1=0.085 та зникае при значенж 1=0.125. Наявнють обласл бютабтьносп, в нашому випадку, е необхщною умовою для виникнення пстерезисно! залежност! коефМента оптичного поглинання вщ ¡нтенсивност1 св1тла I пщтвердження справедливое^ висунуто! теорм. Таким чином, проведений аналю показав юльюсне 1 якГсне узгодження м1ж теоретичними та експериментальними даними.

висновки

1.Нел1жйж динамнж ефекти, що викликаж електрон-конформацшною взаемод1ею, вщграють суттеве значения в процеа переносу фотозбудженого електрона в реакцжних центрах пурпурових бактерм. .

2. Ефект саморегуляцм потоку фотозбуджених електронш в РЦ фотосинтетичних бактерм вщбуваеться за рахунок перебудови його структури, що викликана д'|ею електронного потоку. Змжа конформацш . макромолекули, в свою чергу, впливас на швидюсть електронного переносу м1ж'кофакторами. .

3.До найбтьш яскравих ефект1в саморегуляци вщноситься передбаченпй нами теоретично i отрицаний экспериментально - фотождукований фазовнй перехщ моностабшьнють <-■> бютаб!льнють.

4. В якост! узагальнено! змжно}, яка характеризуе структура перебудови макромолекули РЦ дощльно використовувати р'1зницю в'шьних енерпй фотозбудженого електрона на хжонних акцепторах, яка змшюеться пщ дею потоку cBiTria. В темноадаптованому стаж значения ДАВ менше нЬк це ж значения при довготривалому ¡нтенсивному фотозбудженж.

5. В результат! проведеного теоретичного анал1зу показано, що взаемод1я М1Ж фотороздшеними зарядами та бтково-акцепторн^ю конформащею е причиною для виникнення пстерезисно? поведжки коефвдента оптичного поглинання РЦ в залежност! вщ ¡нтенсивност фотоактивацн. Проведен'| експерименти повнютю пЩтверджують теоретичн1 висновки.

6. Запропонована модель добре узгоджуеться з вщомими експериментальними фактами по вивченню процеав переносу фотозбудженого електрона мЬк донором та хжонними акцепторами i може бути використана для обробки I планування подальших експерименлв.

Публ1кац!1, що вщображають основьн результатй дисертаци:

1. Капустина М.Т., Харкянен В.Н. Исследование кинетики рекомбинации фотомобипизованного электрона в бактериальных РЦ как метод изучения электрон-конформационного взаимодействия. -// Препр. АН Украины ИТФ-92-35Р. - 1992 .- Киев - 17 с.

2. Goushcha,А.О., Dobrovolskii.A.A., Kapoustina.M.T., Privalko.A.V. and Kharkyanen,V.N. "New physical phenomenon of dynamical self-organization in molecular electron transfer systems". // Phys.Letters - 1994-A191 - p.393-397.

3. Goushcha.A.O., Kapoustina.M.T., Kharkyanen.V.N. "Nonlinear Effects of Dynamic Self-Organization in Macromolecular System Caused by Photocontrolled Electron Flux". // J.Biol.Phys. - 1994 - N19 - p. 273-283.

4. Goushcha A.O., Dobrovolskii A.A., Kapustina M.T., Privaiko A.V., Kharkyanen V.N. Nonlinear Effect of Dynamical self-organization in macromolecular systems which is induced by photocontrolled electron flux. // Physics of the alive - 1994 - vol.2 - No.1

5. А.О.Гуща, А.А.Добровольский, М.Т.Капустина, А.В.Привалко, В.Н.Харкянен. НелМйних ефект динам1чно5 самооргажзацп у макромолекулярних системах, обумовлений фотокерованим поторокм електрона.// УФЖ -1995, 8 - v.40-С.784-790

6. Dobrovolskii,A.,Filippov,A..Goushcha,A.,Kapoustina,M.,Karataev,V.,Privaiko, А. and Kharkyanen, V. New approach to experimental investigation of dynamic seforganization in reaction centers of purple bacteria. // J.Biol.Phys.-1995-N21-4 - p.265-272.

7. О.О.Гуща, О.А.Добровольский, М.Т.Капустжа, В.М.Каратаев, А.В.Привалко, А.Г.Фшжов, В.М.Харкянен. Досл'щження бютабтьно! поведжки макромолекулярних систем з переносом електрон1в в експериментах з ¡млульсною фотоактиващею. //ДАН Укражи - 1996 - N7 - С.64-69.

8. A.Goushcha, N.Berezetska, M.Kapoustina and V.Kharkyanen, "Two stable electron-conformational states of photoactivated reaction center and their observation in primary donor recovery kinetics. // J.Biol.Phys.-1996 - 22 p. 113124.

9. Goushcha,A., Kapoustina.M. and Kharkyanen, Nonlinear dynamic modelling of photosynthetic reaction centers. // Journal of Technical Physics -1997 - 2 -p.283-287.

10. A.Goushcha, M.Kapoustina,V.Kharkyanen, A.Holzwarh. Nonlinear dynamic processes in an ensemble of photosynthetic reaction centers. Theory and experiment.//J.Phys.Chem.-1997,-B101 -p. 7612-7619

Н.Абгарян Г.А., Гуща А.О., Капустина M.T., Кононенко А.А., Нокс П.П., Харкянен В.Н. Фотоиндуцированная бистабильность в реакционных центрах пурпурных бактерий.//Биофизика,-1997,-NS,-v.42,-С. 1088-1093.

АНОТАЦ1Я

Капустина МЛ. Ф^эичне моделювання нел'тшних ефект)в електрон-конформацжно! взаемодИ в реакцшних центрах пурпурових бактерш". На правах рукопису. Дисертацы на здобуття наукового ступеня кандидата ф1зико-математичних наук за спешальнютю 03.00.02 - бюф1зика. 1нститут ф1зики НАМ Укражи, м.Ки'т, 1998.

Теоретично вивчаеться явище молекулярно! самооргагизацн • у фотореакцжному центр1 пурпурових бактерж (РЦ), де фотождукований перерозподж заряд!в спричиняе перебудову структури макромолекули, що, в свою чергу, впливае на швидкють перенесения електрона. Самоузгоджений розгляд електронних та конформацжних pyxiB показав, що при досягненж деяко? критично? величини фотозбудження в макромолекул! можливе створення нового конформацжного стану, що cniBiCHye 1з старим (бютабтьна поведжка). Поява нового фотоЖдукованого стану в РЦ призводить до суттевого збшыиення середнього часу життя фотороадтено! електрон-д1рково'|' пари по вщношенню до процесу рекомбжацн. OcuoeHi ефекти, передбачеж теорию, таю як поява облает! бютабтьност! i пстерезисна поведжка оптичного поглинання системи, знайшли свое пщтвердження в експериментГ

Ключов! слова: бактер1альний фотосинтез, фотосинтетичж реакцжж центри, фотозбудження, • електрон-конформацжна взаемод1я, бютабтьнють, фогЫндукований стан, пстерезисна поведжка

АННОТАЦИЯ

Капустина М.Т. Физическое моделирование нелинейных эффектов электрон-конформационного взаимодействия в реакционных центрах пурпурных бактерий. На правах рукописи. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.00.02 -биофизика. Институт физики НАН Украины, г.Киев, 1998.

Теоретически изучается явление самоорганизации в фотореакционном центре пурпурных • бактерий (РЦ), где фотоиндуцированное перераспределение зарядов визывает перестройку структуры макромолекулы,

что, в свою очередь, влияет на скорость движения электрона. Самосогласованное рассмотрение электронных и конформационных движений показывает, что при достижении некоторой критической величины фотовозбуждения в макромолекуле возможно появление нового конформационного состояния, которое будет сосуществовать со старым (бистабильное поведение). Появление нового фотоиндуцированного состояния приводит к существенному увеличению среднего времени жизни фоторазделенной электро-дырочной пары по отношению к процессу рекомбинации. Основные эффекты, предсказанные теорией, такие как появление областы бистабильности и гистерезисное поведение коэффициента оптического поглощения системы РЦ, нашли свое подтверждение в експерименте.

Ключевые слова : бактериальный фотосинтез, фотосинтетические реакционные центры, фотовозбуждение, електрон-конформационное взаимодействие, бистабильность, фотоиндуцированное сосотояние. гистерезисное поведение

SUMMARY

Kapustina М.Т. Physical modeling ■ of nonlinear effects of the electron-conformational interaction in the reaction centers of purple bacteria. Dissertation for a degree of Candidate of physical-mathematical science in speciality - 03.00.02 biophysical. Institute of physics. Kyiv, 1998

Theoretical investigations of the self-organization phenomenon have been performed for the reaction centers (RC) of purple bacteria, in which the photoinduced rearrangement of charges causes the structural rearrangement of a macromolecule and leads to a backward influence on the electron-transfer rate. The self-consistent description of electron and conformation movements shows that reaching the critical.value of photoactivation makes possible the appearance of a new conformational state. This state coexists with the initial one (bistable behavior). The appearance of the new photoinduced state leads to the essential increase of average survival time of charge separated state. Main theoretically predicative effects, such as the appearance of bistability and hysteresis behavior of the coefficient of optical absorbency, found the confirmation in the experiments.

Key words: bacterial photosynthesis, photosynthetic reaction centers, photoactivation, electron-conformation interaction' bistability, llght-inducsd state, hysteresis behavior. .•■■■•■•■

AT "КиТвський Будпроект" 252113 КиТв, вул. Дегтяр1вська,53 Зам.8* -100