Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Механизмы взаимодействия пигментов и пути переноса энергии в фотосинтетических светособирающих комплексах

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Крикунова, Мария Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. Современные представления о структуре и функции светособирающих антенн.

1.1. Структура фотосинтетических антенных комплексов.

1.1.1. Бактериальный и растительный фотосинтез.

1.1.2. Структура фотосинтетического аппарата пурпурных бактерий.

1.1.3. Структура фотосинтетического аппарата высших растений.

1.1.4. Структура LHC II - основного антенного комплекса высших растений.

1.1.5. Структура СР29 - минорного антенного комплекса

ФС II высших растений.

1.2. Структура и функции светособирающих пигментов.

1.2.1. (Бактерио)хлорофилл.

1.2.2. Каротиноиды.

1.2.3. Основные функции каротиноидов в фотосинтетических антенных комплексах.

1.3. Механизмы взаимодействия светособирающих пигментов в антенных комплексах.

1.3.1. Взаимодействия между молекулами (Б)Хл.

1.3.2. Новый подход к исследованию сильных экситонных взаимодействий в фотосинтетических антенных комплексах.

1.3.3. Взаимодействия между каротиноидами и (Б)Хл.

1.4. Пути переноса энергии синглетного возбуждения между молекулами (Б)Хл и каротиноидов.

1.4.1. Эффективность синглетного переноса энергии (Б)Хл-жаротиноид.

1.4.2. Эффективность синглетного переноса энергии каротиноид-»(Б)Хл.

1.4.3. Экспериментальные методы определения энергетического положения оптически запрещенных уровней каротиноидов Si, S2.

1.4.4. Новый подход к исследованию светособирающей функци каротиноидов.

ГЛАВА 2. Материалы и методы

2.1. Методики приготовления образцов.

2.1.1. Основной светособирающий комплекс высших растений (LHC II).

2.1.2. Периферический светособирающий комплекс пурпурных бактерий (LH2).

2.2. Методы исследования.

2.2.1. Спектры оптического поглощения.

2.2.2. Спектры кругового дихроизма (КД).

2.2.3. Спектры возбуждения и испускания флуоресценции.

2.2.4. Нелинейная поляризационная спектроскопия в частотном домене (NLPF).

2.2.5. Спектры двухфотонного возбуждения флуоресценции.

ГЛАВА 3. Прямое доказательство наличия сильной экситонной связи между молекулами Хл а и b в LHC II высших растений методом нелинейной поляризационной спектроскопии в частотном домене.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

РЦ - фотоактивный реакционный центр ПБК - пигмент-белковый комплекс БХл - бактериохлорофилл Хл - хлорофилл

Б)Хл - бактериохлорофилл или хлорофилл ФС I - фотосистема 1 ФС II - фотосистема

LH1 - прицентровый светособирающий (или антенный) комплекс пурпурных бактерий (другое обозначение - комплекс В880 из Rh. rubrum или В890 из Chr. minutissimum)

LH2 - периферический светособирающий (или антенный) комплекс пурпурных бактерий (другое обозначение - комплекс В800-850) LHC II - периферический антенный комплекс ФС I и ФС II высших растений (образован тримерами со всевозможными комбинациями белков Lhcb1-3) СР29, СР26, СР24 - минорные антенные комплексы ФС II высших растений (образованы белками Lhcb4-6, соответственно)

Lhca и Lhcb - апопротеины антенных комплексов ФС I и ФС II высших растений, соответственно.

РСР - перидинин - Хл а - белковый комплекс динофлагеллятов

КД - круговой дихроизм

ФЭУ - фотоэлектронный умножитель

ПГС - параметрический генератор света

Введение Диссертация по биологии, на тему "Механизмы взаимодействия пигментов и пути переноса энергии в фотосинтетических светособирающих комплексах"

Фотосинтез является одним из наиболее важных процессов в природе. Фотосинтезирующие организмы, такие как высшие растения, водоросли и пурпурные бактерии, обладают способностью эффективно преобразовывать и запасать солнечную энергию в форме энергии химических связей органических соединений. Изучение этого жизненно важного процесса, являющегося основным источником кислорода и органических веществ для всех живых организмов, представляет собой одну из актуальных задач биофизики и биохимии.

В фотосинтезе можно выделить физические и химические стадии [Клейтон, 1984; Шувалов, 1990; Рубин, 2000]. Физические (первичные) процессы протекают достаточно быстро (характерные времена 10"12 -10~9 с). Химические процессы протекают медленнее, так как они контролируются диффузией. Первичные процессы протекают в двух основных частях фотосинтетического аппарата - в реакционном центре (РЦ) и светособирающей антенне. РЦ и антенна представляют собой сложные пигмент-белковые комплексы (ПБК) высокого молекулярного веса, располагающиеся во внутренних мембранах клетки. В РЦ происходит преобразование энергии из физической формы синглетного возбужденного состояния в химическую форму разделенных зарядов разного знака. Перенос электрона по пигментам РЦ соответствует началу цикла окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых энергия расходуется на синтез высокоэнергетичных химических соединений, затем электрон возвращается в РЦ, а система в целом - в исходное электронейтральное состояние. Основная функция светособирающей антенны заключается в поглощении квантов света и передаче энергии возбуждения на РЦ. Наличие антенны позволяет увеличить светосбор РЦ и согласовать скорость поглощения квантов света со скоростью запасания их энергии в системе. У высших растений на уровне антенны может происходить перераспределение поглощенной энергии света между двумя фотосистемами.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Для работы фотосинтетического аппарата характерна удивительно высокая эффективность (по крайней мере, на первичных стадиях). Порядка 90% поглощенных светособирающей антенной квантов света попадает на РЦ [Borisov et al., 1986]. Эффективность преобразования энергии в РЦ еще выше и достигает практически 100% при разделении зарядов [Wright, Clayton, 1973]. Возможность столь эффективного преобразования солнечной энергии давно привлекает внимание ученых. Очевидно, эффективная работа фотосинтетического аппарата достигается благодаря согласованной работе светособирающей антенны и РЦ. В связи с этим, понимание механизмов взаимодействия и исследование путей переноса энергии возбуждения между светособирающими пигментами в антенных системах являются важнейшими проблемами в исследовании первичных процессов фотосинтеза.

Основными хромофорами антенных комплексов являются молекулы (бактерио)хлорофилла (Б)Хл и каротиноиды, нековалентно связанные с белковыми субъединицами. Молекулы (Б)Хл светособирающих комплексов обеспечивают передачу энергии возбуждения на конечный акцептор - специальную пару (Б)Хл в РЦ. Кинетики релаксации энергии возбуждения (Б)Хл антенны имеют несколько компонентов с характерными временами от ~ ЮОфс до нескольких не [Sundstrom, Pullerits., 1999; van Amerongen, van Grondelle, 2001]. Очевидно, что сверхбыстрые времена переноса энергии возбуждения, позволяющие минимизировать потери энергии в антенне, могут быть обусловлены сильными экситонными связями между отдельными молекулами (Б)Хл. Наличие экситонных взаимодействий между молекулами БХл а кольца В850 в периферическом антенном комплексе пурпурных бактерий LH2 подтверждается теоретическими расчетами, проведенными на базе структурных анализов высокого разрешения 2.4 A [Dracheva, Novoderezhkin, Razjivin,

1996; 1997; van Grondelle, Novoderezhkin, 2001]. Организация молекул Хл в антенных комплексах высших растений не является симметричной, кроме того, из имеющихся структурных данных для основного светособирающего комплекса LHC II высших растений [Kuhlbrandt et al., 1994] не удается сделать оценки о силе взаимодействий между пигментами. Большинство авторов при обсуждении экспериментальных данных по исследованию процессов переноса энергии возбуждения в антеннах высших растений ограничиваются рассмотрением слабых диполь-дипольных взаимодействий, не учитывая возможность сильных экситонных взаимодействий. Широко распространенные экспериментальные методы не дают возможность однозначного определения механизмов взаимодействия между пигментами.

Чтобы представить общую картину работы антенного комплекса важно исследовать пути синглетного переноса энергии между молекулами (Б)Хл и каротиноидами, а также факторы, определяющие эффективность данного процесса. В спектральной области 400-550 нм каротиноиды являются основными поглощающим пигментами. Кроме того, они играют важную роль в структуре антенных комплексов и защищают фотосинтетический аппарат от фотоповреждения. Относительно недавно, благодаря развитию методов нелинейной лазерной спектроскопии высокого временного разрешения, появилась реальная возможность исследования переноса энергии каротиноид^(Б)Хл. Причиной тому является специфическая особенность возбужденных состояний каротиноидов: (1) переходы между основным So (11Ag") и первым синглетным состоянием Si (21Ag") каротиноидов (So->S-i), а также по последним экспериментальным данным [Sashima et al., 1999; Zhang et al., 2000] и теоретическим расчетам [Tavan, Schulten, 1986] и между вторым синглетным состоянием 11BU" (S0^S2) запрещены правилами симметрии. Полоса поглощения каротиноидов в желто-зеленой области спектра соответствует разрешенному правилами симметрии переходу 11Ag"->11Bu+ (So-^S3). (2) Для всех трех синглетных возбужденных состояний каротиноидов характерно короткое время жизни [Macpherson et al., 2001; Ritz et al., 2000]. Тем не менее, перенос энергии возбуждения с каротиноидов на (Б)Хл может превышать 95%, например, в антеннах отдельных видов бактерий [Frank, Cogdell, 1996]. Очевидно, исследование процесса переноса энергии каротиноид->(Б)Хп требует селективного возбуждения уровней Si, S2 и S3 каротиноидов. В связи с чем актуальной задачей представляется развитие экспериментальных методов, позволяющих определить точное энергетическое положение оптически запрещенных уровней Si (21Ag~) и S2(11BU") каротиноидов, а также степень участия этих уровней в процессе переноса энергии на (Б)Хл. В настоящее время достигнуты значительные успехи в определении энергии перехода So-»Si для каротиноидов в органических растворах (см. обзор [Frank, 2001]), однако наблюдается сильный дефицит экспериментальных данных для каротиноидов в составе ПБК.

Кроме того, в современной литературе не уделялось внимание вопросу о возможном существовании переноса энергии с более высоких синглетных состояний (Б)Хл (полоса Соре) на каротиноид. Более высокие синглетные возбужденные состояния (Б)Хл заселяются через Вх, Ву переходы (область Соре), и расположены выше по энергии, чем S0-»S3 переход каротиноида. Известен лишь один экспериментальный факт, указывающий на наличие такого канала переноса энергии. При возбуждении периферического антенного комплекса LH2 Rhodobacter (Rb.) spaeroides (штамм 2.4.1) в области Соре БХл фемтосекундными лазерными импульсами [Limantara et al., 1998] наблюдалось быстрое заселение уровня S3 каротиноида (параллельно с частичным выцветанием полос Qx и Qy БХл). Таким образом, вопрос о возможном существовании канала переноса энергии возбуждения с полосы Соре БХл на каротиноид требует детального рассмотрения, так как необходимость учета возможного синглетного переноса энергии (Б)Хл-жаротиноид может оказаться важной при интерпретации некоторых экспериментальных данных.

Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование механизмов взаимодействия пигментов и путей переноса энергии между (Б)Хл и каротиноидами в фотосинтетических антенных комплексах. В работе решались следующие задачи:

1. Найти прямое экспериментальное доказательство наличия сильного экситонного взаимодействия между отдельными молекулами Хл а и Ь в светособирающих антенных комплексах высших растений (на примере основного светособирающего комплекса высших растений (LHC II)).

2. Исследовать роль оптически запрещенных синглетных состояний каротиноидов в процессе переноса энергии на (Б)Хл на примере LH2 комплекса пурпурной серной бактерии Chr. minutissimum).

3. Исследовать возможность синглетного переноса энергии с высоких возбужденных состояний (Б)Хл (полоса Соре) на каротиноиды на примере LH2 комплекса Chr. minutissimum и оценить эффективность данного процесса.

Научная новизна работы. Впервые экситонные взаимодействия были исследованы методом нелинейной поляризационной спектроскопии в частотном домене (nonlinear polarization spectroscopy in the frequency domain - NLPF) с помощью специально разработанного варианта возбуждения/зондирования в спектрально разделенные полосы поглощения пигментов. Были найдены прямые доказательства наличия сильных экситонных взаимодействий между молекулами Хл а и b в LHC II. NLPF-спектры, снятые при возбуждении в Qy полосе поглощения Хл а/Ь и зондировании в области Соре Хл alb, показали, что длинноволновая полоса Хл а (678 нм) в спектре поглощения LHC II имеет экситонную природу.

Доказано, что спектры двухфотонного возбуждения флуоресценции БХл комплекса LH2 Chr. minutissimum в области 1300-1490 нм (соответствующей однофотонному возбуждению в 650-745 нм), определяются прямым двухфотонным поглощением молекул БХл а, а не двухфотонным поглощением родопина (основного каротиноида данного комплекса) в оптически запрещенной полосе Si.

Впервые показано наличие канала переноса энергии с высоких возбужденных состояний БХл а (область Соре) на каротиноиды в LH2 из Chr. minutissimum с эффективностью 19 %.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты работы имеют большое значение при рассмотрении механизмов взаимодействия между пигментами в антенных комплексах высших растений. Продемонстрировано преимущество нового экспериментального подхода (NLPF-спектроскопии) для исследования механизмов перераспределения энергии в фотосинтетических антенных комплексах при физиологических условиях. Найден новый канал переноса энергии от высоких возбужденных состояний БХл на каротиноиды, который, в частности, необходимо учитывать при проведении лазерных экспериментов. Показано, что при исследовании процессов переноса энергии между (Б)Хл и каротиноидами необходимым условием для однозначной интерпретации экспериментальных данных является сравнительный анализ образцов дикого типа с бескаротиноидными аналогами, получаемыми в результате мутационных изменений или воздействия ингибиторов.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на III Съезде фотобиологов России (Воронеж, 2001); 12 Международном конгрессе по фотосинтезу (Брисбен, Австралия, 2001); XII Ботаническом коллоквиуме „Havel-Spree-Kolloquium" (Гольм, Германия, 2001); 13 Международном симпозиуме по каротиноидам (Гонолулу, США, 2002); на семинаре института нелинейной оптики и импульсной спектроскопии им. Макса Борна (Берлин, Германия, 2002); IX Международной конференции по применению лазеров в науках о жизни "LALS-2002", (Вильнюс, Литва, 2002); рабочей конференции "Фемтосекундная динамика в фотосинтетических светособирающих комплексах" по программе Европейского научного фонда "Фемтохимия и фемтобиология" (Анталья-Белек, Турция, 2002).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 108 страницах, содержит 21 рисунок. Список литературы включает 140 источников.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Крикунова, Мария Александровна

выводы

• С помощью метода NLPF-спектроскопии найдены прямые экспериментальные доказательства наличия сильных экситонных взаимодействий между молекулами Хл а и Хл b в фотосинтетических антенных комплексах высших растений. Для LHC II показано, что низкоэнергетичная спектральная форма Хл а (678 нм) находится в сильной экситонной связи с Хл Ь.

• В спектрах двухфотонного возбуждения флуоресценции LH2 комплекса выделенного из клеток пурпурной серной бактерии Chr. minutissimum дикого типа показано доминирование двухфотонного поглощения БХл а.

• Из сравнения спектров двухфотонного возбуждения флуоресценции комплекса LH2 из клеток дикого типа с комплексом из клеток, в которых синтез каротиноидов был подавлен воздействием дифениламина, получено указание на энергетическое положение оптически запрещенного (однофотонного) перехода Si(21Ag~) каротиноида родопина вблизи 745 нм.

• Показано наличие канала синглетного переноса энергии с высоких возбужденных состояний БХл а на каротиноиды, эффективно конкурирующего с процессом быстрой дезактивации энергии Вх и Ву-состояний БХл а. Согласно оценке в периферическом комплексе пурпурной бактерии Chr. minutissimum 19% энергии возбуждения переносится из полосы Соре БХл на каротиноиды.

• При исследовании процессов переноса энергии между молекулами БХл и каротиноидами необходимым условием для однозначной интерпретации экспериментальных данных является сравнительный анализ с бескаротиноидными аналогами.

Заключение.

В работе исследовались механизмы взаимодействия пигментов и пути переноса энергии возбуждения в фотосинтетических антенных комплексах.

К исследованию механизмов взаимодействия между основными светособирающими пигментами в антенне был применен принципиально новый метод - специальный вариант NLPF-спектроскопии. Показано преимущество данного подхода по сравнению с другими методами современной лазерной спектроскопии для исследования механизмов взаимодействия в системах с большим количеством хромофоров. На примере LHC II показано, что наличие сильных экситонных связей между основными светособирающими пигментами молекулами Хл (в нашем случае между молекулами Хл а и Хл Ь) также характерно для антенных комплексов высших растений, как и для пурпурных бактерий. Полученные экспериментальные данные важны как для интерпретации результатов исследований переноса энергии, так и для проведения теоретических расчетов, моделирующих перенос энергии возбуждения по пигментам. Следует отметить, что в отличие от бактериальных комплексов, теоретические расчеты для антенн высших растений в настоящее время основываются на недостаточно корректном предположении о переносе энергии по механизму Ферстера.

Исследование путей переноса энергии синглетного возбуждения между молекулами (Б)Хл и каротиноидами проводилось на бактериальных антенных комплексах. Из-за сложности рассматриваемых систем возникает необходимость учета большого числа одновременно протекающих процессов. Таким образом, полученные экспериментальные данные трудно однозначно интерпретировать. Нами была показана важность использования в таких исследованиях контрольных измерений на бескаротиноидных образцах. В наших исследованиях в качестве такого антенного комплекса, для которого существует бескаротиноидный аналог состав каротиноидов составляет 1-2% от комплексов дикого типа), использовался периферический антенный комплекс LH2, выделенный из клеток пурпурной бактерии Chr. minutissimum.

Для LH2 комплекса были сняты спектры двухфотонного возбуждения флуоресценции БХл а с использованием инфракрасных (1300- 1490 нм) лазерных импульсов (длительность 80 фс). Сравнительный анализ флуоресценции комплексов LH2 из клеток дикого типа и из клеток с подавленным синтезом каротиноидов позволил различить вклады двухфотонного поглощения молекул каротиноидов и БХл а и получить указание на энергетическое положение (вблизи 745 нм) оптически запрещенного уровня Si(21Ag") каротиноида родопина (основного каротиноида в LH2 Chr. minutissimum).

Показано, что наряду с быстрой внутренней дезактивацией энергии для полосы Соре БХл имеет место конкурирующий процесс переноса энергии возбуждения на каротиноиды. Данный перенос энергии следует учитывать при возбуждении LH2 комплексов дикого типа в области Соре. При работе с лазерными импульсами высокой интенсивности в ближнем инфракрасном диапазоне спектра (800 - 850 нм) может произойти возбуждение каротиноидов за счет двухфотонного поглощения БХл в области Соре с последующим переносом энергии на каротиноиды. Подобный эффект возможно имел место в экспериментах на комплексе LH2 из Rb. spaeroides [Herek et al., 1998] при возбуждении высокоинтенсивными лазерными импульсами с длиной волны 800 нм, результаты которых были интерпретированы как „электрохромный эффект" каротиноидов.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Крикунова, Мария Александровна, Москва

1. Клейтон Р. Фотосинтез: физические механизмы и химические модели. Москва: Мир, 1984.

2. Москаленко А.А., Ерохин Ю.Е. Выделение пигмент-липопротеиновых комплексов из пурпурных бактерий методом препаративного электрофореза в полиакриламидном геле // Микробиология -1974. Т. - 43. - С. 654-657.

3. Москаленко А.А., Ерохин Ю.Е. Структурная роль каротиноидов в организации пигмент-белковых комплексов из пурпурных фотосинтезирующих бактерий // Препринт. Пущино, 1981. - 20 с.

4. Паркер С. Фотолюминесценция растворов. Москва: Мир, 1972.

5. Рубин А.Б. Биофизика. Москва: ООО „Книжный дом „Университет"", 2000. (Главы XXVII и XXVIII)

6. Сапожников Д.И., Красовская Т.А., Мамаевская А.Н. Изменения, наблюдаемые у основных каротиноидов в пластидах зеленых листьев на свету // Докл. АН СССР 1957. - Т. 1957. - С. 456-467.

7. Шувалов В.А. Первичное преобразование световой энергии при фотосинтезе. Москва: Наука, 1990.

8. Akimoto S., Takaichi S., Ogata Т., Nishimura Y., Yamazaki I., Mimuro M. Excitationenergy transfer in carotenoid-chiorophyli protein comlexes probed by femtosecond fluorescence decays // Chem. Phys. Lett. 1996. - V. 260. - P. 147-152.

9. Andersson P.O., Gillbro Т., Ferguson L., Cogdell R.J. Absorption spectral shifts ofcarotenoids related to medium polarizability // Photochem. Photobiol. -1991. V. 54. - P. 353-360.

10. Angerhofer A., Cogdell R.J., Hipkins M. A spectral characterization of the light-harvesting pigment-protein complexes from Rhodopspseudomonas acidophila II Biochim. Biophys. Acta 1986. - V. 848. - P. 333-341.

11. Bassi R., Croce R., Cugini D., Sandona D. Mutation analysis of an higher plant antenna protein provides identification of chromophores bound into multiple sites // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999. -V. 96. - P. 10056-10061.

12. Beck M., Stiel H., Leupold D., Winter В., Pop D., Vogt U., Spitz C. Evaluation of theenergetic position of the lowest excited singlet state of (3-carotene by NEXAFS andphotoemission spectroscopy // Biochem. Biophys. Acta 2001. - V. 1506. - P. 260267.

13. Beenken W., May V. Strong-field theory of nonlinear polarisation spectroscopy.

14. Fundamentals and two-level system // J. Opt. Soc. Am. В 1997. - V. 14. - P. 28042810.

15. Beenken W., Ehlert J. Subband analysis of molecular electronic transitions by nonlinear polarization spectroscopy in the frequency domain // J. Chem. Phys. 1998. - V. 109. -P. 10126-10137.

16. Birge R.R. One-photon and two-photon excitation spectroscopy // Ultrasensitive laser spectroscopy / Edited by D.S. Kliger. New York: Academic Press, 1983. - P. 109174.

17. Birge R.R. Two-photon spectroscopy of protein-bound chromophores // Acc. Chern. Res. -1986.-V. 19.-P. 138-146.

18. Borisov A.Y., Razjivin A.P., Danielis R.V., Rotomskis R.Y. Picosecond processes ofphotosynthesis in laser absorption studies // Laser Chemistry 1986. - V. 6 - P. 291305.

19. Callis P.R., Scott T.W., Albrecht A.C. Perturbation selection rules for multiphotonelectronic spectroscopy of neutral alternant hydrocarbons // J.Chem.Phys. 1983. -V. 78. - P. 16-22.

20. Chlorophylls / Edited by H. Scheer. Boca Raton, Ann Arbor, Boston, London: CRC Press, 1991

21. Christensen R.L. The electronic states of carotenoids // The Photochemistry of

22. Carotenoids / Edited by H.A. Frank, A.J. Young, G. Britton, R.J. Cogdell. Dordrecht, Boston, London: Kluwer Academic Publishers, 1999. - P. 137-157.

23. Cinque G., Croce R., Holzwarth A., Bassi R. Energy transfer among CP29 chlorophylls: Calculated Forster rates and experimental transient absorption at room temperature // Biophys. J. 2000. - V. 79. - P. 1706-1717.

24. Cogdell R.J., Andersson P., Gillbro T. Carotenoid singlet states and their involvement in photosynthetic light-harvesting pigments //J. Photochem. Photobiol. -1992. V. 15. -P. 105-112.

25. Cogdell R.J., Isaacs N.W., Howard T.D., McLuskey K., Fraser N.J., Prince S.M. How photosynthetic bacteria harvest solar energy // Journal of Bacteriology 1999b. -V. 181. - P. 3869-3879.

26. Connelly J.P., Muller M.G., Hucke M„ Gatzen, G., Mullineaux C.W., Ruban A.V.,

27. Horton P., Holzwarth A.R. Ultrafast spectroscopy of trimeric light-harvesting comlex II from higher plants II J. Phys. Chem. В 1997a. -V. 101. - P. 1902-1909.

28. Connelly J.P., Muller M.G., Bassi R., Croce R., Holzwarth A.R. Femtosecond transient absorption study of carotenoid to chlorophyll energy transfer in the light-harvesting complex II of photosystem II // Biochemistry 1997b. - V. 36. - P. 281-287.

29. Croce R., Weiss S., Bassi R. Carotenoid-binding sites of the major light-harvesting comlex II of higher plants И J. Biol. Chem. 1999. - V. 274. - P. 29613-29623.

30. Dahlbom M., Pullerits Т., Mukamel S., Sundstrom V. Exciton derealization in the B850 ligth-harvesting complex: comparison of different measurements II J. Phys. Chem. В-2001.-V. 105.-P. 5515-5524.

31. Damjanovic A., Ritz Т., Schulten K. Energy transfer between carotenoids andbacteriochlorophylls in light-harvesting complex II of purple bacteria // Phys. Rev. E -1999. -V. 59. P. 3293-3311.

32. Damjanovic A., Ritz Т., Schulten K. Excitation transfer in the peridinin-chlorophyll-protein of Arnphidinium carteraelf Biophys. J. 2000. - V. 79. - P. 1695-1705.

33. Dexter D. A theory of sensitized luminiscence in solids // J. Chem. Phys. 1953. - V. 21. -P. 836-850.

34. Dracheva T.V., Novoderezhkin V.I., Razjivin A.P. Exciton delocalization in the antenna of purple bacteria: exciton spectrum calculations using X-ray data and experimental site inhomogeneity// FEBS Lett. -1996. -V. 387. P. 81-84.

35. Dracheva T.V., Novoderezhkin V.I., Razjivin A.P. Exciton delocalization in the lightharvesting LH2 complex of photosynthetic purple bacteria // Photochem. Photobiol. -1997. -V. 66. P. 141-146.

36. Forster T. Zwischenmolekulare Energiewanderung und Fluoreszenz//Ann. Phys. (Leipzig). 1948. - V. 2. - P. 55-75.

37. ForsterT. // Delocalized excitation and energy transfer New York: Academic Press, 1965.

38. Frank H.A. Carotenoids in photosynthetic bacterial reaction centers: structure,spectroscopy and photochemistry // The Photosynthetic Reaction Center Academic Press, 1993. - V. 2. - P. 221-237.

39. Frank H.A., Cogdell R.J. Carotenoids in photosynthesis// Photochem. Photobiol. 1996. -V. 63. - P. 257-264.

40. Frank H.A. Spectroscopic studies of the low-lying singlet excited electronic states and photochemical properties of carotenoids // Arch. Biochem. Biophys. 2001. - V. 385. - P. 53-60.

41. Fujii R., Ishikawa Т., Koyarna Y., Taguchi M., Isobe Y., Nagae H., Watanabe Y. Fluorescence spectroscopy of all-trans-anhydrorhodovibrin and spirilloxanthin: detection of the 1BU" fluorescence // J. Phys. Chem. A 2001. - V. 105. - P. 53485355.

42. Gillbro Т., Cogdell R.J., Sundstrom V. Energy transfer from carotenoid tobacteriochlorophyll a in the B800-820 antenna complexes from Rhodopseudomonas acidophils strain 7050 // FEBS Lett. 1988. - V. 235. - P. 169-172.

43. Gillbro Т., Cogdell R.J. Carotenoid fluorescence// Chern. Phys. Lett. -1989. V. 158. - P. 312-316.

44. Gouterman M. Spectra of porphyrins//J. Mol. Spectrosc. -1961. -V. 6. P. 138.

45. Gouterman M., Wagniere G.H., Snyder L.C. Spectra of porphyrins. II. Four orbital model // J. Mol. Spectrosc.-1963.-V. 11.-P. 108.

46. Gradinaru C.C., Ozdemir S., Gulen D., van Stokkum I.H.M., van Grondelle R., van

47. Amerongen H. The flow of exitation energy in LHC II monomers: implications for the structural model of the major plant antenna // Biophys. J. 1998. - V. 75. - P. 30643077.

48. Gulen D., van Grondelle R., van Amerongen H. Structural information on the light-harvesting complex II of green plants that can be deciphered from polarized absorption characteristics // J. Phys. Chem. В 1997. - V. 101. - P. 7256-7261.

49. Hemelrijk P.W., Kwa S.L.S., van Grondelle R., Dekker J.P. Spectroscopic properties of LHC II, the main light-harvesting chlorophyll alb protein complex from chloroplast membranes // Biochim. Biophys. Acta -1992. V. 1098. - P. 159-166.

50. Herek J.L., Polivka Т., Pullerits Т., Fowler G.J.S., Hunter C.N., Sundstrom V. Ultrafast carotenoid band shifts probe structure and dynamics in photosynthetic antenna complexes // Biochemistry 1998. - V. 37. - P. 7057-7061.

51. Hoffmann E., Wrench P., Sharpies F., Hiller R.G., Welte W., Diederichs K. Structural basis of light hervesting by carotenoids: peridinin-chlorophyll-protein from Amphidinium carterae II Science 1996. - V. 272. - P. 1788-1791.

52. Ни X., Damjanovic A., Ritz Т., Schulten K. Architecture and mechanism of the light-harvesting apparatus of purple bacteria // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1998. -V. 95.-P. 5935-5941.

53. Hudson B.S., Kohler B.E., Schulten K. Linear polyene electronic structure and potential surfaces II Excited states Academic Press, 1982. - V. 6. - P. 1-95.

54. Jansson S. The light-harvesting chlorophyll а/6-binding proteins // Biochim. Biophys. Acta 1994. -V. 1184. - P. 1-19.

55. Karrasch S., Bullough P.A., Ghosh R. The 8.5-Angstrom projection map of the light-harvesting complex 1 from Rhodospirillum rubrum reveals a ring composed of 16 subunits//EMBO J. 1995. -V. 14. - P. 631-638.

56. Kennis J.T.M., Streltsov A.M., Permentier H., Aartsnna T.J., Amesz J. Exciton coherence and energy transfer in the LH2 antenna complex of Rhodopseudomonas acidophila at low temperature //J. Phys. Chem. В 1997. -V. 101. - P. 8369 - 8374.

57. Koepke J., Ни X., Muenke C., Schulten K., Michel H. The crystal structure of the light-harvesting complex 2 (B800-850) from Rhodospirillum molischianum II Structure -1996.-V. 4. -P. 581-597.

58. Koolhaas M.H., van der Zwan G.R.N., Frese R.N., van Grondelle R. Red shift of the zero crossing in the CD spectra of the LH2 antenna complex of Rhodopseudomonas acidophila: a structure-based study// J. Phys. Chem. В -1997. V. 101. - P. 72627270.

59. Krikunova M., Leupold D., Voigt В., Rini M., Lokstein H., Moskalenko A., Razjivin A. The role of optically dark states of carotenoids in photosynthetic excitation energy transfer studied by simultaneous two-photon excitation spectroscopy//Abstracts and

60. Krupa Z., Huner N.P.A., Williams J.P., Maissan E., James D.R. Development at cold-hardening temperatures // Plant Physiol. 1987. - V. 84. - P. 19-24.

61. Kuhlbrandt W,, Wang D.N. Three-dimensional structure of plant light-harvesting complex determined by electron crystallography // Nature -1991. V. 350. - P. 478-480.

62. Macpherson A., Arellano J.В., Frasel N.J., Cogdell R.J., Gillbro T. Efficient energy transfer from the carotenoid S2 state in a photosynthetic light-harvesting complex // Biophys. J. 2001. - V. 80.-P. 923-930.

63. McDermott G., Prince S.M., Freer A.A., Hawthornthwaite-Lawless A.M., Pariz M.Z.,

64. Cogdell R.J., Isaacs N.W. Crystal-structure of an integral membrane light-harvesting complex from photosynthetic bacteria. // Nature 1995. - V. 374. - P. 517-521.

65. Monshouwer R., Abrahamsson M., van Mourik F., van Grondelle R. Superradiance and exciton derealization in bacterial photosynthetic light-harvesting systems // J. Phys. Chem. B- 1997. V. 101. - P. 7241-7248.

66. Moskalenko A.A., Erokhin Y. E. Investigation of light-harvesting complex of

67. Rhodopseudomonas sphaeroides II FEBS Lett. -1978. V. 87. - P. 254-256.

68. Muller A., Lumry R., Kokobun H. High performance phase fluorometer constructed from commercial subunits II Rev. Sci. Instrum. 1965. V. 36. - P. 1214.

69. Mullineaux C.W., Pascal A.A., Horton P., Holzwarth A.R. Exitation-energy quenching in aggregates of the LHC II chlorophyll-protein compex: a time-resolved fluorescence study// Biochim. Biophys. Acta 1993. -V. 1141. - P. 23-28.

70. Nagae H., Kakitani Т., Katohi Т., Mimuro M. Calculation of the excitation transfer matrix elements between the S2 or Si state of carotenoid and the S2 or Si state of bacteriochlorophyll //J. Chem. Phys. 1993. -V. 98. - P. 8012-8023.

71. Nagae H., Kuki M., Cogdell R., Koyama Y. Shifts of the 1Ag"^1Bu+ electronic absorption of carotenoids in nonpolar and polar solvents//J. Chem. Phys. 1994. - V. 101. - P. 6750-6765.

72. Naqvi K.R. The mechanism of singlet-singlet excitation energy transfer from carotenoids to chlorophyll // Photochem. Photobiol. -1980. V. 31. - P. 523-524.

73. Nicholson W.V., Ford R.C., Holzenburg A. A current assessment of photosystem II structue // Bioscience reports -1996. V. 16. - P. 159-187.

74. Palacios M.A., de Weerd F.L., lhalainen J.A., van Grondelle R., van Amerongen H.

75. Superradiance and exciton (de)localization in light-harvesting complex II from green plants? // J. Phys. Chem В 2002. - V. 106. - P. 5782-5787.

76. Pascal A., Wacker U., Irrgang K.-D., Horton P., Renger G., Robert B. Pigment binding site properties of two photosystem II antenna proteins // The Journal of Biological Chemistry 2000. - V. 275. - P. 22031-22036.

77. Paulsen H. Chlorophyll alb binding proteins // Photochem. Photobiol. -1995. V. 62. - P. 367-382.

78. Paulsen H. Carotenoids and the assembly of light-harvesting complexes // The Photochemistry of Carotenoids I Edited by H.A. Frank, A.J. Young, G. Britton, R.J. Cogdell. Dordrecht, Boston, London: Kluwer Academic Publishers, 1999. -P. 123-135.

79. Polivka Т., Herek J.L., Zigmantas D., Akerlund H.-E. Direct observation of the (forbidden) Si state in carotenoids // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999. -V. 96. - P. 4914-4917.

80. Polivka Т., Zigmantas D., Sundstrom V. Carotenoid Si state in a recombinant lightharvesting comlex of photosystem 11 // Biochemistry 2002a. - V. 41. - P. 439-450.

81. Renger Т., May V. Theory of multiple exciton effects in the photosynthetic antenna comlex LHC II//J. Phys. Chem. В 1997.-V. 101.-P. 7232-7240.

82. Renger Т., May V. Simulations of frequency-domain spectra: structure-functionrelationships in photosynthetic pigment-protein complex// Phys. Rev. Lett. 2000. -V. 84. - P. 5228-5231.

83. Ritz Т., Damjanovic A., Shulten K., Zhang J.-P. Koyama Y. Efficient light harvesting through carotenoids // Photosynth. Res. 2000. - V. 66. - P. 125-144.

84. Rogl H., Kuhlbrandt W. Mutant trimers of light-harvesting complex II exhibit altered pigment content and spectroscopic features // Biochemistry 1999. - V. 38. - P. 16214-16222.

85. Rogl H., Schodel R., Lokstein H., Kuhlbrandt W., Schubert A. Assignment of spectral substructure to pigment-binding sites in higher plant light-harvesting komplex LHC-II // Biochemistry 2002 - V. 41. - P. 2281-2287.

86. Sandona D., Croce R., Pagano A., Crimi M., Bassi R. Higher plants light harvestingproteins. Structure and function as reveald by mutation analysis of either protein or chromophore moieties // Biochim. Biophys. Acta 1998. - V. 1365. - P. 207-214.

87. Sashima Т., Nagae H., Kuki M., Koyama Y. A new singlet-excited state of all-transspheroidene detected by resonance-Raman excitation profiles// Chem. Phys. Lett. -1999. -V. 299. P. 187-194.

88. Scherz A., Parson W.W. Exciton interactions in dimers of bacteriochlorophyll and related molecules // Biochim. Biophys. Acta 1984. - V. 766. - P. 666-678.

89. Scherz A., Rosenbach-Belkin V., Fisher J.R.E. Chlorophyll aggregates in aqueous solutions // Chlorophylls / Edited by H. Scheer. Boca Raton, Ann Arbor, Boston, London: CRC Press, 1991. - P. 237-268.

90. Scholes G.D., Gould I., Cogdell R.J., Fleming G.R. Ab inito molecular orbital calculations of electronic couplings in the LH2 bacterial light-harvesting complex of Rhodopseudomonas acidophila II J. Phys. Chem. В 1999. -V. 103. - P. 2543-2553.

91. Schubert A., Beenken W., Stiel H., Voigt В., Leupold D., Lokstein H. Excitonic coupling of chlorophylls in the plant light-harvesting complex LHC II // Biophys. J. 2002 . - V. 82.-P. 1030-1039.

92. Sebban P., Robert В., Jolchine G. Isolation and spectroscopic characterization of the B875 antenna complex of a mutant of Rhodopseudomonas sphaeroides II Photochem. Photobiol. 1985. - V. 42. - P. 573-578.

93. Seely G.R., Connolly J.S. Fluorescence of photosynthetic pigments in vitro II Light emission by plants and bacteria / Edited by Govindjee, J. Amesz, D.C. Fork. -Orlando: Academic Press, 1986. P. 99.

94. Shreve A.P., Trautman J.K., Owens T.G., Albrecht A.C. Two-photon excitationspectroscopy of thylakoid membranes from Phaeodactylum tricornutum: evidence from an in vivo two-photon-allowed carotenoid state // Chem. Phys. Letters. 1990. -V. 170.-P. 51-56.

95. Sundstrom V., Pullerits T. Photosynthetic light-harvesting: reconciling dynamics and structure of purple bacterial LH2 reveals function of photosyntheic unit // J. Phys. Chem. B. 1999. - V. 103. - P. 2327-2346.

96. Tavan P., Schulten K. The low-lying electronic excitations in long polyenes: A PPP-MRD-Cl study //J. Chem. Phys. 1986. -V. 85. - P. 6602-6609.

97. Voigt, В., Nowak F., Beenken W. A new set-up for nonlinear polarisation spectroscopy in the frequency domain: experimental examles and theoretical background // Meas.Sci.Technol. 1999. -V. 10. - P. N7-N11.

98. Voigt В., Irrgang K.-D., Ehlert J., Beenken W., Renger G., Leupold D., Lokstein H.

99. Spectral substructure and excitonic interactions in the minor photosystem II antenna complex CP29 as revealed by nonlinear polarization spectroscopy in the frequency domain // Biochemistry 2002. - V. 41. - P. 3049-3056.

100. Walla P.J., Yom J., Krueger B.P., Fleming G.R. Two-photon excitation spectrum of light-harvesting complex II and fluorescence upconversion after one- and two-photon excitation of the carotenoids // J. Phys. Chem. B. 2000. - V. 104. - P. 4799-4806.

101. Warshel A., Parson W.W. Spectroscopic properties of photosynthetic reaction centers. I. Theory // J. Am. Chem. Soc. 1987. - V. 109. - P. 6143-6152.

102. Wright C.A., Clayton R.K. The absolute quantum efficiency in reaction centers of

103. Rhodopseudomonas sphaeroides I/ Biochim. Biophys. Acta -1973. V. 333. - P. 246260.

104. Yang C., Kosemund K., Cornet C., Paulsen H. Exchange of pigment-binding amino acids in light-harvesting chlorophyll alb protein // Biochemistry 1999. - V. 38. - P. 1620516213.

105. Yang M., Agarwal R., Fleming G.R. The mechanism of energy transfer in the antenna of photosynthetic purple bacteria If J. Photochem. Photobiol. A 2001. - V. 142. - P. 107-119.

106. Zuber H., Brunisholz R.N. Structure and function of antenna polypeptides and chlorophyll protein complexes: principles and variability// Chlorophylls / Edited by H. Scheer. -Boca Raton, Ann Arbor, Boston, London: CRC Press, 1991. P. 627-703.

107. Автор также пользуется случаем выразить искреннюю признательность всем своим соавторам, зарубежным коллегам, друзьям, коллегам по институту за помощь и сотрудничество, поддержку и обсуждение различных проблем, вошедших в данную работу.