Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Проблемы оптимизации структуры бактериальной фотосинтетической антенны
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика
Автореферат диссертации по теме "Проблемы оптимизации структуры бактериальной фотосинтетической антенны"
РГ6 о
¿ '.5 г.1ги 199 { МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА,
ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА
На правах рукописи
УДК 577.345; 577.355; 577.377
ФЕТИСОВА Зоя Григорьевна
ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ
03.00.02 — биофизика
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада
Москва —
1994
Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова
Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор А. К. КУКУШКИН
Доктор физико-математических наук, профессор А. П. ЛОСЕВ
Доктор биологических наук, профессор Н. В. КАРАПЕТЯН
Ведущая организация: Физический институт им. ГЬ Н. Лебедева РАН Л / и
Защита состоится » ¿'¿-(сгУСс иС_199 угода в 10 43'¿ов
на заседании Специализированного Ученого Совета Д.053.05.53 при МГУ им. М. В. Ломоносова. Адрес: 119899, Москва, Воробьевы Горы, биологический факультет МГУ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ
Диссертация разослана IС1994 года
Ученый секретарь Специализированного Совета доктор биологических наук,
профессор Т. Е. КРЕНДЕЛЕВА
ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Вся биосфера земли своим существованием прямо или косвенно обязана процессу фотосинтеза, в результате которого электромагнитная энергия света, поглощенного фэтосинтези-рувдими организмами, запасается в виде энергии химических связей. Актуальность задачи выяснения механизмов этого физико-химического процесса, в частности, его первичных физических стадий, и принципов структурно-функциональной организации фотосинтезируадего аппарата, определивших высокую эффективность первичных стадий конверсии энергии света в природном фотосинтезе, - очевидна, ибо чоловечество силой своего исторического развития подводится к мо- . манту, когда проблема искусственного фотосинтеза станет перед ним как вакнейшая и определяющая его судьбу на.нашей планете,
Пель и задачи исследования. В соответствии с выдвинутой концепцией жесткой оптимизации структуры фотосинтеэирувдего аппарата по функциональному критерию, целью настоящего исследования являлся поиск принципов структурно-функциональной организации природных оятенн, оптимизирующих их функцию. Решались следующие задачи-.
(1) В цикле теоретических исследований, использующих,в частности, математическое моделирование функционирования антенн природных фэтосивтетических единиц (ФСБ), осуществлялся поиск принципов организации оптимальных светособирающих систем.
(2) В цикле экспериментальных исследований осуществлялся целенаправленный поиск в природных антеннах тех еа структурных свойств, которые были предсказаны теоретически для оптимальных модельных сзвтосоОиравдах систем.
Научная новизна а практическая ценность работы. Выдвинута концепция, согласно которой структура фотосинтезируицего аппарата должна быть жестко оптимизирована для достижения экспериментально измеряемой величины квантового выхода первичного разделения зарядов в реакционном центре (РЦ). В процессе разработки этой' концепции было предсказано теоретически, а затем подтверждено экспериментально существование в природных антеннах ряда структурных факторов, оптимизирующих функцию антенны.
В частности:
(1) Математическое моделирование гетерогенного переноса энер гии электронного возбуждения от антенны к РЦ в зеленых серных бак териях с. limicolа позволил предсказать существование не известной в то время субантенны для оптимального сопряжения переноса энергии от хлоросомальной БХл с-антенны к мембранной ЕХл ¿-антенне. Это предсказание вскоре было подтверздено западныш учеными, которые открыли промежуточную хлоросомальную БХл а-антенну.
(2) Проведенные модельные расчеты показали,что в оптимальных светособиравдих антеннах векторы дентальных моментов оу-переходов антенных молекул должны быть взаимно параллельны и неправлены вдоль длинной оси элементарной ФСБ. Поиск реализации этого принципа структурной организации в хлоросомальной антенне зеленых бактерий привел к открытию предсказанной строгой ориентационноЕ упорядоченности векторов дапольных моментов оу-переходов БХл с.
Методом поляризационно-флуоресцентной спектроскопии высокого временного разрешения было показано in situ, что перенос энергии по хлоросомальной антенне происходит по хромофорам БХл с (или их сильно связанным ассоциатем) с параллельными дипольными моментами длинноволновых оу-переходов.
Методом линейного дихроизма было показано, что векторы дапольных моментов оу-первходов БХл с (i) взаимно параллельны я (2) направлены вдоль длинной оси хлоросомы.
(3) Проведенные модельные расчеты показали, что олигоиериза-ция антенных пигментов - как эффективный оптимизирующий структуру фактор - биологически целесообразна.
Методом выжигания спектральных провалов при температура жидкого гелия (1.8 к) было получено прямое экспериментальное доказательство олигомерной организации хлоросомального БХл с в интакт-ных клетках зеленых бактерий c.iimicoia и c.aurantiacue. Впервые был прямо измерен спектр полосы о-о перехода энергетически низшего экситонного уровня олигомера БХл с.
Исследования структурно-функциональной организации хлоросома (самой большой природной антенны) показали, что ее структура действительно оптимизирована по Функциональному критерию,обеспечивая требование направленности переноса энергии к РЦ с эффективность! этого процесса, близкой к юо%.
Проведенный цикл теоретических и экспериментальных исследований важен как с точки зрения фундаментального знания, так и с точки зрения проблемы создания оптимальных технологически простых искусственных светопреобразующих систем.
Апробация работы. Материалы диссертации были представле ны на У1-П Всесоюзной конференции по фотоэнергетике растений (Львов, 1980); у-ом, У1-ом, VI1-ом, VIи-ом и 1х-ом Международных конгрессах по фотосинтезу (Халкидики, 1980; Брюссель, 1983; Провиденс, 1986,-Стокгольм, 1989; Нагойя, 1992); 1У-ои Международном Семинаре по переносу энергии в конденсированных средах (Прага, 1981); 1-ом Всесоюзном биофизическом сезде (Москва, 1982); 1у-ом, у-ом, vi-ом и VI1-ом Международных симпозиумах по фотосинтетическим прокариотам (Бом0анне-Бордо,1982; Гриндельвальд, 1985,- Нордвийкерхоут, 1988,-Амхерст, 1991); уш-ом Международном биофизическом конгрессе (Бристоль, 1984); '/-ой и VII 1-ой Международных конференциях по фотохимической конверсии и запасании солнечной энергии (Осака, 1984,- Палермо, 1990); Мевдународном симпозиуме по биоконверсии солнечной энергии (Пущино, 1984); и-ой Всесоюзной конференции "Возобновляемые источники энергии" (Ереван, 1985); хг-ом и хи-ом 1ирлс-сишюзиуме по фотохимии (Лиссабон, 1985; Болонья, 1988); Международном конгрессе по возобновляемым источникам энергии (Мадрид,1986); Рабочем совещании еиво по зеленым фотосинтезирующим бактериям (Найборг, 1907); г1-ой Всесоюзной конференции "Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии'" (Ленинград, 1987); .Семинаре "Лазерная спектроскопия сложных молекул" (Лохусалу,1933); Кзддународцом симпозиуме ремз "Молекулярная биология мембран-связаншх комплексов в фототрофных бактериях" (Фрайбург, 1989); ху-ой Международной конференции по фотохимии (Пария, 1991); Всесоюзной конференции по лшинесценции (Москва, 1991); Гордоновской конференции по фотосинтезу (Аядовер, 1991), Рабочем совещании емво по зеленым и гелиобакгериям (Найборг, 1993), а также на семинарах ШЭД Физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского !ТУ, лаборатории люминесценции Физического института та. П.И. Лебедева Российской Акадеьяи Наук п лаборатории лазерной спектроскопии Института физики Эстонской Академии наук.
МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИИ I. Метод расчета кинетики миграции энергии в ФСБ
Теоретический поиск принципов организации оптимальных ФСЕ осуществлялся моделированием миграции энергии электронного возбуждения в модельных ФСЕ с регулярной решеткой. В основу расчета индивидуального влияния различных структурных факторов на эффективность функционирования ФСЕ полохена модель, для которой безразлично, находится ли в кавдом узле решетки одна молекула пигмента, димер или более крупный кластер молекул, связанных сильным экси-тонным взаимодействием. Влияние кластеризации при атом было рассмотрено отдельно. Движение экситона между узлагли решетки считали некогерентным и осуществляющимся по индуктивно-резонансному механизму. Будем считать, что в каждый момент времени возбуждение сосредоточено в одном узле решетки и через время At может с определенной вероятностью оказаться в некотором другом узле решетки. Согласно теории ферстера, вероятность передачи энергии электронного возбуждения от ш-го узла решетки (донора) к n-му (акцептору), Pmn, за время At зависит от расстояния между ними, взаимной ориентации передающего и принимающего диполей и близости их энергетических уровней (Forster, 1948; 1965):
At , (I)
Pmn At а \-JTZT *шп [ V» V> L хо mn 1
ÜV
7
о шп
где С = const, a Rran есть расстояние между передающим (га) и принимающим (п) диполями. Ориентационный фактор kmn равен:
kmn « cosa - 3cos^m cos(3n, (2)
где а - угол между направлениями этих диполей, а Рп и рп - углы между каждым из них и радиус-вектором, соединяющим их центры. Интеграл в уравнении (I) определяется произведением спектра люминесценции (в числе квантов на интервал частот) Lm<f) донора, нормированного к единице:
f x (v)di> - i , . (3)
j ra
и спектра поглощения ап(и) акцептора. Естественное время жизни г0
в уравнении (I) может быть вычислено из уравнения Ферстера:
т * f (2f - v)3 . Л. с* —Am(,)d, . (4)
то J
где с = const, V - волновое число точки . "зеркальной симметрии"
го
между полосами поглощения и лхминесценции донора га, а интегрирование ведется по 0—>1 полосе поглощения донора. Вероятность того, что за малое время дь возбуждение останется в том же узле решетки, р^, определяется суммой Ргап по всем п • га:
? - 1 - У Ртп ль (5)
вга т£л юп
Для моделирования миграции энергии по ФСЕ был использован метод матриц вероятностей. Величины рип образуют квадратную матрицу порядка ы, где ы - число молекул в элементарной ФСЕ. Кавдый элемент этой матрицы дает вероятность того, что возбуждение, находящееся узле решетки в в момент времени будет находиться в узле решетки и в момент времени t+лt. РЦ рассматривается как одна из молоку л той же ФСЕ (с номером г), но вероятность передачи энергии вычислялась по формуле (I) только для передачи от антенны к РЦ. Вероятность ее обратной передачи задавалась отдельно. При эффективности захвата возбуждения реакционным центром, Ф,.,равной 100%
ргп = 0 • ргг " 1 <6>
Чтобы найти распределение вероятности нахождения возбуждения шп)
в молекулах ФСЕ в момент времени ль, надо умножить матрицу {Ртп}
на линейную матрицу порядка и, задающую начальное распределение
е8р0ятн0сти (0п(0)}:
{ 0п(дь)} - { ряп} { 0п(0)} (7)
Считали, что 0П(0) = 1/ы независимо от п. Для нахождения (оп(2л!)) надо повторить эту операция:
{ Оп<2">} ■ { Рпт} { (8)
и т.д. Каждый раз величина
Ог - 1 -^ Оп (9)
п»г
дает вероятность того, что возбуждение попало в РЦ, а число циклов умножения характеризует в некотором условном масштабе время, прошедшее с момента возбуждения антенны. Число циклов, необходимое для того, чтобы оЕ достигло определенной величины, характеризует эффективность миграции энергии к РЦ (время захвата энергии возбуждения РЦ), ибо в течение всего времени миграции возбуждения по антенне возможна его дезактивация по тривиальным механизмам. Вычислялось количество этих циклов, необходимое для того, чтобы сумма в уравнении (9) уменьшилась до величины е-1, е~2 и 0.1,
т.е., чтобы Qr достигло величины i-e-1 , i-e-2 и 0.9. Времена, соответствующие этим величинам, обозначим через tJ( t2, t3. Вычисленные значения t были нормированы таким образом, что масштаб времени - одинаков для всех сравниваемых случаев. Полагали, что в первом приближении можно считать ршп* о только для передачи мевду ближайшими соседями, что не всегда справедливо для упорядоченных систем. Границы элементарных ФСБ (т.е. имеющих один РЦ) считались полностью отражающими, что равнозначно предположению о трансляционной симметрии ФСБ. Этим учитывался мультицентральный характер ФСБ. При моделировании миграции энергии для определенности были выбраны спектры поглощения, близкие к спектрам ряда пурпурных бактерий. При моделировании миграции энергии в ФСБ, решетки которых имеют кластерное строение, были использованы спектральные характеристики мономеров и димеров БХл а и ЕХл с для ряда конкретных систем как ш vitro, так и in vivo.
Из-за малой скорости счета при больших n мы ограничились моделями ФСБ малых размеров. Заметим, что конкретизация структурных параметров модельных ФСБ не ограничивает общности рассмотрения взаимосвязи структуры и функции ФСБ. Поэтому принципиальные выводы, полученные в настоящем цикле работ, останутся в силе и для больших ФСБ, а также для ФСБ с другими структурными параметрами.
2. Оптическая спектроскопия фотовыжигания провала
Успех оптической спектроскопии фотосинтетических пигментов in vivo в последнее десятилетие в большой степени связан с применением лазеров и низких температур/Широкие возможности для тонких спектроскопических исследований сложных молекул в самых различных средах открылись после выяснения роли неоднородного упшре-ния в их спектрах. Последнее явление свойственно ансамблю примесей и обусловлено многообразием локальных окружений примесей в реальной среде. Эффективным методом устранения неоднородного уши-рения является фотовыжигание спектральных провалов, позволяющее измерять однородный спектр индивидуальной примеси. Для исследования взаимодействия примеси с окружэпцей матрицей очень важным является вопрос об измерении статистического распределения однородных спектров всего ансамбля примесей, в частности, измерение так
. с .
называемой функции неоднородного распределения (ФНР) частот электронного перехода. Выделение однородных спектров и ФНР является важной предпосылкой при исследовании различных физических явлений с участием электронно-колебательных возбувдэний в неоднородных системах (перенос энергии и др.).
Для решения рада задач, связанных с анализом спектров природных антенных структур, мы использовали метод фотовыжигания провала в спектрах флуоресценции штактшх клеток фотосинтезирувднх бактерий и спектрах ее возбувдення при температуре 1.6 - 5 к. В использованной спектроскопической установке в качестве источника возбуздения применялся непрерывный лазер на красителе Оксазин-1 •(ширина линии 0,5 of1), накачиваемый криптоновым ионным лазером (Coherent CR-2000s). Часть интенсивности лазерного луча (-8%) отражалась стеклянной пластинкой и регистрировалась как сигнал сравнения силиконовым фотодиодом измерителя мощности (модель 460-iA, EG&G BioctroOptics). Спектры возбуздения флуоресценции пзгарены без коррзкции на спектральную чувствительность фотодиода. Флуоресценция регистрировалась фотоумножителем ксл сзюз4 a-oz в perms счетчика фотонов через двойной спектрометр ДФС-24 (дисперсия 0.45 нм/ш; ширина щелей 0.1-0.2 ым). Оба сигнала регистрировались многоканальным анализатором lp 4900 в (Nokia), сопряженным с персональным компьютером 3273 (NCR). Флуоресценции регистрировали в ракше отражения. Спектральная область возбуздения - от 680 до 790 ш; область- регистрации - до 1000 игл. Мощность выжигания варьировали от 0,5 ?.®/см2 до 5 В/см2, а длительность - от 250 сек до 65 мин. Облучаемая площадь образца составляла несколько квадратных миллиметров. Все измерения как правило проводили при температуре сверхтекучего гэлил.
Э. Оптическая абсорбционная спектроскопия з линейно поляризованном свете
Для исследования взаимной ориентации векторов диполышх моментов переходов свэтособиращих пигглзитов использовали метод ли-' нейного дихроизма, предполагающий измерения спектров поглощения ориентированных образцов в линейно поляризованном свете.
Ориентированно объектов (сгеряиообрязпой форглы) достигалось осесиымвтричной «гадсэнической деформацией полимера," в которга они
были встроены по методу Абдурахманова (1978), Параметр осесиммет-ричной деформации, н, определяли отношением конечной к исходной длине полимера. Для образцов с разным параметром деформации измеряли спектры поглощения в линейно поляризованном свете. Измерения проводили с использованием спектрофотометра specord м-40 (K.zeiee) с помощью двух инфракрасных поляроидов (к.Zeiss). Измерялись спектры А, и Аа, соответствующие поглощению света, поляризованного соответствешо параллельно и перпендикулярно оси ориентации образца. Мерой линейного дихроизма служила величина степени дихроизма Р (А„ - Аа)/(А, + Аа), Анализ спектров линейного дахроизма проводили, используя теоретическую модель ориентирования в трехмерной сетке аморфного полимера жестких осесимметричных частиц, имеющих форму стержня (Kuhn, Grun, 1942,- TanizaJti, 1965J. Эта модель позволяет связать аналитически две измеряемые величины, р и N, с третьей, искомой, т.е. углом а между направлением вектора диполь-ного момента перехода, соответствующего измеряемой полосе поглощения, и осью симметрии частицы.
4. Кинетическая поляризационно-флуоресцентная спектроскопия пикосекундного временного разрешения
Для изучения некоторых структурных аспектов миграции энергии по светособиращей антенне в пикосекундном диапазоне , был использован спектрохронограф, построенный в Институте физики АН Эстонии. Установка использует импульсное (квазинепрераваое) возбуждение от синхронно накачиваемых лазеров на красителях и систему регистрации флуоресценции на основе электронно-оптической камеры, работающей в режиме непрерывной гармонической развертка, синхронизованной с импульсами лазера. Источником пикосекундаых импульсов возбуждающего света в диапазоне 680-800 нм служил лазер на красителе Окса-зин-1 (Spectra-Physics), с длительностью импульсов 3 пс, синхронно накачиваемый с частотой 82 МГц криптоновым ионным лазером с активной синхронизацией мод оптико-акустическим модулятором. Возбуждающий свет аыл вертикально поляризован. Использованная интенсивность возбуждения (0,2 в/см2) исключала процессы аннигиляции ак-ситонов. Флуоресценция объектов регистрировалась под прямым углом к направлению возбуждающего луча (в режиме отражения) через моно-хроматор с помощью стрик-камеры (Hamaraatsu), работающей в режиме
накопления сигналов флуоресценции, возбуждаемой каждым лазерным импульсом. Стрик-каыера сопряжена с оптическим шгогоканалышм анализатором (osa 500) и ЭВМ ec-i0i0. Спектральная область регистра-рации прибора - 350 ♦ 1100 ем; спектральное разрешение - 7 см-1; временное разрешение - 3-5 пс; ширина аппаратной функции регистрирующей системы на полувысоте - 10-15 пс (в приводимых экспериментах pwhm - 16 пс). Поляризационные измерения проводили с использованием двух инфракрасных поляроидов (к.Zeiss),положение которых оптимизировали по релеевскому рассеянии свата раствором гликогена. Поляризация флуоресценции p(t) определялась соотношением p(t) - (iB(tj - i^tn/ti,«:} + x1(t)i, где x9(t) и rA(t) - амп-'литуды соответствующих компонентов флуоресценции, измеренные через поляроид, направление поляризации которого параллельно или пергондакуляряо направления поляризации возбуждающего света. В идеальном случав для раствора гликогена величина р должна быть равной 1, в нашх экспериментах р = 0,98.
5. Объекты исследований
■ Экспериментальный поиск в природных ФСБ структурных оптимизирующих фзкторов, найденных теоретически, логично было проводить срэдп фотосинтезируюяшх организмов с большими ФСБ, т.к.требования к оптимизации lis структуры более жесткие, чем для малых ФСБ. Поэтому в качестве объекта исследований были выбраны зеленые бактерии семейства сЫогом'асеае,. антенна ФСБ которых на порядок больна (до 4000 голзкул на один реакционный центр), чем в других фо-тосштезирушщ организмах. Своим размером ФСЕ этих бактерий обязана хлоросомз, самой большой (среда всэх известных) природной субантенна.. Именно в этой субантеннз мошэ было надеяться на реализации нескольких структурных оптимизирующих факторов одноврз-шшо. Для оСобщзния пршщшиалышх результатов, полученных при изучения хлоросомальной антенны сыогоыасеав, ш исследовали зз-ЛЭПЫЗ бактерии И второго СеШЙСТВЗ,. Chlorofloxacéae, эволюциотго далекого от первого, хлоросомальная антенна которых, однако, не' превышает 300 молекул на один РЦ. из исследовали по одному виду нз каждого семейства, а именно, зеленые серше бактерии сыогом-un Uni cola, шташ С, з золаше термофильные пасерные бактерии Chioroflexu3 aurantiacus, ¡каш Bill (из коллекции культур кзфзд-
ры микробиологии биологического факультета МГУ).
Препараты хроматофоров (хлоросомо-мембранные комплексы) получали из клеток с.limicoia, используя ультразвуковую обработку клеток, дифференциальное центрифугирование с последующей очисткой в сахарозном градиенте. Однородность препарата анализировали с помощью электронного микроскопа H-I2 (Hitachi). Спектрофотометри-ческий контроль объектов осуществляли с помощью спектрофотометра
Hitachi 557 И спектрофлуориметров Aminco-Bowraaп И MPF-4 (Hitachi).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ • I. ЖЕСТКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ СВЕТОСОБИРАВДЕИ АНТЕННЫ in vivo
Эффективность первичных фотофизических процессов конверсии энергии света в фотосинтезе определяется двумя вяжнейшиш стадиями: передачей энергии синглетного электронного возбуждения поглотивших свет молекул антенны РЦ и стабилизацией этой энергии в PR. Экспериментально определенные квантовые выхода обеих стадий весьма высоки: квантовый выход фотоокисления РЦ, измеренный в хрома-тофорах фотосинтезирупцих бактерий и в препаратах изолированных РЦ, равен -90% и >98% соответственно tciayton,1984 j. Сопряжение этих двух стадий - задача нетривиальная. Хотя к нестоящему времени достигнут большой прогресс в не зависимом изучении каждой стадии, вопрос их сопряжения мало изучен. Процессы конверсии анергия в РЦ изучались преимущественно на препаратах изолированных РЦ, так что стадия сопряжения с процессом миграции энергии, естественно, отсутствовала. . С другой стороны, многие важные аспекты проблемы миграции энергии в ФСЕ можно решать (и решались),не рас--. . сматривая сопряжения стадий переноса и стабилизации энергии.
Проанализируем, согласуются ли между собой результаты независимых экспериментальных исследований этих важнейших стадий первичной конверсии световой энергии в фотосинтезе.
Рассмотрим модель ФСЕ, в которой миграция энергии не является лимитирующим фактором. В этом крайнем случае квантовый выход первичного разделения зарядов в РЦ (?) уже не зависит от скорости миграции возбуждения по антенне и может быть вычислен без учета ее структуры.Решая систему уравнений баланса возбуждений в антенне и в РЦ, можно определить верхний предел квантового выхода пе-
редачи энергш возбуждения в РЦ. Достаточно знать три экспериментально определяемых параметра: гт, время дезактивации возбуждения в антенне в отсутствие РЦ; тст, время необратимой стабилизации энергии возбуждения в РЦ, и ы, размер антенны элементарной ФСЕ, т.е. число молекул антенны на один РЦ-.
„макс _ Тт
<Р -
+ Т„„ N
Т ст
Характерные значения этих параметров 1п у!уо - следующие: для высших растений м ■= 300, тт = 1.5-2.5 не [Корватовский и др., 1979; 11'1па,19811; *ст = 200 пс ДЛЯ ФС-2 (Пащенко,198В; ш^в at а1., 1986; ЛОГУНОВ И ДР..1988; ГуЛЯеВ,1990); тст = 30-200 ПС ДЛЯ ФС-1 (Пащенко И др.,1986; 8Ьиуа1оу еЪ а1.,1986; Holzwarth вt а1., 1993). ДЛЯ ПУРПУРНЫХ бЭКТврИЙ N = 24-300, = 0.60-1.1 НС (Ваг-дэЬгога вЬ а1., 1988; 8вЬЬап at а1., 1984, 1985; вскШс еЬ а1. , 19931 ; Тст а 150-200 ПС [К0Н0НвНК0,1980; Клевашк Н др,1980; РавсЪапко еЪ а1.,1985;Ои вЪ а1.,1992;Уоа а1.,1992,1993;Holzapfel вt а!., 1990; К1ппа1ег.Но^еп,1990; НаЪага}ап вЪ а1.,1993). ДЛЯ ЗЗЛ8НЫХ серных бактерий и » 1000-4000; тт « 1.0-2.5 не, о тст > ю пс
(31шуа1оу at аЛ.,1986; Аюазг,19871, Щ31ГШМ ДЛЯ ОЦ9НКИ ВврХНвГО
прэдела <? в качества гст мы использовала время (обратимой!) стабилизации энергии в РЦ, соответствующее разделению зарядов в пор-фзршовом комплексе РЦ, Тст « 3-4 ПС (ИаШэХемзк! ее а1., 1989;. перечисленные выше ссылки). Сделанные допущения увеличивают величину рМ8КС . Вычислим величину ¥>нзкс при саки благоприятных значениях параттров. По форду лз для рШ1СС шало, задавшись экспериментальным значением р = 90%, найти, до какой взличшщ фектиЕВЫй размер антенны) надо умзнытъ и, чтобы получилась са-лвемая величина р при тех та зпачешт тТ и тСТ. Результаты вычислений сведены в таблицу. Для сравнения в скобках припадали расчетные значения Рыакс и н^ для ФС-1, оелл в качества тст использовать время разделения зарядов в системе ШОО-фшгахгоюн.
Таким образом, Езрхний прздел квантового выхода пзрвнчяого разделения зарядов в РЦ близок к экспернмантэльпнм дапшш лгаь в. очень малше ФСЕ а лппь пря наиболее благоприятных значениях пэрз-мэтроз аягонш и РЦ. В ФСЕ с большим антегаш.ш ?>мэкс в несколько роз шньшэ наблюдаемого в эксперименте и приблказтеп к нему при очень малых.антеннах размером н^, в которых т один РЦ пря-
холится в несколько раз меньше молекул, чем в действительности.
Фотосинте зирущие организмы N 'экстр макс ртеор "ад
Пурпурные бактерии 24-300 >90* 88%-36% <20
Высшие растения ФС-1 300 »90% 67% (22%) <70 (<10)
ФС-2 300 »90% 73% <90
Зеленые серные бактерии 1000-4000 >80» 25% <40
И 8то несмотря на то, что из-за введенных допущений (бесконечно быстрая миграция анергии по антенне, необратимость захвата анэргии РЦ ука на первой стадии ее стабилизации, отсутствие потерь в РЦ) теоретический предел явно завышен. Таким образом, большая скорость миграции анергии сема по себе еще не обеспечивает высокого квантового выхода передачи энергии от антенна к РЦ. Проведанный анализ позволяет сделать еледувдш выводы:
(1) Структура ФСБ in vivo должна быть Е9СТК0 опишзирована по по ряду структурно-функциональных параметров для достижения измеряемого в эксперименте высокого квантового выхода передачи анергии возбуадения от антенны к РЦ.
Это, в свои очередь, означает, что in vivo
(а) рзвзтка ФСБ должна быть регулярной,ибо только упорядоченные системы могут быть оптимизирована;
(б) решетка ФСЕ не .штат быть однородной и изотропной (нЭфф*
(в) оптимизация структура антенны должна обеспечивать направленный перенос энергии к РЦ.
(2) Требования к оптимизации структура ФСБ возрастают
(а) при увеличении размера элементарной ФСБ (увеличении н) и
(б) при уменьшают скорости миграции возОувдения по антенне.
С этой точки зрения необходимо исследовать основные свойства
структурной организации ФСБ, которые делают возможным оптимизацию переноса энергии от антенны к РЦ.
II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУТИ! ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ СВЕТОСОБИРАВДЕИ АНТЕННЫ МОДЕЛЬНЫХ ФСК
Ii Л.Модель функционирования ФСБ
Изучение переноса энергии синглетных электронно-возбувденных состояний между пигментами ФСБ имеет долгуа историю (pranck, Toiler, 1938} Duysens,1952; Bay, íearlstain, 1963; Knox, 1975,1977).
Задача о миграции зксятона к РЦ возникла, когда было сформулировано понятие ФСБ (Emerson, Arnold, 1932; Gaffron,Wohl, 1936], HO задолго до того, как встала вопросы об описании экситонных состояний В ПИГМЭНТ-беЛКОВШС комплексах (ПЕК) антенн [Dratz et al., 1967J. В физике твердого тела [Dexter, Кпозс, 1965; ДЭВВДОВ, 1968) экезтоном называют квазпчастицу, обладающую определенной энергией и шгпульсом. В молекулярной биофизике этот термин используется в по столь строгом смысле, описывая электронно-возбувденноэ состояние, энергия которого делокэлизована в течение времени его яизна в ансамбле пз нескольких одинаковых молекул fsybesma,19771. В предельном случав, когда экситонное возбужденное состояние слабо связано с Бнутрилолекулярнши колэбанишли, движете экептона имеет непрерывный (когерентный) характер.В другом предельном случае, когда экситонное Бозбуаденноо состояние связано с внутримолекулярными колабаышй,. шзвдши определенное время релаксации, двигэниз экептона утрачивает когерентность п имеет дискретный характер ("ШР9СК0КЙ", hopping) [Silboy, ■ 1976; Knox, 1977). Время -утраты когерентности для сшглаши экситогов в ПБК оценивается теоретикаш ОТ 10 фс ДО I ПС (Knox, 1977; Pearlotein et al., 1976 Jortner, 1930; Knox,'Guien, 1993}. Общее пз время миграции возбу-адения з ФСЕ составляет десятки пккосекудя, т. е. по крайней мэре на порядок больйе.
Для даполь-дапольных взашодзйствзШ двезшпиэ эксигояа после утраты когерентности описывается шщукишно-резонапешш гах&ш-wu (Forster, 194Э; 1965). Правошчность Еспользованшт диполь-ди-полыюго прзблшишя для описания кеизолзкуляршх взаимодействий в фотосштвтячесют ПЕК (юга шдели extended а1ро1э)показана в работах (Chang,1977;CziMslely et al.,1970,-Sehers,Parson,1984; Knox,
Guien, 1993], а адекватность списания миграции энергии в целом ряде природных антенн Ферстеровским механизмом - в работах (sauet
et al.,1987; Scheer, Sauer,1991; Heddy et al.,1991; Borisov,Zuber, 1992; Sharkov et al., 1992; Glllbro, 1993; Demldov, Borieov,1993;
Knox, Guien,19931. Таким образом, современное представление о миграции энергии синтлегных экситонов по антенне ФСБ позволяет использовать индуктивно-резонансный механизм для математического моделирования переноса энергии между узлами решетки ФСБ (в которых находятся отдельные молекулы антенн или их сильно связанные ассо-циаты), т.е., в конечном счете, использовать модель, предловеннув Сауэром еще В 1975 Г. [Sauer, 19751.
С точки зрения теории индуктивно-резонансной миграции анергии структуру ФСБ можно считать заданной, если известны координаты молекул антенны и РЦ (решетка ФСБ), ориентация излучающих и поглощающих диполей в них и их спектральные характеристики , <си. уравнения (1)-(4)).
Это определяет совокупность структурных факторов, подлекащих штимиз ации. ■
Ниже в теоретической части работы будут рассмотрены следующие факторы, влияющие на эффективность передачи анергии возбувдения от антенны к РЦ:
1. Анизотропия решетйи ФСБ:
(а) кластерный характер решетки ФСБ (роль олигомаризациа пигментов); (б) пространственная группировка РЦ в кластера в ма!фоскопической ФСБ; (в) избирательная анизотропия межмолекулярных расстояний (вдоль выбранного направления);
2. Неоднородность пигментной антенны ФСБ (роль спектральной гетерогенности антенны);
3. Анизотропия ориентации векторов дипольшя моментов переходов молекул ФСБ.
В экспериментальной части будет показано, что многие из этих оптимизирующих структурных факторов действительно используются в природных SCE.
• гг.2. Роль кластеризации молекул ФСБ
Хлорофильные пигменты всех известных фогосинтезирувдих организмов образуют пигмент-белковые комплексы, содержащие несколько пигментных молекул. Пространственная укладка ПЕК формирует решетку ©СЕ. Согласно рэнтгеноструктурному анализу антенных комплексов и анализу первичной структуры белка-носителя, межмолекулярные расстояния в пределах одного комплекса на превышают 0.5-1 ш, а расстояния между ближайпими молекула»® пигментов соседних комплексов 2-3 нм [для обзора см. Amess,i987). Это означает, что решзтка ФСБ in vivo тлеет кластерную структуру, т!а. элементарная ячейка решетки ФСК шаот слогное строение.
Возможны два крайних случая, когда внутрвкластерное взаимо- ■ действие молекул столь велико, что возбуждение дэлокализовано по молекулам кластера , и когда оно мало, п внутри кластера сохраняется индуктивно-резонансный механизм передачи энергии. В целях расширения общности рассмотрения ыы исследовали влияние кластерного строения рапэткп модальных ФСБ на эффективность передачи энергии возбуждения от. антенны к РЦ для двух предельных случаев: (I) слабой связи между всеми молекулами ФСБ, как внутри каждого кластера, так а мзяду кластерами; (2) сильной мэгг,юлеку лярной связи в пределам каждого кластара при слабой связи между молекулами соседних кластеров, когда временем íatrpamra энергия внутри кластера мошо пренебречь по. сравнению с временем Ферстаровского индуктивно-резонансного переноса -энергия между сосодшг.я кластерами.
Рассматривались бесконечные двумзрше ФСБ, обладающие трансляционной симметрией п получепные из элвмептаршк ЗСЕ, содержащих "либо (I) ет=48 молекул антенны + i РЦ (рис.I,-модели А, В п С). Модели В и G содержали'кластврц минимального размера по п=2 колз-
КУЛЫ; ЛПбО
(2) н=120 молэкул аптенны + i РЦ (рис.1, модели d, е и р). Модели вир содержали кластеры по п=5 кодеку л (за исключением угловых в модели Е).
ЗФЗоктивность передачи энергии возбуждения к РЦ от антенн ФСБ,' в которых пигменты регулярно сгруппированы о кластера, .сравнивалась с аналогична® величинами, шчислрнннш для соответствушдах одюродшх изотропных моделей ФСБ (с квадратной решеткой) с тем же числом антошнх шлэкул (модель А, либо модель о). В расчетах
+ -.-Г-.-71-
о1::
-ГИГ
•• ••• V V •• »"• » * • • л л
» • v */ • • • •
»•• X хх м
V v v v
cîrrnt i.....i
p-f-T-.-t-I * • « • • I
Г ' • • 'I
i......I
РисЛ. Элементарные фрагменты бесконечных двумерных однородных моделей фотосинтетических единиц (ФСБ) мультицентрального типа. Каждый фрагмент ФСБ верхнего рада содержит N=48 антенных молекул (маленькие кружки) и один реакционный центр (РЦ)(большие кружки). В модели В антенные молекулы упакованы в кластеры по две слабо взаимодействующие друг с другом молекулы (п=2). Каждый элемент в моделях А и В - мономер. В модели С каждый элемент - динар, т.е. представляет кластер из двух сильно взаимодействующих молекул (п=2).Площади,занимаемые элементарными ФСБ моделей А.В и С,равны. Каждый фрагмент ФСБ нижнего ряда содержит N=120 антенных молекул (маленькие кружки) и один РЦ (больше кружки). В модели Е молекулы упакованы в кластеры по пять слабо взаимодействующих друг с другом молекул (п = Б). Каждый элемент в моделях вив - мономер. В модели f каждый элемент - олигомер.т.е. представляет кластер из пяти сильно взаимодействующих друг с другом молекул (п=5). Элементарные ФСЕ моделей d, к и f занимают равную площадь.
о toc --у*--------
юс -
£500
Яэ i s дв/г
"tíí/r
Рис.2, (а) Зависимость времени (t) захвата энергии возбуждения РЦ в модели В (N=48, п=2) от соотношения (R/r) расстоянии иэвду бливайшими молекула!.® соседних кластеров (R) и внутри кластера (г). Кривые В представляют зависимость t(R/r) для необратимого захвата возбуждения РЦ (непрерывная кривая) и обратимого (пунктирная кривая). Горизонтальные линии А показывают время захвата возбуждения РЦ в соответствующей однородной изотропной модели А. (в) Зависимость времени захвата энергии возбуждения РЦ в модели Е (к=120, п=5) от соотношения и/г, где в - расстояние между ближайшими молекулами соседних кластеров, а г - минимальное меж-колекулярное расстояние внутри кластера. Кривые Е вычислены для необратимого (непрерывная кривая) и обратимого (пунктирная кривая) захвата возбуждения РЦ. Горизонтальные линии d показывают время захвата возбуждения'РЦ в'соответствующей однородной изотропной модели d. Необратимый захват вычислен для î>t=0.5.
всегда соблюдалось постоянство площади, занимаемой ФСБ одного и того se размера, т.е. содержащими одинаковое число молекул антенны, так что средняя плотность светособиращих пигментов оставалась неизменной. Локальную плотность пигментов в пределах кавдого кластера в моделях Б и Е варьировали так, что отношение мешслас-терного расстояния к внутрикластерному, R/r,изменялось от i до з. Для случая слабых меамолекулярных взаимодействий (модели а и в,- о и в ) передачу энергии между всеми молекулами ФСБ аппроксимировали диполь-дапольным приближением. При сильной мезкмолекулярной сеязи в пределах кавдого кластера (модели Сир) кавдый кластер в целом рассматривался как однв "супермолекулаа перенос энергии манду ними - имеющим индуктивно-резонансный характер. Взаимодействие мевду кластерами аппроксимировали диполь-дипольнкм приближением. В этом случае квадратная решетка элементарной ФСБ в этих моделях содержала (i + N/n) узлов, т.е. в такой ФСБ (опять-таки на той та площади) на один РЦ приходилось N/n антенных кластеров (п - число пигментных молекул в кластера). Все вычисления проведены в предположении случайной ориентации вектров дипольных мошнтов пигментов ФСБ. Расчет проводили при равновероятном начальной возбуждении всех молекул ФСБ. Граничные условия соответствовала мультицентральному характеру макроскопических ФСБ. рассматривали только однородные ФСБ. При моделировании спектров поглощения ФСБ была использованы спектры двух важнейших светособиращих пигментов, встречающихся в природных бактериальных ФСБ: БХл а и БХл с. Спектроскопические характеристики этих пигментов подробно.охарактеризованы многими исследователями как в системах in vitro , -так и в системах in vivo. Использовались слэдущие три вшбинацш спектров .» ' •
(1) БХЛ a in vitro • fSchars, Paraon, 1934]:
макс
- БХл а в ацетоне (мономерный БХл а, а = 770нм);
. •__~ погл
- БХл а в пиридин - Н«0 - формамидэ (олигомерный (или димэр-
■ макс
ный) БХл а, л * 852hm); погл
(2) БХЛ С In vitro [Olson, Pedereen, 1990]:
макс
- БХл с в eel, (моношрный БХл с, л =* 667нм);
mW31
- БХл с в cci4 (димврный БХл с, л » 706нм);
, погл
(3) БХл a in vivo :
(а) моношрный БХл a ln vivo :
макс
- БХл 868 - мономер ( х = 868hm), полученный из интактно-
погл
го димэрного голохрома Б880 мутантного штамма Р24 пурпурной бактерии Rhodospiríllura rubrum, В КОТОРОМ ОТСУТСТВУЮТ
РЦ [Picorel et al., 1986];
макс
- Б800 - компоненты ( х. = 800нм) хроыатофоров и сватосо-
погл
биравдих комплексов Б800-850, выделенных из пурпурных бактерий Rhodobacter sphaeroides (ЩТ8ММ 2.4.1) [Clayton, Clayton, 1981]; Rhodobacter capsulata {МУТавТНЫЙ ШТЗЫМ Y5,
в котором отсутствуют РЦ и светособиракщий комплекс ES75)
[Bolt et al., 1981; Shiozawa et al., 1982); Rhodobacter sphaeroides (мутантный шташ wpS?, в котором отсутствует РЦ И свэтособиравдий комплекс Б875) [Sturgie et al.,1988];
(б) димерный БХл a in vivo :
макс ' .
- Б880 - дамер < л = 880hm) интактного голохрома Б880 му-
погл
тантного штамма F24 пурпурной бактерии tthodospiriuun rub-rua [Picorel et al., 1986];
макс
- Б850 - компоненты ( а = 850ш)- светособиравдих комплек-
погл
сов Б800-850, перечисленных в 3(a). Таким образом, перечисленные спектры поглощения шноыерных пиг-мзнтов аппроксимировали спектры мономерных моделей ФСБ (модели а, в, пив). Спектры поглощения далорных пигментов использовались как в моделях С (п=2), так и в моделях г (п=5).Кроме того, гшер-хромизм Qy-шлосн <шгго:,юра (возрастонне ртомыюй сзш ду-пзрзхо-' да при олигомзрлзацип пигментов в расчете па одну шлекулу) принимали равным гиперхрошзад оу-полосы дайра: для использованных наш олигомэрных пигментов i n vi tro гмерхромизм оу-полоси составлял 59% ДЛЯ БХЛ § {Scherz, Parson, 1904] Ii 90^ ДЛЯ БХЛ с [Olson, Pedersen, 1990]. НвШ рЗСЧеТ П0К833Л, ЧТО ДЛЯ ДШОРОВ ЕХЛ S
In vivo гиперхромизм Qy ПОЛОСЫ составляет 11% ДЛЯ R.rubrum, и 13% ДЛЯ R.sphaeroides (ШТЭММ 2.4.1), ТОГДЭ как ДЛЯ Ь.sphaeroides
(шташ nf5?) и r.capsulata (штамм y5) гиперхромизм незначителен.
Спектры флуоресценции (выраженные в числе квантов па интервал частот) и поглощения были приняты зеркально симметричными в
писала частот. Экспериментальные данные о величине стоксовского сдазга (Ast) для исследованных ппгшнгов in vitro - относительно немногочисленны и неоднозначны (разброс данных достигает 100%); для тех se пигментов в природных структурах пурпурных бактерий эти даввые-более определенны: Ast=90-II0cM-1jym Б800; Ast=I30-I70cM-1 для Б850; и A3t=II0-250cM-1 дяя длинноволновых антенн Б875, Б380 или Б890 (для обзора cM.Fatisova et al.,1989j. Для учета разброса экспериментальных значений Ast, а также в целях расширения общности проводимых расчетов сдвиг Стокса варьировали в разных комбинациях для мономерках и олнгомершх пигментов от 100 до 250ш-1. В соответствии с окспарзмонтальшми данными, соотношение стоксовых сдвигов для олигомарных и мономерных пигментов, ¿st^ist^, изш-ншюсь в првдэлах от I до 2.
На рис.2 щгазвдена зависшэсть времени передачи энергии от антенны к РЦ от соотношения мезюлекулярнш: расстояний между бли-ßsßrma иолекулаш соседних кластеров (R) я внутри кластера (г) в предположении слабого взаимодействия между всеми шлекулами ФСЕ. Сплошная кривея В (рис.2а) представляет эту зависимость для кластерной модели В (N=48, п=2) для двух случеэв, когда РЦ являлся абсолютной (3t«I.О) и неабсолютной ловушкой возбуждения (®t=0.5). Горизонтальная линия А показывает время передачи анергии от антенны к РЦ в соответствующей однородной изотропной шдели А. Как видно из рас.2а и Табл.1, при сохранении индуктивно-резонансного механизма переноса внвргта кавду всеми молекулам ФСЕ кластеризация шлакул ФСБ 30159тно уменьшает эффективность ее функционирования, s.a. с ростом ЕэлзчЕШ R/r врс'лл шрэдачи энаргш от антенны к РЦ возрастает.- Тот жз эффект (ряс.2ь,Табл.2) наблюдается и для боль-пех вСВ (ряс.1,шдели d и в, n»120) с большкш кластерами (модель В, п»5). ' Так, при больших значениях R/r, близких к значениям in vivo, напрнкэр. щи R/r«3 величина t для кластерной модели Е превышает величину t для изотропной модели d (горизонтальная пряней d) в 3.8 раза, если ®t"I.Q. При ®t=0,5 эта разница меньше, го все зе весьма существенная (2.3 раза).
Ситуация, ошсенная выше, резко меняется,, если мэжду шлеку-ломн внутри каащрго кластера взанглодействЕЗ. настолько сильное, что кластер функционирует как единый перэдатадай или пряишайшй диполь.
В таблице I сопоставлены величины врекинн t при ©,.=1.0 н
Таблица 1. Нормированные величины времени захвата возбуждения реакционным центром (ь) в моделях А,В и С при Ф^.о,- значения в скобках - для Фь=о. 5. Величина * для каадой димерной модели С принята равной единице.
Тип пигментов ФСЕ
ФСБ (Рис.!)
диыерная
мономерные
В
Стоксов сдвиг
см
г-1
в astm
БХл а
(1) R.
(2) R.
(3) R.
БХл а БХл s
in_vivo:
rubrum
sphaeroidss, штамм 2.4.1 sphaeroidee, мутант NF57 in_vitro
in vitro
3.8(3.6) 8.3 9.9
1.5(1.5) 3.4 4.1 100 ISO
1.3(1.2) 3.4
1.9(1.8) 4.1 4.9
2.2(2.1) 4.9 5.8
3.4(3.3) 7.5 9.0
1.4(1.3) 3.0 3.6 100 200
1.2(1.1) 2.5 3.0
1.6(1.6) 3.6 4.3
2.2(2.1) 4.8 5.7
БХл a
(1) R.
(2) R.
(3) R.
БХл a БХл с
in_vivos
rubrum
sphaeroides,
штамм 2.4.1 sphaeroides, мутант NF57 in_vitro
in vitro
БХл a
(1) R.
(2) R'
(3) R.
БХл a БХл s
in_vivo:
Rubrum
sphaeroides, штамм 2.4.1
sphaeroides ЫУТЭНТ NF57 in_vitro
in vitro
4.2(4.1)
1.8(1.7)
1.7(1.6) 2.2(2.1) 2.4(2.3)
9.3
4.0
3.7 4.7 5.3
11.2 4.7
4.4
5.6 6.3
150 150
БХл a
(1) R-
(2) R.
(3) R.
БХЛ § БХЛ С
ig_ViVO!
rubrum
ophaeroidoB,
штамм-2.4.1 ophaeroidee, МУТ8НТ MF57 in_yltro
m vitro
4.5(4.3)
1.8(1.7)'.
2.1(2.0) 2.0(1.9) 2.7(2.6)
9.9
4.0
4.6 4.5
6.0
11.9
4.7
5.6 5.3 7.2
200 200
®t«0.5 для четырех моделей ФСБ: А, В (прз R/r=2 и R/r=3) и С. В шделя С все ее элементы - дзмзрн. Время t для этой модели условно принято за единицу (разумеется, эти еднницц различны для разил типов пигментов, разных A3t и ít). Из табл.1 видно, что ди-мзраая модель С - зсегда эффективнее соответствующих мономерных моделей того га размера, той z» площади и составленных из тех за пигментов, причем эффективность функционирования димерной ФСБ тем больпе, чей больше ишерхромизм <эу-полосы поглощения пигментов.
Таблица а. Нормированные величины временя захвата возбуадения реакционным центром (t) в моделях d, в и р при <&t=i.o,- значения в скобках - для ©t»c.s. Величина t для каждой олигомерной модели р. принята равной одеякцо.
• Подели ФСБ (Рлс.1) Стоксов
-■- с дзет
пигментов олзгомераая шао?лэршз c?5-i
ФСБ Р d В Е ÄStj, -__■ •_ (R/r-2)_(R/r-3)_
БХл 3 In vivo
(К. rubrum) 1 3.9(3.6) 6.4(3.9) 14.4(8.4)
БХл a in Vitro 1 2.0(1.7) 3.2(1.9) 7.1(4.1) 100 200 БХЛ С in vitro 1. . " 2.5(3.3} 4.0(2.5) 9.0(5.4)
БХЛ § In vivo
(R. rubrum) 1 5.1(4.6) 8.3(5.0) 13.7(10.3)
бхл 8 In Vitro 1 2.5(2.3) 4.1(2.4) 9.2(5.3) 200 250 бхл c in vitro ■ 1 3.0(2.9) 4.9(3.1) 11.1(6.7)
Результаты аналогичных расчетов для большзх ФСБ (модели d, е' для й/г=2 а Е/г^З, п р), представлена в таблица 2. В ¡.годели ? вез ее зломзша - олигс^зры, содерзазшо по пять пигшитных молекул. Время t для этой модели, условно принято равным единице (как и в случае модели С, для разных типов шгазптов ФСБ, разных ¿st и 0t
эти единицы - различны). Вое выводы, сделанные для малых ФСБ с кластерами минимального размера, осталась справедливыми и для большое ФСЕ с большими кластерами: олигошрная модель р - эффективнее соответствуй^ мономерных моделей того же размера и той же площади. Так, скорость передачи энергии от антенны к РЦ в модели f при ®t=I.O в 2-5 раз больше,чем в соответствующей однородной изотропной мономерной модели о, и в 7-18 раз больше, чем в мономерной кластерной модели Е при R/r=3. как и для димерной ФСЕ, эффективность функционирования олигомерной модели растет при увеличении гиперхромизма оу-полосы поглощения пигментов при их олн-гомеризации.
Таким образом, в суммарный эф$ект у скорзшя-передачи энергаа от антенны к РЦ в олигомерных моделях по сравнению с соответствующими мономерными моделями вносят вклад два фактора: олнгомзрпза-ция пигментов и готерхромизм оу-полосы поглощения пигментов. Оли-гомеризация сама по себе (без учета гиперхрс.\ШЕма) приводит к совместному действию трех разных факторов, два из которых ускоряют, а один замедляет перенос энергии. Во-первых, олигомеризация дает увеличение дипольвой силы всей Qy-полосы поглощения олигомера в п раз. Во-вторых, при олигомеризацш уменьшается число узлов решетки ФСЕ в п раз, т.е. более чем в п раз уменьшается число актов переноса энергии меаду ними. В рассматриваемой олигомзрной модели f это дает вместе с первым фактором ускорение более чем в 200 раз. Однако, третий фактор - неизбежное уволичеша постоянной решетки при олигомеризации пигментов в пределах той ее площади ФСЕ - действует противоположно первым двум: увеличение постоянной решетки более чем вдвое при переходе от мономерной к олигомзрной модели уменьшает скорость переноса энергии на два порядка. В моделях f, использующих спектральные данные для ».rubrum, совместное действие трех перечисленных факторов приводят к ускорению передачи энергии от антенны.к РЦ по сравнению с мономерныш моделями в -1.5 раза.Гиперхромизм оу-полосы поглощения олигомеров приводит к дальнейшему увеличению эффективности олигомерной модели. В рассматривавши примере это дает дополнительное трехкратное ускорение передачи энергии к РЦ в той же модели f.
Проведенный анализ позволил сделать два принципиальных вывода:
(Г) При слабых взаимодействиях между всеми молекулами ФСЕ, обус-
ловдявавдих индуктивно-резонансный механизм переноса энергии, кластеризация молекул (КБ играет отрицательную роль в процессе доставки энергии возбуждения от молекул антенны к РЦ, существенно зашдляя этот процесс п, следовательно, увеличивая энергетические потери.
(2) При сильных мевталекулярных взаимодействиях в пределах каждого кластера (позволяющих рассматривать каждый молекулярный кластер как одну "супермолекулу") и слабых взаимодействиях между соседними кластерами образование кластеров в ФСБ ускоряет доставку возбувдания от антенны к РЦ и, сладоцательно, увеличивает эффективность функционирования такой ФСБ по сравнению с соответствующей шкомзрной изотропной ФСБ того жз размера и той же площади.
Эта ситуация, по-вядашу, реализуется в природных ФСБ, т.к. в оптических спектрах ПБК проявляются значительные экситонные эффекты: длинноволновая полоса поглощения (оу) пигментов in vivo по сравнению с in vitro сдвигается в область меньших энергий, иногда расцепляется, а ее дшольная и вращательная силы в некоторых случаях значительно увеличиваются (ДЛЯ обзора СМ. Hanson,1988J. ' Таким образом, олигомеризацпя молекул ФСБ in vivo является структурным фактором, оптимизирущим процесс передачи энергии от антенны к реакционным центрам, и, следовательно, биологически целесообразна.
хх.3. Роль анизотропии мешлолекулярных расстояний и пространственной группировки РЦ
Прярода, по-вддашму, обладает большим арсеналом принципов оптимизации структуры (ЕСЕ для обеспечения высокой эффективности передачи энергии от аятешш к РЦ. Однако, эти принципы - один или несколько - реализуются, iro-вадшому, лишь по trape необходимости, в частности, при увеличении размера антенны. Поэтому при рассмотрении их действия надо тлеть в виду/ что в каждом узле решетки светособиращей антенны может находиться не одна молекула пигмента, а димзр Екн даже ояягошр. Впредь под словом "шлекула" шжно гониизть как кошжэр, гак я олигошр. Важно лшь помнить, что каж-дай узел решеток во всех посладущпх сравниваемых моделях занимает "молекула", состоящая из одного и того so числа хромофоров. В этом случав эффект каждого индивидуального структурного фактора
оооооооо оооооооо ООО «ОО ОО
оо «ооооо оооооооо ооо!ооо;оо
на
То о оТио оГо о с
'п г» п'л лп'ппг
1о *о1Г«И!ЬЛЙГЛ^ ¡□аооаораоЬасх !а*ор*а!а*о»*о! 5 * о!» * <хо * о» * се б а • о д о» * •я* о! 5*о»*о!а>оо>(Х л'оао!о'ло!оа щ 1»п!а>ой> о!
ооо;оооро о о о;о о о'о о о о оЧоо'оо
00400000
оооооооо оооооооо
о о о|р О 0_|р О ~
То о оГо о оТо о оГо о о; [о о о!о о о!о о о;о о о: о о о о о о о о о о о о; }о • о'о • о!о • о!о • о; лоо»ооооо;ооо . ¡ООо!оОООООООО ' !о о о;о о о!о оо!оо о! ■
о?оъоГотшяя^ о
¡0 сооооооооо о ¡000000:000000 ;о • о'о • о:о • о!о • о, оооооооооооо ооороооооооо ооох>ооооо»ос{ 'о о ор О 0^0 о ор
!ГооЬо а^о оТАГсП?
¡аоороорооро.о'
> « «¡а • д'д • а'а •
л о » « о »'» о »'» о »'
□ ооЬоорооЬоа!
> о *!* о к!« о а'а о
«о>»очо"0', ЬооЬоойосЬоо" и ■ 1>а • а а * л ¡л •
• оЛоЛо^о»
ЬооЬоопооЬосг ■а о а'а о*!* о ¡¡а о*!
а а а 4_00.<э<3~* А А А (щщи АЛА оч&яга а *
ТГЛ'Ш« о * * * * а аао* <гЛфа» о * * а а ЙОО * * А А о •ЙДЛЛ 4 4
№Ш1 А А А О <ГОО * ¡аoVYVA оо1*о4 * А А о
о о 4 » а а о •ВЦ^ААААД [ПЯЛ.4 4_4ЛЯ|0 о * аа * о
во * * * *о*1оа> 4 4 *
- та а А к о 0,0 о *"л"
Г4"»»"»"®"®» о 4 * * * а з о * 4 4 4 о *!р о * а а а -
-О'
. !ооо«оооо,1ооо*ооос>!оо©«оооо{ооо«о0ос,
'пплаапа л'п пппААе п'п паайап «л ововай«
й а а *о» асша а « о а а сха а * • о а а сха а а • О а а
^а.м^^Л^^*«^4»4,^!4^Я/АРЛЛЛ
Рис.3, фрагменты бесконечных двумерных спектрально гомогенных и гетерогенных моделей ФСБ мультицентрального типа с квадратной решеткой. Каздый фрагмент макроскопических ФСК содзрЕит 8 РЦ. Элементарные фрагменты {выделены пунктиром) содзрзат »=24 шлаку т. П Л, О - молекула антенны, соотватствущкэ спектральным форувм с мэдамунами поглощения 800, 850 и 890 шл, соответственно; О - РЦ
оо
о о о о о;о о о о о; ¡о о с ( ¡о о о с
!р о о о о!о о о о_о! г? ,о-о_о_о~о;о~о"ооо, У о о о о о о о о о о О О в о о о о в о о
о-
■ о*ц кос
п * о * о;о * 'а » о а сот 4 То~4_о"¿таг*" ¡0*0*00* ¡0 о в о о о о •а » о * ор *
о* о! ялр; о * оТ о* а еоо о* о ялр+
о'
Рис.4. ©рагшнты бесконечных двумзрша спектрально гошгенных и гетерогенных шделзй §СЕ ыультицэнтральЕОГО типа, содержащие по 4 РЦ. В злошнтарноу фрагменте и=25. Обозначения структурных элементов те газ, что и не предыдущем рисунке
штат быть оценен по отдельности.
Рассмотрим ряд неделей макроскопических ФСБ (рнс.3,4), различающихся взаимным располосением РЦ в макроантенне.от изотропного распределения (рмс.4, модель д) до сильной анизотропии их распределения в макроаятенне (группировка РЦ в кластеры). Этот вопрос интересен как с точки зрения фундаментальных исследований, так и с точки зрения проблемы создания технологически простых искусственных светопреобразувдвх систем. На рис.5 показана кинетика затухания возСугданпя в антеннах за счет захвата его РЦ для воех представлениях на рис.3 н 4 моделей с квадратной решеткой н хаотЕшго орпэнткрованпшя в трзхтарно:.! пространстве векторами ■дпюлышх могэнтов шрэгодов шлекул ФСЕ. Как ездно ез рас.5, во взвх рзсгаютрзшш шдэлях возбуздзнпе передается к РЦ по закону, близкому к зксгогзнцпальнсму. Из рпс.5 следует, что семой. э?>-фэктпвиоа является огородная пзотропная ФСБ (модель д), и что з'йэкткепость однородной пзогрошой антенны уменьшается (время захвата эпзргш РЦ увеличивается) го-кара увеличения неравномерности распределении РЦ в шжроантэнЕо, вследствпз чего наименее. з$>-©зкгяеной является' иодэль С, в которой РЦ распределены в иакроан-тэееэ с шйальшеЯ'сшпзозрошей, образуя цепочки. Таким образом, образовзЕПз клзсгоров ; РЦ в однородной изотропной глакроантенне ща шезшееш Е1 ушзпьззет ее ЕСфзктнЕгасть. Однако, как будея . показано в 'дашгэйшм, специфическая группировка РЦ в анизотропной антешго :.югот играть пологлпольную роль.
Околеть шк£укт2Еяо~розоцансного переноса энергии мэзду дву-г.п глолзкулсш щп дпголь-дпполыгсм харзхсторз их взаимодействия _сОрата> црепорцпешльяа пасхой стсгош расстояния юаду незш. По-■■■. Э5хмгу-■ ¿а» для' усщрэния гаграши энзрпщ, так п для создания ее пгправлзнгсго горелом'о* ептешн к 2Ц (требования к ■оптимизации СТКПЩР!; раздал I) сог:зт бнть попользована анизотропия кэшэле-'кулярних расс?ршйЭ в ахпвшю.'.. / Действительно, если постояннно а . и - у щжюуншгной рзизткп ©СБ отличаются, например, в 2 раза .(х/у-8.)у то скоросоъ переноса анергш вдоль направления у будет в-С4 раза шзэ, чем гонзрзк. Еудэп пз'лэнять постоянную решетка вдоль направления. 00' (показанного на рисунках. стрелкой), дзфэроруя решетку в пря:лоугольную,. н вэтнслять время захвата энергии РЦ'кск <Й?нкцзЭ' стзпзш дефоршшш решетки (рас.6,7) .Расчет показал, что:
|,ОТН. 1Л.
Рис.5. Кинетика затухания возбуждения (за счет захвата его РЦ) в спектрально гомогенных (пунктирные линии) и гетерогенных (непрерывные линии) антеннах ФСБ, изображенных на рис.3 и 4. н - доля энергии возбуждения, захваченной РЦ, г - время в относительных единицах. Пересе* чение кривых с уровнями о , о и 0.1 дают значения
т.е. времена захвата РЦ - 63%, - вб% и 90% энергии возбуждения
^/втк.гВ.
Рис.6. Зависимость времени передачи энергии возбуждения РЦ в однородных моделях (рис.3, 4) от степени деформации их решетки в прямоугольную.
Значения 12(н /к,=1) соответствуют ФСЕ с квадратной решеткой .
Рис.7. Зависимость времени передачи энергии возбувдения РЦ от степени и направления деформации квадратной решетки в прямоугольную.
1 - сжатие вдоль короткой оси, т.е. уменьшение ^ (л,/!^ > 1);
2 - сжатие вдоль длинной оси, т.е. уменьшение и, (й^/е, > 1)
(1) Для каждой модели ФСБ величина t резко возрастает при увеличении постоянной решетки вдоль направления 00 и сокращается при ее уменьшении вдоль любой из двух ее осей.
(2) Во всех ФСБ величина t быстро стремится к проделу,незначительно отличаясь от него уже при уменьшении постоянной решетки всего в 2-3 раза.
(3) Минимальное предельное значение величины t зависит от направления "сжатия" решетки и взаимного расположения РЦ в макроантенне:
(а) для любой анизотропной ФСБ максимальное ускорение передачи энергии от антенны к РЦ достигается уменьшением постоянной решетки вдоль длинной оси элементарной ФСБ (рис.6,7). Из этих рисунков видно, что при достижении предельного значения t колебания решетки не могут вывести систему из достигнутого оптимума, т.е. минимизация t - устойчива,-
(б) максимальное ускорение передачи энергии от антенны к РЦ достигается в такой ФСБ с оптимальной анизотропной антенной (см. пункт (а)), в которой РЦ образуют цепочки, располоненные в макроантенне поперек длинных осей ФСБ (рис.3, модели с и d).
Действительно, в наилучшей среди рассматриваемых ФСБ с однородной изотропной антенной (модели g) t=420. Использование обоих оптимизирующих факторов - избирательной анизотропии мешолекуляр-шх расстояний в антенна и организации РЦ в кластеры-цепочки -позволяет при том ш м найти модель (модель с), для которой при степени деформации ее рзпзтки кА/йв = 2.5 величина t сократилась в 14 раз (ъ=29).
Такш образом, избирательная анизотропия иэпюлэкуляршх расстояний вдоль выбранного направления в макроантзннэ ФСБ, а такка оптимальная группировка РЦ в кластера в анизотропной ФСБ служат факторам, позволгшдаа значительно ускорить/передачу энергии возбувдшшя от антенны к РЦ.
ПроЕЗдоЕпрэ в настоящей разделе рассмотрение имеет важное для систем in vivo следствие г если в макроантовне ФСБ in vivo рэалззуатся избирательная анизотропия ¡¿зашекулярвых расстояний, . то эяэшнтзршге ФСИ долети вмзть вмтянутуп форму.
xi.4. Роаь спзктральной гетерогенности аптешц
В лэторатурэ ornean огроютый экспврпкзпталькнй материал о
строении и спектральных свойствах светособиравдей антенны фотосин-тезирутацих организмов. Убедительно показано, что антенна ФСЕ большинства фотосинтезирующих организмов состоит из нескольких индивидуальных компонентов, различаквдхся по строению составляющих их ПЕК. Эти комплексы в одной и той se антенне ФСЕ могут быть представлены как разными видами хлорофильных пигментов (например, у зеленых бактерий - ЕХл а и БХл с (d, в) или у щанобактерий -хлорофилл а и фикобилины), так и одинаковыми (например, у пурпурных бактерий как Б800-850, так и Б875 содержат только БХл §). Структурно обособленные компоненты антенны, имеющие индивидуальное строение, а, следовательно, и индивидуальные (хотя* быть мо^ жвт, весьма сложные) спектры поглощения и люминесценции, называли спектральными формами антенны. Вообще говоря, разные спектральные формы могут быть распределены в антенне как хаотично, так и упо-рядоченно. Однако, хаотичный способ их упаковки должен привести к заметному увеличению энергетических потерь в антенне [swenberg et ai., 1976] и потому вряд ли имеет место in vivo. Целесообразность упорядоченной упаковки спектральных фор] антенны очевидна, ибо это позволяет эффективно передать РЦ большее количество поглощенной в каждом спектральном интервале энергии привзаимном расположении коротко и длинноволновых спектральных форы, обеспечивающем перенос энергии к РЦ по термодинамическому потенциалу {Борисов, 1967). Мы рассматривали только такую упорядоченную упаковку спектральных форы, когда они образовывали морфологически обособленные субантенны.
Рассмотрим для определенности система, состоящие из трах спектральных форм, т.е. трох субантенн.В качестве модельных ФСЕ еозьмзм такие ш, как и в предыдущем разделе, бесконечные двумерные макроскопические ФСЕ, в которых элементарная ®СЕ состоит из SJ-24 (шш п=25) молекул (рис.3,4). Эффективность захвата Еозбуг-дэния раакцганнш цоптром ©t«i .Чтобы шдэлать шдшвдальнув роль спектральной гоаарогошосгн антенна,. последовали §СБ с квздраг-еой решеткой при звотической (т.о. в средне;.! изотропной) ориентация в трзхмэ'рноа пространства векторов дапольных моментов переходов молекул ФСЕ. Спактры поглощения выбрали похожи® на спектры ряда пурпурных бактерий с максимумами поглощения в диапазоне от СОО до ВЭОпы, причем спектр поглощения каздой спектральной форид ;-шрокспиироволп спэктром поглощения БХл в in vitro. а сдвиг
Стокса полагали равным 100см"1.
Рассмотрим ряд моделей макроскопических ФСБ (рис.3,4), различающихся формой субзнтенн и взаимным расположением РЦ в макро антеннах . В этих моделях спектральные формы образуют единую антенну либо в виде находящихся в непосредственном контакте, но морфологически обособленных гомогенных слоев ( мультицентралыюсть таких ФСБ осуществляется за счет всех трех субантенн (модели а, с, а), лнбо в виде дискретной по коротковолновым спектральным формам антенны; мультицентральность таких ФСБ осуществляется только за счет длинноволновой субантенны (модели ь и д), в которой локализованы РЦ. Рис.5 показывает/ что кинетика затухания возбуждения в гетерогенной антенне псевдоэкспоненциальна. В качестве меры эффэк-тивности функционирования гетерогенной антенны приняли величину 1}Г0тв 1гои/-{Т01_ Расчет показал, что в зависимости от структуры антенны ч ленит в пределах 1.3 < т» < 2.1. При неудачной топографии МОЕЭТ бЫТЬ Т| < 1»
Шло показано, что для кавдого спектрального интервала поглощения света для любой модели ФСБ мозво определить не только оптимальное число спектральных фор?* л их взаимное расположение, но п оптимальное полокениа максимумов их поглощения.
Таким образом, вэличина -чгет зависит от следующих особенностей структуры гетерогенного антенного комплекса: (I) взаимного расположения спектральных форм; (2) спектрального положения максимумов их поглощэния;- (3) числа н относительной концентрации спектральных форл.
Суть зффзкта спектральной гетерогенности антенны ФСБ связана с тем, что Ш!гращм анэргт возбуждения пмзет диффузионный характер только в пределах каждой субантенны. Мепду субантепнаш ¡згг-рацгш шззт'в цэлом-направленный характер. Благодаря оптимальной топографии и опталальному соотношения интегралов перекрытия для пряюго 2 обрагиого переносов эшргш, возбуждение быстро локализуется в сашй длшеоеолеовой субантенне. Зто фактически уменьшает тслз молакул езтэхши, по которым миграция энергия происходит' ^."отпчпо. Спзктрально. гетерогенная антенна функционирует приблизительно тех гз, как однородная, но с. числом молекул из в, а < и (трзбовонна к оптжнзащта структура,- раздал г). ' Вероятно, структура больших и высоко эЭХоктпвппх "СБ отззхггз-:-свана по многим структурно-фуякшональшсд пзрпг»зтрсм. Болывшсг-
во из них увеличивает скорость миграции анергии по антенне. Однако, как уже отмечалось в разделе I, даже значительное увеличение скорости миграции энергии по антенне само по себе еще не обеспечивает столь же значительного увеличения скорости передачи энергии к РЦ. Спектральная гетерогенность есть единственный способ создания векторного переноса энергии к РЦ. Это, в свою очередь, ставит задачу оптимального сопряжения соседних субантенн.
В заключение заметим, что проведенные выше расчеты относятся к ФСЕ, в которых каждый узел решетки занят "молекулами*, состоящими из одного и того же числа хромофоров. В природных же ФСЕ, например, в пурпурных бактериях, известно, что перенос энергии 800нм —» 850нм осуществляется между мономером (800нм) и дидаром БХл а (850нм). Это означает, что в данном случае реализуется совместное действие двух, структурных оптимизирующих факторов: спектральной гетерогенности и олигомеризации пигментов, что увеличит оцененный в этом разделе эффект еще в - 1.5 раза.
Таким обрезом, спектральная гетерогенность обеспечивает выполнение двух требований к оптимизации структуры ФСЕ (раздел I):
(1) уменьшает эффективное число молекул, по которым возбуждение хаотично мигрирует в антенне до его локализации в РЦ, N^<11;
(2) создает векторный поток энергии электронного возбуждения к РЦ.
и.5. Роль взаимной ориентации векторов дипольных моментов переходов пигментов
Скорость переноса энергии между молекулами по индуктивно-резонансному механизму очень сильно зависит от взаимной ориентации векторов переходных моментов, определящих энергетически самые низшие синглетные электронные переходы в этих молекулах (формулы 1,2). На рис.8 приведены значения ориентационного фактора *2 для переноса энергии мевду парой молекул антенны с квадратной решеткой при различной ориентации векторов их дипольных моментов переходов. Как видно, величина у? может принимать значения от О до 4. В то да время для диполей, хаотично ориентированных в трехмерном
пространстве, = г/з, т.е. в 6 раз меньше наибольшей возможной величины. Это означает, что при благоприятной взаимной ориентации векторов дипольных моментов переходов скорость миграции энергии по антенне ФСЕ могет быть значительно больше, чем при их хаотиче-
п а и- ш ы а
Л'-(СМ0,2 ~ *С<И0, СО50г)г
Рис.8. Расчет значений ориентационного фактора к для различных .взаимных ориентецяй векторов дннольиых переходных моментов пара шлекул антенны с квадратной решеткой. ' о - молекулы антенны, меиду которыми происходит перекос энергии; ТГ - векторы переходных моментов этих молекул; г - радиус-вектор соелшявдий эти молекулы; в - углы МЭЭДУ и И г
¡0
■ ■ а,хра)
Рис.9. Зависимость вероятности переноса энергии ¡ленду молекулой галогенной снтешш с квадратной решеткой л ее 8 близашшми сосе-дяш от направления параллельных векторов дшшышх переходных моментов шлекул антенвн (угол «) с учетом расстояний мззду этпп молекулами. Вероятность переноса энергии козду иолекулами О—>1, О—>5 обозначена ятриховой кривой; о—>3 и 0—>7 -штрих-пунктирной криво'!; О—>4 и 0—>8 - сшшпой крнвоП; '
О—>6 - пунктирной кривой
и
ской ориентации, а при неблагоприятной - существенно иеньае. Наиболее благоприятна такая упорядоченность, когда все векторы дн-польных моментов переходов параллельны друг другу, ибо в атом случае хотя бы в одном направлении вероятность переноса возбуждения - наибольшая из возможных, рассмотрим, какова эффективность передачи анергии к РЦ в ФСБ рас.3,4 , где все векторы дипольных моментов переходов молекул параллельны и составляют угол а с направлением оо'. На рис.9 представлена зависимость к2(в)к~® (см, формулу (1)) для переноса энергии от одной из молекул антенны к 8 соседним (4 - ближайшим и 4 - из следующей координационной сферы) при параллельных векторах их переходных дипольных шмэнтов. Из этого рисунка следует, что в таких системах необходимо учитывать взаимодействие каждой молекулы не только с ее йшаайшиш сосздк-ми, так как для ближайших молекул, расположенных на стороне квадрате, к2 (а )=о цри «=35.3° и а=54.70, тогда как для соседних по диагоБвли молекул он близок к своему максимальному значению, и, несмотря на то, что величина' к6 а этом случае в 8 раз больше, такой перенос может играть важную роль. : На рис.Ю представлены зависимости с учетом взаимодействия с 8 ближайшими соседящ для моделей а, ь, с, а. Из ряс. 10 следует, что»
(1) Для каждой модели функция <:(сс) всегда шеат 2 глубоких ш-ниыуыа: при а—>0° и а—>90°, при которых Еначошя ъ значительно ниже, чем в случае диполей, хаотично орпантщювашшх в трзшзрнсм
пространстве, т.е.при )?«2/з (на рис.10 гослэдшю шкгзгшы цряш-
КИ ^СОПвО,
(2) ДЛя рассмотренных моделей, емзщзх део оси разной длиш (т.е. вытянутую форму элементарных ФСЕ), значения <:(0°) и 4(90°) различаются в 1.3 - 3.5 раза. Наибольшую эффективность (шшз-шзашш t(в)) обеспечивает та ориентация (аопт), при которой угол (0) между направлением Бакторов днполыш моментов переходов в длинной осью модельных агрегатов равен О0! нащжмэр, для моделэй а и ь «ОПТ=90°, а для моделей с и а аопт=0°. Однако, во всех моделях аопт соответствует значению ропт=0° (рис.II). Такш образом, в оптимальных ФСБ ориентация параллельных векторов дипольных моментов пароходов долшо быть такой, чтобы обеспечить максимальные скорости переноса энергии (т.е. к^^) вдоль потешдаально . лимитирующего этот пзранос направления в антенне,т.о. вдоль длинной оси
Рас.II. Оптимизация оризнтацнй дапольных моментов пароходов шдекул модальных ФСБ, шещпх две оси разной длины
эдвь'лнтаршй ФСБ (0ошк)0). ■
(3) Оба чяшшунз ®шщии t(в) - очень шрокиэ, т.о. Еблнзи и-вя90° значения ъ нз игманяются болев чем на 20% в пределах отхсло-езнпй Аа, дастптапшх-дв в 1(Ц°-15°). Поэтому тепловые колебания вшэкул на шгут вавзсти систему из этих минимумов, т.е. прн этих .значениях а спстзма устойчива.. При этом больсеэ допустн-г/хэ Да, в-прэ^лзх-которого значение ъ нз изменяется заметно, соотвзтствуот колебапшш шзнно около аопт. Приведем пример для гошхшшй йодзли а:- <х0П?*0о, 1т1п=Г27 при «=0° и растет на 20% пра дсев±15°. Црн «=30° 4=247 и растет на 20% при д«=±12°. Как праваяо, описанная упорядоченность ориентацией диполей при отклонения а от оптпиальшго значения в прэдэлах ±20°еие дает ушньпгешго врешда порэдачи анергии к РЦ в рассмотренных гзодвлях болзе, чем • в 2 раза по сравнен® с хаотической ориентацией дпполай в трекерном пространство.
(4) Оптимальная ориентация дипольшх котнтов переходов отл^кул ФСБ (тахаэ, как и оптатяьноя анизотропия рештки ОСЕ (рас.6,7)) сначнмльЕО сильнее уволичивазт стсорость стграцни возбудцэшш по
антенне, чем повышает эффективность передачи его к РЦ, ибо этот фактор не создает векторного переноса возбуждения к РЦ. Поэтому в рассмотренных моделях ФСБ с оптимальной упорядоченностью ориентация векторов дипольных моментов переходов молекул скорость передачи энергии к РЦ возрастает по сравнению с хаотической их ориентацией в трехмерном пространстве в 2 - 5 раз, в то время как скорость миграции энергии по антенне при о0ПТ во всех моделях возрастает одинаково.- в 6 раз - вдоль направления 00'и в 1.5 раза -в перпендикулярном ему направлении.
Рассмотрим случай частичной упорядоченности ориентации векторов дипольных моментов переходов молекул ФСЕ. Для оценки эффективности функционирования таких ФСЕ была выведена формула для
среднего значения ориентационного фактора ? как функции угла де, в пределах которого диполи, хаотично ориентированные в плоскости, отклоняются от ЭТОЙ ПЛОСКОСТИ:
(5 - -|2 в*п2Д0 + в1п4Д0) Когда векторы дипольных моментов переходов хаотично ориентированы
в пространстве, де= ; отсюда получаем хорошо известное .
."' -я-
Для хаотичной ориентации в плоскости (де=0) получим к=5/4. Цра
де < 25° величина у? отклоняется от этого значения на более, чем на Ю). Отсюда следует, что даже если в плоскости ФСБ нет упорядоченности ориентация векторов дипольных моментов переходов шла-кул ФСЕ, но все они лежат в этой плоскости, то скорость шгращш почти вдвое больше, чем при хаотической ориентации их в трехмерном пространстве. В рассмотренных моделях скорость передачи энергии от антенны к РЦ при двумерной хаотической ориентации векторов дипольных моментов переходов молекул вдвое больше, чем в случав трехмерной хаотической их ориентации; однако, она в 1.2 - 2.6 раз меньше, чем при оптимальной упорядоченности их ориентации в плоскости ФСЕ, т.е. когда все векторы дипольных моментов переходов параллельны и направлены вдоль длинной оси элементарной ФСЕ.
Таким образом, даве частичная упорядоченность ориентаций векторов дипольных моментов переходов молекул ФСЕ весьма заметно повышает эффективность функционирования ФСЕ. В то «в время полная упорядоченность векторов дипольных моментов переходов молекул ФСЕ, как показали наш расчеты, требуется далеко не всегда. Например,
в ФСБ с тригональкой или гексагональной решетками приведение всех хаотично ориентированных диполей в плоскость антенны обеспечивает практически такую же эффективность функционирования ФСБ, что и взешко параллельная их ориентация в этой плоскости. Более того, случайное отклонениз хаотично ориентированных диполей от плоскости антенны в пределах угла де=±20° уменьшает величину ? менее, чем на 8%. Поэтому эффективность функционирования ФСБ с такой степенью упорядоченности векторов дипольных моментов переходов шлекул (как и в случае оптимальной ориентации параллельных векторов дипольных моментов переходов) устойчива к тепловому движению шлекул.
Все принципиальные выводы, сделанные в представленном цикле исследований, остается в силе и для случая обратимого захвата анергии возбуждения реакционным центром (расчеты проводились для
трех значений эффективности захвата: 0.5 1 0.1).
Проведенное в этом разделе рассмотрение имеет два принципиальных для систем iorvivo следствия:
(1) Если в прцродвнх ФСБ шгданта двумерной однородной антенны образуют тригональную или гексагональную решетку, то в таких ФСБ мопю озЕздать двумерной хаотической ориентации векторов дипольных шкантов переходов шлекул зетх ФСБ, т.к. практически предельная степень оптимизации переноса.энергии по ФСБ с такой решеткой путем единообразной упорядоченности ориентации этих векторов достигается уса (и всего лезь,!). приведением всех хаотично ориентированных диполей в плоскость ФСБ, т.е. при 1^=5/4.
(2) Еслз в природных ФСБ свэтособиравдая однородная антенна образует прямоугольную решетку, то в таких ФСБ моено ожидать предельной степени упорядоченности ориентации векторов дипольных моментов пёрэходов иголекул антенны (т.е. их взаимной параллельности).
III. ЭКСПШОДЖГАЛЪНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУТЕЙ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ СВ2Т0С0БИРАВДЕИ АНТЕННЫ ПРИРОДНЫХ ФОТОСИНТБЗИРЛШХ ОРГАНИЗМОВ
iii.I. Выбор объектов исследований
Экспериментальные исследования эффективности первичных процессов природного фотосинтеза показали, что независимо от размера
светособирапцей антенны фотосинтетической единицы, т.е. числа молекул антенны (Ю на один реакционный цен?р, квантовый выход первичного разделения зарядов в реакционном центре весьма вызок (- 90*). Это означает, что при всем своем многообразии фотоепшге-зирувдие организмы, как с малыми антеннами (ы -30), так и с большими (н > юоо), достаточно успешно решили проблему оптимизации структуры ФСБ по функциональному критерию. В разделе и мы теоретически рассмотрели возможные пути этой оптимизации. Напомним, что для природных ФСБ эта проблема стоит достаточно остро(см.раздел I). Тем не менее, расчеты показали, что природа располегеат столь большим арсеналом возможностей для такой оптимизация, что трудно ожидать одновременного использования в одной в той те небольшой ФСБ всех рассмотренных в разделе н структурных факторов. Из раздела I следует, что экспериментальный поиск в природше ©СЕ структурных оптимизирующих факторов, найденных теоретически, логично проводить среди фотосинтезирувдих организмов с болылиш ФСБ, т.к. требования к оптимизации их структуры - более азстш, чем для малых ФСБ . Поэтому в качестве объекта исследований били выбраны зеленые бактерии семейства ездогсыасе&е, антенна ©СЕ которых на порядок больше,чем в фотосЕнтеэнрухггих организмах других видов. В ФСБ зеленых серных бактерий на один РЦ щкшдатсп от 1000 до 4000 молекул бактериохлорофшиа с (ЕХл с) и около 60 молекул бактериохлорофилла а (БХл а), отвэтстзэшнх за пики поглощения в области 730-750 и около 810 ем соответственно (рас.12).Взсь Ехл с содержится в ствршеобрвзшх структура! длиной около 100 ш и диаметром около 30 вм, называемых хлоросомзш, соодипэншк базовой пластинкой с цитоплазматической мембраной, где находятся РЦ и основная часть БХл а (рас. 13) (01воп, 1*980). Заэргня евзта, поглощенного пигментами хлоросомальшй антенны, с высокой ЕфЗ^зктгв-ностью (- 95%) передается пигьштам мэмбранноЁ антенны и. далее Щ
(Вагвку еЪ а1., 1974; РвивОУв, ВогАеоу, 1980]. До НЭЧОЛа Й8ШШС ИСследований было известно, что антенна ФСЕ зеленых серных бактерий - трехмерная и неоднородная, содержащая три субантенны, локализованные в хлоросоме, базовой пластинке н цитовдазматшэской мамЗ-рано (рис.13). Мы исследовали преимущественно одну из них - хдо-росомальную, как С8мую больаую среда всех известных в природе антенную структуру.
Зеленые бактерии представлены двумя эволюционно далакжи
Рис.12
Спектры поглощения (сплошная линия) и флуоресценции (штриховая линия) иятактных клеток зеленых серных бактерий сью-robiura limicoia, измеренные при комнатной температуре в строго анаэробных условиях. Спектр флуоресценции регистрировали при возбуждении светом с длиной волны 700 нм. Пики 733 нм и 805 нм в спектре поглощения обусловлены Бал с и"
БХл а соответственно; в спектре флуоресценции им соответствуют пики 780 нм и 812 нм.
b.A.3taehelin, J.R.Goleckl, C.Drewc (1980) ■ 2
Рта .13. Шдедь хдоросош, связанной с цитоплаз?4атической мембраной, построенная В4аеЬеип ог а1.(1980) на основании экспериментов по зашражванЕю-скалывашш клеток с.Х1т1со1а <:Мо8и1Га<:о-ръниа. Гидрофобная внутренняя полость хлоросома содержит 10 - 30 плотно улоганннх (вдоль осп г) цшшвдрлческих элементов (а) диа-котрсм около 10 ем, фэрмпрувдих БХл с-субантенну; (ь) - оболочка хяоросс«31, толщаной 2-4 ем, образованная монослоем галактолипи-доп; (с)- цптошгазкзтичзская мембрана,толщиной около 5 вы, содер-заяая в - 30 доутрЕиаибраша глобулах (л), диаметром 10 - 14 нм, РЦ я антенный Бхл а (около 40 молекул на один РЦ); (а)- крястал-лпческая базовая шгзстшка, толщиной 5-6 нм. связывакцая хлоро-соглу с вдтоплазматпчаской кеибраной, образована кристаллическим слоен БХл а-белков13 траиэров. содершЕих по 7 молекул БХл а в каздой субъеднницэ (?йппа, иа«По*а, 1975). На кадднй РЦ приходится 2 тршера. Электронные микрофотографии показывают упорядоченную структуру зтой субантенны в вида параллельных бороздок (с периодом 6 им), составлящих с длинной осью хлоросомы ■* угол 40°-60 .Длинная ось хлоросома у параллельна плоскости мембраны ху
ДРУГ ОТ друга семействами, Chlorobiaceae И Chloroflexaceae [Fox et ai., 19801, ФСЕ которых шеют единственное сходство - наличие хлоросомальной субантенны, которая, однако, во втором семействе не превышает размеров антенны пурпурных бактерий (не более 300 га-леку Л на ОДИН РЦ). Мембранная ЕХЛ а-антенна (Б808-866) Chloroflexaceae (рис.14) очень похожа на антенну пурпурных бактерий
Рис. 14. Спектры поглощения (сплошная линия) и флуоре сценцин (штриховая линия) интактных клеток термофильных несерных зеленых бактерий chiorofiexus aurantiacus, измеренные при комнатной температуре в строго анаэробных условиях. Спектр флуоресценции регистрировался при возбувденш светом с длиной волны 460 нм. Хлоросомальный ЕХл с обусловливает полосу поглощения с пиком 740 нм и полосу флуоресценции с пиком 750нм. Полосы поглощения с пиками 799 нм и 867 нм и полосы флуоресценции с пиками 803 вм и 680 вм обусловлены ВХл а
{Felck, Puller, 1984). Chloroflexaceae СЧЕТавТ ОргаНИЗМаш, переходными между пурпурными бактериями, за левша сершш Оакторияш и цианобактернями. Для обобщения принципиальных результатов, полученных при изучении хлоросомальной антенны Chiorobiaceae, ш проводили аналогичные исследования дая бактерий сеыейсхва chtoro-
flexaceae. Подобное обобщенна ЩШЦИЯПаЛЬНО С ТОЧКЕ ВрвШЙ УШ-
версальности принципов оптимальной оргашзецаи ентоик, которые, будучи оптимальными, сохраняется в ходе эволюции организмов, несмотря па то, что размер антенны значительно изранился.
их.2. Анализ оптимальности спектрального сопряжения хлоросомальной и мембранной антенн в зеленых серных бактериях c.iiroicoia
В раздела i был сделан вывод о том, что строение светособирапцей антенны ФСБ in vivo должно обеспечивать направленное движение энергии возбуждения к РЦ. В разделе и было показано, что одним из возможных способов реализации этого требования является оптимальная топография спектрально гетерогенных субантенн.
Математическое моделирование гетерогенного переноса энергии возбуадения от хлоросомальной ЕХл с-антенны к БХл а-антенне в зеленых серных бактериях с. Umicoia позволило предсказать существование не известной в то время промежуточной субантенны.Мы предположили, что известный в то время состав антенны, т.е.хлоросомаль-ная БХл с-субантениа (пик поглощения 750 нм) плюс БХл а-субантен-на базовой пластинки (пик поглощения 810 нм), изолированные из клеток и охарактеризованные спектрально - не является оптимальным для переноса энергии от БХл с к БХл а, так как вычисленный нами Ферстеровский интеграл перекрытия соответствующих спектров этих субаятенн составляет всего лишь 30% от своей максимальной возмож-
t, ОТН.ЕА.
ИНТЕГРАА ПЕРЕКРЫТИЯ СПЕКТРОВ
Рис.15. Расчетная зависимость времени передачи энергии возбуадения от хло-росомального БХл с к БХл а базовой пластинка от спектрального положения максимума поглощения промежуточной антенны X в модельной све-тособираицей структуре, аппроксимирующей антенну зеленых серных бактерий. На вставке приведены расчетные значения Ферстеровского интеграла перекрытия соответствующих спектров для перекоса энергии БХл с БХл в и БХл с Х_пт ^ БХл а
12
BKA о - 750нм
' »irr.
а «7ео им к
ной величины для \этого переноса энергии, в то время как для обратного переноса энергии величина этого интеграла равна нулю,причем с большим спектральным запасом (рис.15). Мы предположили, что для оптимального сопряжения этих двух субантенн должна существовать некая гипотетическая промежуточная субангенна х с максимумом поглощения 750 нм < хх < 810 нм. Варьируя спектральное положение лх этой гипотетической субантенны от 750 m до 810 нм, мы рассчитали время t передачи энергии возбуждения от БХл с-750 к БХл 8-8IQ через эту промежуточную субантенну. Эта зависимость t(xx), приведенная на рис.15, ясно показывает, что для оптимального сопрг,гения двух известных субантенн (т.е. чтобы щнимизировать время передачи энергии от БХл ç-750 к БХл а-810)■должна существовать промежуточная субантенна со спектральным положением максимума хопт-780 нм.При этом Ферстеровский интеграл перекрытия соотазтст-. вувдих спектров возрастает в 3 раза для переноса энериш БХл с —♦ Хопт—» БХл а, в то .время как для обратного переноса . энергии его величина не превышает 5% от максимальной.
Наше предсказание вскоре было подтверждено в экспертгантах западных ученых, открывших промежуточную хлоросомальнув ЕХл а-субантенну (GeroXa,oison,1986), содержащую всего 1% сватособараю-щих молекул хлоросомальной антенны c.iimicoia. . Максимум поглощения этой субантенны, определенный из спектров изолированных прз-паратов хлоросом, оказался в районе 790 нм.
ni.3. Исследование структурной организации пигментов в хлоросомальной антенне интактных клеток, зеленых бактерий C.llmlcola И C.aurantlacus методом фотовыаигания спектральных провалов '
В разделе i был сделан вывод о том, что благодаря; спэдаЩшсо структуры антенна среднее число молекул, по которым возбуждение будет блуждать в антенна да его, локализавди в РЦ, должно быть значительно меньше общего числа шлаку л антенны, н. Одним из способов реализации этого требования является олигомэразацот антенных пигментов (раздел- и): математическое моделирование переноса енергкп возбуждения в ССЕ от молекул свзтособиращай вшгетт к рваюздоЕным центрам показало, .что одщгошризация антенных шш-
тов является одним из структурных факторов, позволяющих оптимизировать этот процесс. Настоящий раздел посвящен экспериментальному доказательству существования этого фактора в природных антеннах. Предметом первых исследований были зеленые серные бактерий c.liraicoia, обладающие самой большой среда всех известных фотосинтезирущих организмов антенной структурой - хлоросомальной субантенной. Именно в хлоросомальной БХл с-антенне этих бактерий M02HO было ожидать реализации предсказанного структурного оптимизирующего фактора - олигомеризации БХл с. Отметим, что предположение о возможной организации БХл с m vivo в виде олигомеров высказывалось ранее на основании результатов сравнительного анализа спектральных данных, полученных для выделенных хлоросом и олпгомеров БХл С in vitro (Katz et al., 1963; БЫСТрОВа И Др.,1979; Brune et al.,1987,-Grieberiov,Hollwarth,1989;Matsuura, Olson,1990].
Поставленная задача решалась методом выжигания спектральных провалов (Персонов, 1987j. Шл выбран метод выжигания провала в инфракрасной Бхл с-полоса спектра возбуждения флуоресценции мембранного Бхл а интактных клеток как наиболее подходящий вариант дая биологических объектов, ибо,во-первых, он шкет быть применен к ннтактным клеткам п, во-вторых, он позволяет избежать артефакта, обусловленные неактивными антенными молекулами Бхл с. Все эксперименты проводили при температурах шдкого гелия на 3-суточ-пбе культурах свежих интактшвс клеток, находящихся в собственной срзде роста в строгб анаэробных условиях. Образцы толщиной I мм шали оптическую плотность в максимуме Бхл с-полосы поглощения cd а 0.3. Спектры возбуждения флуоресценции н выжигание спектрального провала осуществлялось с помощью самодельного лазера непрерывного действия (шщша линии 0.5 см-1) на красителе Окса-зен-Е. Флуоресценция регистрировалась через двойной спектрометр JJ2G-24 фотоушогитэлем зол з резаке счетчнка фотонов. Интенсив-позть пгмзряхшго лазерного луча была на 3 порядка нига интенсив-
2ССТП ЕНЛЯГСННЯ. ПОСЛЗДНШ) ЗарЬИрОВЭЛИ ОТ 0.5 MB/CM2 до 5 В/см2. 2рзия шшгания варьировали от 250 сек до 65 шш.
На рзс.16 представлены спектры флуоресценции л возбуждения флуоресценции пнтоктных клеток С.linicoia при температура 1.8 К. Полоса возбуддения флуоресценции с максимумом 751 ш (при длине ;:олЕИ рзгястращш, соответствущей максимуму полосы флуоресценции ~*л а, 826 ни) п полоса флуоресценция с максимумом 781 ем пршад-
ленах БХл с, содержащемуся в хлоросомах. Рис.16,17 и 18 суммируют результата всей серии экспериментов noj выжиганию долгоживуиих провалов в БХл с-полосв спектра возбуждения флуоресценции БХл а. Варьируя длину волны лазерного облучения от 710 до 780 нм, мы обнаружили, что:
Chlorobium limicola _л
V.CM
14500 14000 13500 13000 12500 12000
Рис .16. Инфракрасная часть спектра возбухдання ©яуорзсцешщн (сплошная кривая) н спектр флуоресценции (прерывистая щшя) ентвктеых клеток c.xiaicou при тешерэтуре 1.8 К. Дяша шиш возбуждения - 720 т. Дшша волны' регистрации - длина солш иахс-скцуца флуоресценции БХл а, 826 вы. Пунктирная кривея - спзктр шхнг89и0й БХл с-голэсы (cu. текст). (а)Тот ib спектр Еозбуадэедя флуоресценции, взиарзннай пра текшрвтурах 295К и 5К; / (б)Дндаренщшгьшп спектр вывеянного провала. Условия кшгашя: x = 773 ем, 10 1еш при 100 мв/ры2; Г=5К
7Ю 730
710 730 750 Я, нм
Рис.17. Спектра юзбувдэшм флуоресценции пнтактных клеток С. 11в1со1а при тешаратурз Г.8 К до и после вняигания при (а) хв= 720 н (б) ав=765 ни. ап показаны стрелками, вставки показывают участки спектров в области лв в увеличенном масштабе. (А) Спектр] до (10) и после (хв) вштгания; (Б) Дифференциальные спектры (в ■• "»).* Д1(*)-100<1о-1в)/1о. Длина волны регистрации 826 нм. Услошя выаагания! (а) (б)
Ав»765 ЕУ; 16ШН пря 1.5 В/СМ2
Рис.18
ДЕйфзренциальныв спектры бесфононного провала, вызсеиного одновременно в спектрах возбуждения (а) и флуоресценции (б) штак-тных клеток СЛ1т1со1а при Т = 5К. Длина волны возбуадения 725 нм. Длина волны регистрации 825 нм. Условия выаигания: 775,2 НМ; 10 мин при 7 мВ/см2
о
775
Л, НМ
775
(1) При выжигании в коротковолновой области спектра возбуждения (от коротковолнового края инфракрасной EXjj ç-полосы до длины волны, соответствующей половинной амплитуде на длинноволновом склоне этой полосы) дифференциальный спектр провала показывает шщюиай нерезонансный провал, воспроизводящий контур исходного спектра возбуждения (рис.17а).
(2) При выжигании на длинноволновом склоне БХл ç-шлосы спектра возбуждения дифференциальный спектр провала показывает однозра-менно (рис .176) (1) узкий резонансный бесфэнонный провал п (ii) широкий нерезонансный провал, контур которого всегда воспроизводит контур исходного спектра возбувдеиеся.
(3) Глубина провалов не превышала 30%. '
(4) Измеряя глубину выжигания резонансного узкого бесфояоЕНого провала в зависимости от длины волны вшигания при постоянной jp-. зе облучения, мы измерили спектр выжигаемой полосы (показанный в увеличенном масштабе на рис.16 точками). Эта эяергетичэски шзпаи БХл ç-полосэ имеет следующие характеристики:
(I) полуширина полосы равнв -100 сы (il) шлогение максимума -773.в нм; (ni) при длине волны этого максимума ешиштуда
исходного спектра возбувдвшя составляет 20% от максшшшй; (iv) полуширины бесфононных провалов, кшщгаагш в этой полиса (-1см-1 без учета коррекции на раарвшзше считывания, рашюо 0.5см-1), не зависели от длины волна вшшгшда, хоти, юзглсзш, они лимитированы шириной линии лазера. . Так как басфонознгго провалы резонансны, можно сделать вывод, что пшрша бтой ензрго-тически низшей БХл ç-полосы определяется нэодаородаи ущвЕвда.-
(5) Резонансные Оесфоношше провала, вышгактся .одаовреызшю в спектре возбувдения флуоресценции и в спектра ©яуорзйшшш (рас, 18). Это означает, что шзблвдаашэ босфокознца проиага cootestîîï-вуют бесфононным линиям 0-0 пароходов, а экэргететесщ вкзпая БХл ç-полосе Евгеег чисто электронную щщроду. •
с целью возшкного обобщения выводов,, ш рашдлаи сроЕсдся-ное исследование, распространив его на вотосштевщзуЕшэ бактарет второго семейства зеленых-бактерий. Прзсдзтоу есслз;^2<"Пеё 6Ш' тср^юфальше золзные бактерии c.cumntiecus. ЗкспорЕлшга, слалэ-гичные описанным выше, проводили на 2-суточных культурах щтакт-тх клеток, находящихся в собственной срзда роста в evporo.анаэробных условиях. Рис.19.20 и 21 суммируют результаты всей серии
экспериментов по выжиганию долгошвущих провалов в БХл с-полосе сяактра возбуждения флуоресценции БХл а. В спектре возбуждения (рнс.19) полоса с максимумом -742 нм(при длине волны регистрации, соответствующей ыекскмуму полосы флуоресценции БХл а, 820 нм) принадлежит БХл с. Варьируя длину волны лазерного облучения от 710 до 770 нм, мы показали, что:
(I) При выжигании в коротковолновой области спектра возбуждения (от коротковолнового края инфракрасной БХл с-полосы до длины волна, соответствующей -70%-амплитуде на длинноволновом склоне этой-
(а) (б)
гтэтЛЭ. Спектра зозбуздетгоя флуоресценции штактшх клеток с.аигап&1асиз при ташврзтурз 1.8 К до я после вкгшгания при (а) д3=742 ел п (б) лв-753 !2л. л3 показана стрелками, вставки показы-зсэт участка спектров в области лэ з увеличением масштабе. (А) Сшктри до (10) я посла (1в) шгнгвняя,- (Б) Дифференциальные спектры (в *)-. аг<%)«100(1о-1в)/1о. Длина волны регистрация 820 га. Условия ШЗИГЗШШ (а) Хв=742 ЕЛ;- 16 ШШ при 1 В/СМ2; (б) .%3=753 НМ; 16 КЯЙ прз 20 ¡ЛВ/СМ2
полосы) дифференциальный спектр провала показывает широкий взра-зонансный провал, воспроизводящий контур доходного спектра возбуждения (рисЛЭа).
(2) При выжигании на длинноволновом склоне БХл с-полосы спектра возбуждения флуоресценции дифференциальный спектр провала такаш-вает одновременно .(рис. 196) (1) узкий резонансный бесфошншй провал и (и) широкий нерезонаясный провал, контур которого всегда воспроизводит.контур исходного спектра возбуждения.
Chloroflexus aurantiacus
710 720 730 740 750 760 а, нм
кг / Г= 1.8К
/^-754 «м
Ь ,1 1 .1 / |\ 752 / т
755 760 i А,НМ / / 1 \-1 • -4Н*90аг' 20* ^ v • ........1.....--
\
(а)
1
0.1 нм
Л
н
14000 13800 >3600 13400 13200 v.cm
—1
754.5 754.5
Л, нм
Рис.20. Инфракрасная часть спектра возбуждения флуоресценции интактных клеток с.aurantiacus при температура 1.6 К (сшшшш кривая). Пунктирная кривая - спектр выжигаемой БХл с-полоса (см. текст). <а) Ди|ференциальныа споктр провала.
Условия выжигания: *в « 754 НМ; 23 мин при 150 liB/CM2; 1« 5 К
Рис.21. Дифференциальные спектры бесфононшго провала, выязгенного одновременно в спектрах возбуждения (а) и флуоресценции (б) интактных' клеток С.aurantiacus при I » 5К. Длина волны возбуждения 720 нм. Длина волны регистрации 820 нм. Условия выжигания:
А = 754,5 НМ; 8 мин при 70 МВ/С1^
(3) Глубина провалов на превышала 30%.
(4) Измеряя глубину выжигания резонансного узкого бесфовонного провала в зависимости от длины волны выжигания при постоянной дозе облучения, мы измерили спектр выжигаемой полосы (показанный в увеличенном масштабе на рис.20 точками). Эта энергетически низшая БХл с-полосз мает следующие характеристики:
(1) полуширина полосы равна -90 сг.Г1,- (а) положение максимума -752.4 ffij; (in) при длине волны этого максимума амплитуда
ксходщого спектра возбуздения- составляет 20% от максимальной,-(iv) полуаприш <5эсФононеых провалов, выжигаемых, в этой полосе (-1сл~* баз учета коррекции на разрзшенке считывания, равное О.осм-1), не эавгсэли от-длины, волны выжигания. . Так как
босфопонпиз проез.и резонансны, иоето сделать вывод, что ширина этой БХл с-голосы определяется неоднородна.! уширением.
(5) Резонансные бссфононЕыа провалы выкигаются одновременно в спэклрэ возбуждения флуоресценции и в спектре флуоресценции (рас. 21), что означеот, что наблзэдаешо бесфононше провалы соответствует бвсфопошвл линиям 0-0 переходов, а энергетически низшая Шл с-голоса п.:зот чисто электронную природу.
ПряседэнЕШ вкша эксшримзнталышз данные можно интерпретировать как доказательство олнгомарпой организации антенного БХл с в хлоросс*лах зштактных клеток c.iimicoia и c.aurantiacus. Покажем это. " .'
Прэдоолопаш, что, действительно, антенна состоит нэ олигомв-роз. В этом случае, при н шлекулах в каздом олигомере,существует и зксптошш состояний и, в общем случав, н компонентов в спектре поглозонея (пли возбуздення флуоресценции) таких оЗшгомеров. Тогда в предала слабой акситон-фононной связи оптических переходов и неоднородного ушгрзння спектров экситошых компонентов (что ха-рактарНО ДЛЯ BCOX ИССЛеДОВаННЫХ антенных СИСТ6М (Johnson, Small, 1939; Xohler et al.,19SS; Gillie ot al.,1989; Reddy et al.,1991j)
(шо предположить для определенности, что исследуемый спектр состоит из и сильго пербкраващихся неоднородно уширенных полос. Любой деструктивный процесс будет "разрушать" олигомзр как единое целое, после чего спектр такого олигомера исчезнет из спектра всего ансамбля, а вместо него возникнут ы спектральных провалов, по одному в каждой из n экситонных полос. Тогда, при выжигании в области нишего экситонного компонента только один из я провалов
Судет резонансным,а все остальные (n-i) энергетически более высокие провалы будут нерезонансными. Однакоv если между положением энергетических уровней n экситонных состояний разных оликааров нет корреляции, то каждый из (n-i) нерезонансзых провалов (соответствующих вынженным (n-i) энергетически болэе высоким эксгтон- . ным состояниям) может наблюдаться при любой длине волны в пределах своей собственной неоднородно уширенной полосы. Тогда, принимая во внимание эффективную миграцию энергии возбуждения по антенне, следует ожидать, что все эти (н-i) экситовные состояния не будут разрешены спектрально. Это означает, что при выжигании в области низшего экситонного компонента следует ожидать резонансный бесфононный провал н одновременно широкий нерезонансный провал, воспроизводящий контур исходного спектра. Цри вшшгашгк в области верхних экситонных уровней эффективный перенос вогбуж-дения между экситонныш состояниями разных олигомеров и быстрое рассеяние возбуждения к любому энергетическому уровню неоднородно уширенной полосы нижнего экситонного состояния не позволяют селективно выжечь единичные.уровни. В результате, в условиях нашего стационарного эксперимента мы будем наблюдать только широкий спектральный провал, воспроизводящий контур исходного спектра.
В противоположном случае слабых взаиьюдейстивий йзздг всеш молекулами антенны, т.е. когда все и полос спектра обусловлены мономершми пигментами антенны, при выжагашщ в области энергетически низшей полосы спектра будет наблюдаться только один резонансный бесфононный провал, т.к. при температурах жидкого гелия нет переноса энаргш против тершдинашчесхого потенциала.
Таким образом,' описанные выше акспаршзнтальша данные соответствуют системе вкситонво связанных БХл с-хрошфоров. еслн все сделанные предположения верш для исследованных антенных систем. Проанализируемте.
Во-первых, мы предполагали присутствие нескольких полос в БХл с-полосе спектра рис. 16 н 20. Это подтверждается спектращ
ЛИНеЙНОГО Н ЦИРКУЛЯРНОГО ДИХрОИЗМа' IFetieove et al., 1906; Bruna et ai., 1990; otte et ai.,i99ii, производнкш спектрами поглощения (Сидельников, 1936; Otto et al., 19911, 8 2BKE3 ЩШЬШ ПЗИЗРвНЕ8М спектра 0-0 полосы энергетически низвего спектрального комнонэета (рис. 16, 20).- Экситонная природа этих кошонентов -
полосы 773,8 нм в спектре с.limicola и полосы 752,4 еы в ешк'/рэ
c.aurantlacus - должна отражаться, во-первых, в точном соответствии спектрального положения этих полос и самого длинноволнового пика в соответствувдих спектрах циркулярного дихроизма. Действительно, положение самого длинноволнового пика в спектре циркулярного дихроизма иатактных клеток р.аезъдагп (спектрально идентичных C.llBlcola) - 775 HM (Otte et al.,1991] - И C.aurantlacus - 752 нм {Brune et ai.,19901 - прекрасно соответствуют спектральному положению пиков, найденных нами энергетически низших полос 773,8 нм и 752,4 ни. Во-вторых, оба спектральных компонента- полоса 773,8 нм в спектре c.iimicoia и полоса 752,4 нм в спектра c.aurantlacus - míeвт гораздо меньшую ширину (* 100 см-1), чем полоса поглощения БХл с in vitro при 5К (* 230 см-1), что также однозначно указывает на экситоннув природу обнаруженных полос. Заметим, что пранщшиальный вывод не изменится, если БХл с-полоса спектра является суперпозицией не только полос 0-0 переходов разных экснтонных компонентов олигомеров.но и их колебательных полос.
Во-вторых, нач вывод справедлив только в пределе слабой эксптон-фононной связи оптических переходов. Для энергетически НИЗШИХ ПОЛОС - ПОЛОСЫ 752.4 HM В спектре C.aurantlacus и полосы 773,8 нм в спектра c.iinicoia - эта слабая связь отражена в малой интенсивности псевдо-фононного крыла (рис. 166,- рис.20, вставка). Кроме того, ширина БХл с-полосы c.iimicoia при переходе от 295К к 5К сужается на более чем на 10» (рис.16а). Это означает, что вклад фбношшх крыльев в контур БХл с-полосы довольно мал. Как бага сказано выез, слабая экситон-фнонная связь оптических переходов является прлвдшшально еэйной обшей характеристикой всех исследованных природах антенн: это означает, что при переносе энергии возбуждения от антенны к РЦ лшь небольшая часть поглощенной антенными молекулами энергии света дассшшрует в тепло в процессе фононной релаксации, что и отражено в высоком квантовом выходе передачи энергии от антенны к РЦ.
В-трвтьпх, ш предположили, что возбужденные состояния БХл с-хрсмофэров неоднородно уширены. Для полосы 752,4 нм в спектре C.aurantiacua П ПОЛОСЫ 773,8 НИ В СПЭКТРЭ C.iimicoia величина неоднородного ущреяия измерена и palana -90 см-1 и 100 см-1 соответственно (Рнс. 16 и 20). Что касается верхних экснтонных состояний, то принципиальный вывод работы на зависит от того, уширены ли ах полосы однородно или неоднородно.
В-четвертых, мы предположили отсутствие корреляции между положением энергетических уровней экситонных состояний в разных олигомерах. Это предположение не имеет прямого экспериментального подтверждения, но предположения такого же типа позволили объяснить ряд спектральных данных для других природных антенн [Kohler et al.,1988; Van der Laan et al.,1990].
Таким образом, полученные данные можно интерпретировать как доказательство организации БХл с в хлоросомах интактшх клеток
С. Ural cola И C.aurantlacus в ВИД6 ОЛИГОМероВ, 3 СЭМ ПРИНЦИП 1'аКОЙ
организации антенных пигментов следует рассматривать как одни га оптимизирующих структурных факторов, обемючтгвзвдих высокус еф-фективность передачи энергии от антенна к реакдионному центру.
т.4. Исследование взаимной ориентации векторов дипольных моментов Qy-переходов хлоросомальных пигментов в хроматофзрах зеленых бактерий c.iimicoia методе»! линейного дихроизма
В разделе i был сделан вывод о том, что светособиращая антенна ФСБ in vivo должна обеспечивать направленное движение возбуждения к РЦ. Одним из возможных способов реализации этого требования является упорядоченность взаимной ориентации векторов дипольных моментов переходов молекул антенны. В разделе и было показано, что в оптимальных модельных ФСБ эти вэктори долкны быть параллельны друг другу и параллельны либо длиной, либо короткой оси элементарной ФСБ.
Настоящий раздел посвящен экспериментальному доказательству существования этого оптимизирующего фактора в природных антеннах.
Предметом исследований была самая большая антенная структура - хлоросома зеленых серных бактерий c.iiHicoie (в каздой хлоросо-ме содержится около 10000 молекул БХл g toÍ8on,i980i). Исследование ориентации векторов моментов оу-переходов БХл £ проводили на выделенных из клеток фотоактивных кошшкеах, названных наш хлоросомо-мембраншми комплексами (ХЩ),которые по структурно-функциональному критерию аналогичны хроматофораи пурпурных бактерий, т.е. содержат весь фотосинтезирущий аппаратклетки. Контроль размеров и формы ХМК с помощью электронного микроскопа н-12(Hitachi) показал, что ШС пмзют стержнеобразнув форму с мак-
so
стильным размером около 160 нм и соотношением длин осей 1:4-6.
Ориентации дшольеых ыомэнтов переходов БХл с в ХЖ изучали методом линейного дихроизма для ориентированных образцов. Ориентирование ШК проводали осесимметричной деформацией голиакрила-¡лидпсго геля, в который они были встроены по методике Абдурахма-пова (1978). Деформации полимера без изменения объема считали однородной. Осесишетрзчная деформация характеризуется параметром деформации и, который определяли отношением конечной к исходной длине геля. Спектры поглощения в линейно поляризованном свете измеряли с помощью спектрофотометра эресога м-4о. спектры А„ и Ах соответствовала поглощению света, поляризованного соответственно параллельно а пзршщдЕХУЛярио оси ориентации образца. Мерой линейного дяхрелзмз слугшлз величина степени дихроизма Р = .(А, - А^)/(А„ + Ах).
Сторзяеобразвал форма 32К позволяет использовать для анализа спектров линейного дшроззма ШК теоретическую модель ориентиро-вашя в трззюрной сетке аморфного полимера жестких осесимметрич-ШЕ частиц, шещих форму стераня [КиЬп,Сгип,1942; Тар1гак1,1965). Согласно этой шдеяз, если некоторой полосе поглощения соответствует вектор дппольЕого момента перехода, образующий угол а с осью спмшэтрги частица, з эта полоса ш перекрывается с другими, тогда степень дихроизма Р в рассматриваемой полосе поглощения связана с величиной параметра деформации и и углом а следующим соотношением: '
Р(а, и) в
V№
(3 СОЗ2« - 1) (3 T(N) - 1> - сое2« + Т(Н) (3 соа2а - 1)
И3 , arc tg vffCT i Т(Н) » - I 1--——- J
n3 - 1 vír-l
Таким образом, спектры линейного дихроизма ХМК несут информацию об ориентации векторов моментов оу-переходов БХл с относительно длинной оси хлоросоиы.
На рис.22 приведены типичные спектры поглощения Ап и Аа, a такш'расчетный спектр степени дихроизма Р(х) » (A11-Ai)/(A1I+Ai) в диапээоно от 600 до 900 нм при (а) »=1.93 и (б) №=1.16. Как вид-по из рисунка,в области поглощения БХл с от 710 до 770 нм величина Р практически постоянна, в то время как при л>770нм и \<710нм
она значительно уменьшается. fакда образоа, точней зшченаа угла а может быть вычислено только для ВХл с, ,поглощающего в диапазоне 710-770нм. Для проверки адекватности применяемой теории величину Р измеряли при нескольких значениях параметра дефорыацщ образца N: 1.00; I.16; 1.60; 1.98 . На рис.23 приведено парамег-
Рис.22 (а, б)
Спектры поглощения, А. и А.
V
и степени дихроизма, Р. ориентированных в полиакрилзми-дном геле хроматофоров (хло-росомо-мембранных комплексов) зеленых серных бактерий c.iimicoia. Спектры измерены, при параметре деформации n
(а) н « 1.98 и
(б) N * 1.16
Горизонтальные линии, Р(0°), Р(Ю°) и Р(20°), суть теоретические значения стегана дихроизма,Р, вычисленные для
(а) а=0° И а=10° при N»1.93;
(б) а«=0° И о =20° при K-I.I6. Р -CAe-Ai)/(Ai-AA>
Рис. 23
Теоретические зависимости степени дихроизма Р от параметра деформации н для 10 значений угла а (показаны справа от кривых). Экспериментальные значения, Р(н), измерены для четырех значений параметра деформации Ы: 1.00; 1.16; 1.60;. 1.98. Экспериментальное значешге Р(н) при »> 1 (т.е. дня неориентированного образца) Р(1)=0
щчвсков семейство теоретических кривых Р(ы) при разных значениях угла а, вычисленных по вышеприведенной формуле, а также экспериментальные значения Р(н). Экспериментальные значения Р(ы), усредненные то измерениям четырех спектров для каждого значения n. с учетом точности измерений Р(1-2%) и N(-1%) попадают в область значений, ограниченную контуром прямоугольника для каждого экспериментального значения н. Как видно из рис.23, модель ориентирования стержнеобразных частиц с достаточной точностью описывает экспериментальные данные. Угол а, образуемый векторами моментов* Оу-П8реходов БХл с с длинной осью хлоросомы, оказался равным
• * = 0°.
Точность измерения величин Р07) соответствует отклонению значений а от своего среднего значения а = 0° в пределах Да = 7°.
Таким образом.все векторы моментов оу-переходов БХл с • (шлэкул ши их связанных ассоциатов (раздел ш.З.')), определяю-щк поглощение ХШ (хроматофоров) с.Иго1со1а в области 710-770 нм, параллельны и ориентированы практически идеально вдоль длинной ося хлоросош.
Итак, экспериментально подтверждена предсказанная теоретически возжгность существования в природных ФСЕ строгой ориентаца-опиой упорядоченности векторов дшольных моментов длинноволновых переходов свэтосоСнрзвдих пнгаэнтов,которую следует рассматривать ке;с одан из структурных факторов, оптшизнрущих функционирование антенна..
их.5. Исследование структурного аспекта миграции энергии по хлоросомальной антенне в интактных клетках зелбНЫХ бактерий СЛ1и1со1а И С.аигапЦасиа '-этодом ткосекундной поляризащгонно-флуоресцентной спектроскошш
В разделе 311.4. для осяоеного светособиракцего пнгмзнта зеленых серных бактерий с.итлсои было показано, что в кавдом хро-мзхофорэ векторы цементов оу-переходов БХл с хлоросокальной антенны параллельны друг другу и практически идеально ориентированы вяэль длинной осп хлоросош. Однако, проведенные исследования но-
сят чисто структурный характер, не позволявдий утверздать, что перенос энергии по хлоросоме осуществляется между хромофорами (или их связанными ассоциатами) с параллельнши векторами переходных моментов. Иными словами, необходимо экспериментальное доказательство того, что найденная структура оптимизирована по функциональному критерию. Этому вопросу и посвящены исследования, изложенные в настоящем разделе.
В разделе хи.З. была показана олигомерная организация БХл с в хлоросомальной антенне c.iimicoia. Это означает, что вектора моментов Qy-переходов БХл с, вероятно, характеризуют коллективное возбуждение кластеров из нескольких сильно связанных шлекул БХл с (БХл с-олигомеров), а не индивидуальные хрошфоры. Тогда дареное энергии по светособиращей антенне будет описываться как перекос между этими кластерами с параллельными кошитеми оу-перехсдрв,. т.е. каждый кластер может рассматриваться как одна "супершлзку-ла". Однако, если структура хлоросош оптимизирована по функцео-нальному критерию, то в любом случае тшо оадать, что лрп селективном возбуждении линейно поляризованным сватом су-переходов БХл с поляризация флуоресценции будет предельной и практически постоянной в течение времени казни его возбужденного состояния. Этот структурный аспект переноса энергии от БХл с хлоросоыалыюй антенны к БХл а мембранной-антенны в интактньх клетках с. Ни! cola исследовали методом пикосекундной поляризационно-флуорзецантной спектроскопии.
Этод метод был выбран как наиболее информативный для рэшэния поставленной задачи и наиболее подходящий для работы с - Окологическим объектом, тай как, во-первых, он одновра&зшо дает информацию как о- структурном, так и функциональном аспекте миграции энергии по ФСБ, а, во-вторых, он штат быть использован для работы с фотосинтезирувдЕШ организмами in situ.
Пикосекундные флуоресцентные кинетики регистрировали с помощью шшосекундного спектрохрояогрзфа со спектральным разрошоназм 0.2 нм [Freiberg, 1986]. Источником импульсов (длительностью Зпс) слушл квазинепрэравной лазер на краситела 0»ссэзнн-1, синхронно накачиваемый с частотой 82МГц криптоновым ионным лазером. Возбуа-даадий свет был вертикально поляризован. Излучение регистрировали под прямым углом к возбуждающему лучу. . Для поляризационных измерений . использовались два поляроида. Поляризаэдя флуоресценция,
p(t), определялась соотношением
?(t) = |ia(t) - iiCt)i/tiB(fc) + ia(t)], где i,(t) H'iA(t) - амплитуды соответствующих компонентов флуоресценции, измеренные через поляроид, направление поляризации которого параллельно или перпендикулярно направлению поляризации возбуждающего света.
Теоретические предельные значения р вычислены для единичного изолированного пёрехода. Выделение единичного излучательного перехода ЕХл с и БХл а в спектре клеток c.iimicoia - нетривиальная задача из-за значительного перекрывания полос их флуоресценции-(рис.12). Однако, Б спектре поглощения можно надежно выделить коротковолновую область инфракрасного оу-перехода БХл с, не перекрывающуюся с оу-переходом БХл а. Для корректных поляризационных измерений селективное возбуждение оу-переходов БХл с осуществлялось при длине волны 711 нм (соответствующей амплитуде поглощения на полувысоте полосы), а кинетику флуоресценции БХл с регистрировали при минимально допустимой длине волны, 730 нм, позволяющей надежно откреститься от возбувдаюцего света. Кинетику флуоресценции БХл а регистрировали при длине волны максимума его излучения, 820 нм.
На рис.24 представлены кинетики затухания поляризованной флуоресценции БХл с п БХл а в интактных клетках c.iimicoia, находящихся в собственной среде роста в строго анаэробных условиях, при интенсивности возбуждения 0.3 В/см2. При уменьшении интенсивности лазерного возбундепйя в пределах трех порядков по величине кинетики но изменялись, что свидетельствует об отсутствии процессов аннигнлящш возбуддзнпй. Иа рис.24 представлены также расчетные фунхции p(t) для БХл с и БХл а.
Данные рнс.24 показывают, что поляризация флуоресценции БХл с постоянпа в тзченпе времени апзни возбуддения БХл с п равна для приводимого эксперимента
5Ш ■ 0.42 - 0.01 в интервале 0 - 280 пс.
Анизотропия флуоресценции БХл а (рис.24) полностью исчезает в течение 120 пс, когда концентрация возбужденных состояний БХл с укеньпается в три раза, а концентрация возбужденных состояний БХл а достигает максимума. Заметим, что кинетику уменьшения анизотропии флуоресценции БХл з следует рассматривать как результат
нескольких процессов, в частности, как результат изменения во времени соотношения амплитуд флуоресценции БХл с, и БХл а на длине волны регистрации 620 нм.
Итак, величина р, характеризующая поляризации флуоресценции БХл с, достигает предельного значения, полученного для мономараос Оактериохлорофиллов In vitro: Р = 0.42 (Ebrey, Clayton, 1969J
Chlorobium limicola
Рис.24. Кинетики затухания поляризованной флуоресценция (xe a it) Оактериохлорофилла с (БХл с) и Оактергохлорофвлла а (БХл а) в интактных клетках c.umicoia; p(t) » (iB-xxi/(х„+1А> - расчетная функция. Экспериментальные кинетики показана: точками. Гладкие крише - математическая аппроксимация экспериментальных юшепщ
Breton,Vermeglio,1982; Bolt,Sauer,1981J. ЭТО Означает,ЧТО ПврвНОС
энергии возбуждения по хлоросомальному БХл ç в интактных клетках c.iiraicoia осуществляется мевду хромофорами (или их ассоциатами) с параллельными моментами переходов. Таким образом, для БХл с-су-перантенны зеленых серных бактерий c.iimicoia in aitu экспериментально подтверждено предсказанное теоретически для оптимальных модельных ФСБ строение антенны, обеспечивающее перенос энергии по хромофорам(или их ассоциатам) с параллельными моментами переходов (раздал и).Это создает направленность переноса энергии от антенны к реакционным цантрам, обеспечивающую высокоэффективный (>95*) гетерогенный перзнос энергии возбуждения от хлоросомы к мембранной антенне [Petlsova,Borlsov,1980; Blankenship et al.,1990; Wang ot al.,1990].
Таким образом, описанное экспериментальное исследование структурного аспекта миграции энергии по хлоросомальной антенне c.iinicoia доказало, что структура хлоросомальной антенны оптимизирована по функциональному критерию. .
Столь гэ высокой степени упорядоченности моментов оу-перехо-доз светособиращего пигмента БХл-ç - мояно было ожидать и в хло-росош зеленых бактерий второго семейства, chiorofiexaceae. Этот вопрос (.si исследовали для клеток термофильных несерных зеленых бактерий c.aurantiacus тем еэ методом пикосекундаой поляризацион-по-флуорасцантпой спектроскопии. Все эксперименты проводили при комнатной температура на 2-х-днэбных культурах интактных клеток в собственной среде роста в строго анаэробных условиях. Спектры поглощения п флуоресценции клеток c.aurantiacus показаны на рис.14. Полосы поглощения с максимумом 740 ил я флуоресценции с максимумом 750 ш обусловлены антенным БХл с. Полосы поглощения с максимумам 798 a 8S7 ил и флуоресценции с максимумами 803 и 880 нм обусловлены БХл а. В отлячке от c.iinicoia, в спектра флуоресцен-щш клеток c.aurantiacus полосы БХл а и БХл с перекрываются незначительно, поэтому кинетику флуоресценции БХл с ¡ложно было измерять при длине волны ее максимума. Поляризационные кинотики флуоресценции антенных пигментов при комнатной температуре регистрировав з диапазоне О - 650 пс тем га пикосекундным флуоресцентным спектрохронографом. .
На рис.25 представлены поляризационные кинетики флуоресценция (i8 и il(- шумные кривые) БХл с (х^ = 750 ш) п БХл а (х^ *
« 806 и 880 нм) в интактных клетках с.аигапиасив, измеренные при длинах волн соответствующих максимумов их^ флуоресценции, при селективном возбуждении оу-переходов БХл с линейно поляризованным светом; ^возд = 724 нм, что соответствует амплитуде поглощения на полувысоте полосы. Гладкие кривые представляют математическую еп-проксимаци» экспериментальных кинетик суммой нескольких экспонент (с точностью, не ниже 15*). Обе кинетики затухания поляризованной флуоресценции БХл с (1ц и 1А) описываются суммой двух экспонент с временами тх = 30 пс и х2 = 100 пс и соотношением их амплитуд
СМого/1ехш аигапИасш
/, отн. ед.
t,nc
Рис.25. Кинетики затухания поляризованной флуоресценции (ie'n ix) бактериохлорофшша с (БХл с) 750шл), бактериохлорофила а
(БХл a) 80бнм) и БХл е (х^п 880ны) в интактных клетках
c.aurantiacus и расчетная функция p(t) .Экспериментальные кинетики показаны точками. Гладкие кривые представляют математическую аппроксимацию экспериментальных кинетик. Узкий идаульс - отклик регистрирующей системы на возбуждающий импульс
i^/ij = 1.5. Обе кинетики затухания поляризованной флуоресценции БХл а (I, и у при Афд = 806 нм также аппроксимируются. суммой двух экспонент с временами т1 =юо пс и т2 =350 пс и соотношением аишштуд ij^/ij = 2.3. Обе кинетики поляризованной флуоресценции БХл а при » 880 нм аппроксимируются суммой двух экспонент, с временем нарастания гн = 100 пс и временем затухания tg = 350 пс.
Приведенные кинетические данные были первым прямым экспериментальным свидетельством того, что перенос энергии возбуждения от хлоросомальной антенны к БХл а-антенне в клетках зеленых бактерий обоих семейств осуществляется в шпсосекундком диапазоне,что подтвердило наши пионерские измерения этих кинетик методом фазовой флуорометрии [Fetisova,Borieov,1980]. Приведенные кинетические данные для миграции энергии по БХл а-антенне хорошо согласуется с полученными впоследствии в разных лабораториях аналогичными ДаНННМИ [Brune st al.,1987; Mlmuro et al.,1989; Causgrove et al. ,1990; Matsuura et al., 1992; Holzwarth, 1993].
На том га рисунке 25 представлены также соответствующие поляризационные функции P(t) для БХл с и БХл а. Согласно данным рис.25, среднее значение поляризационной функции для БХл с в клетках C.aurantlacus равно
•рГО а 0.41 - 0.01 во временном интервале 0 - 230 пс.
Небольшое уменьшение' величины p(t) в этом временном интервале от р(0) = 0.45 до р(100 - 230 пс) - 0.40 обусловлено существенным вкладом .'в измеряемую двухфазную кинетику медленного компонента (ij/ij = 1.5),наличие которого связано с обратной миграцией энергии от БХл а к БХл с, которая становится заметной пря комнатной температуре/ Для штактшх клеток зеленых серных бвктерий c.iimi-coia аналогичная поляризационная функция p(t) для БХл с строго постоянна в интервале 0 - 280 пс, что хорошо согласуется с незначительным вкладом медленного компонента (iJ/I2 я 6) в измеряемую кинетику флуоресценции БХл с (рис.24).
Анизотропия флуоресценции БХл а при х^ = 806нм полностью исчезает а течение первых 100 nc¡ p(t)—>о для t>ioo пс. Кинетика уменьшения p(t) отражает не только кинетику прямого и обратного гетерогенного перекоса энергии мевду БХл с и БХл а, оу-перохода тоторых не являются ни взаимно параллельными, ни взаимно перпен-
дикулярными, но и кинетику изменения соотношения амплитуд флуоресценции БХл с и БХл а на длине волны регидтрации 806нм.
Анизотропия флуоресценции БХл а при Лфд - 880 нм - весьма незначительна и практически постоянна в течение времени жизни его возбужденного СОСТОЯНИЯ: p(t) = 0.06 - 0.03.
Итак, величина р, характеризущая степень поляризации флуоресценции хлоросомального БХл с в клетках c.aurantiacus, достигает предельного значения, полученного для мономерных бактериохлоро-филлов In vitro.
Этот результат однозначно свидетельствует о том, что в ин-тактных клетках термофильных зеленых бактерий c.aurantiacus, также как и в клетках зеленых серных бактерий c.iimicoia, перенос энергии возбуждения по хлоросомальному БХл с осуществляется мажду хромофорами (или их ассоциатэми) с параллельными векторами моментов о -переходов.
Таким образом, хлоросомальная антенна зеленых бактерий явила восхитительный пример структуры, оптимизированной по функциональному критерию.
Описанные в этом разделе результаты являются первым прямым экспериментальным свидетельством высокой степени упорядоченности целой светособирапцей структуры клетки in situ. Наши данные в сочетании с электронно-микроскопическими исследованиями tstaeheiin et al.,1978; Staehelln et al.,1979], ОПИС8ННЫМИ ВЫЙе, ПОЗВОЛЯЮТ сделать вывод о том, что пространственная упаковка БХл с в хлоро-сомальной антенне имеет характер регулярной пространственной решетки со сложной структурой элементарной ячейки. Биологическая целесообразность такой регулярности очевидна, ибо только упорядоченные системы могут быть оптимизированы".
Таким образом, результаты исследований, проведенных на примере хлоросомальной антенны зеленых серных бактерий, экспериментально подтвердили справедливость выдвинутой нами концепции ёзст-кой оптимизации структур! светосо<5ираодей антенны по функциональному критерию.
Не претендуя на полноту обобщений, можно назвать следующие основные принципы структурной организации пигментов хлоросош, позволившие реализовать in vivo столь большую и высокоэффективную антенную структуру: (I) регулярность пространственной решетки антенны,- (2) трехмерность решетки,- (3) неоднородность антенны
со - . •
(при оптимальном сопряжении энергетических уровней пигментов индивидуальных субантенн); (4) олигомеризация пигментов,-
(5) предельная степень упорядоченности ориентации векторов дипольных моментов переходов основных светособирающих пигментов.
Исследования, проведенные на представителях обоих семейств зеленых бактерий, эволюционно далеких друг от друга, продемонстрировали, что принципы организации хлоросомальных антенн, выбранные природой в ходе высокоселективной эволюции, универсальны для обоих семейств.Эта универсальность - принципиальна с точки зрения-стратегии эффективного функционирования ФСБ: основные принципы организации хлоросомальных антенн, будучи оптимальными, сохранились в ходе эволюции организмов, содержащих такие антенны.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ .
I. Выдвинута концепция, согласно которой
высокая эффективность первичного преобразования энергии синглетных электронно-возбужденных состояний поглотивших свет молекул антенны в энергию разделенных зарядов в РЦ (>90%, согласно экспериментальным данным) достижима лишь в системах, зестко оптимизированных по ряду структурно-функциональных параметров.
- Сформулированы общие требования к структуре ФСЕ in vivo;
(а) решетка ФСБ должна быть регулярной,ибо только упорядоченные системы могут быть оптимизированы,-
(б) решетка ФСЕ не монет быть однородной и изотропной;
(в) оптимизация структуры антенны должна обеспечивать направленный перенос энергии к РЦ.
- показано,что требования к оптимизации структур! ФСЕ возрастают
(а) при увеличении размера антенны и
(б) при уменьшении скорости миграции возбуждения по антенне
II. В цикле теоретических исследований, использующих математическое шделирование функционирования природных антенн, осуществлялся поиск принципов структурно-функциональной организации оптимальных модельных ФСЕ.
(i) Шло показано, что
(а) анизотропия решетки ФСЕ, в частности,
(1) кластерный характер решетки, (и) пространственная
группировка РЦ в макроскопической ФСБ, (ш) избирательная анизотропия межмолекулярных расстояний,
(б) неоднородность антенны ,
(в) анизотропия ориентации векторов диполъных моментов длинноволновых оу-переходов антенных пигментов,-
являются факторами, принципиально позволяющими оптимизировать структуру модельной ФСЕ по функциональному критерию.
(2) Определены пути оптимизации этих структурных факторов.
(3) Проведена количественная оценка эффективности индивидуального действия каждого оптимизирующего фактора.
III. В цикле экспериментальных исследований осуществлялся целенаправленный поиск в природных антеннах тех еа структурных свойств, которые были предсказаны теоретически для оптимальных модельных светособиравдих систем.
В соответствии с логикой предыдущих выводов, для экспериментальных исследований были выбраны зеленые бактерии, антенна которых на порядок больше, чем в других фотосинтезирушщх организмах.
(1) Математическое моделирование гетерогенного переноса энергии электронного возбуадения по антенне ФСЕ зеленых серных бактерий с. Ил1со1а позволило предсказать существование не известной в то время субантенны для оптимального сопряжения энергетических уровней БХл с хлоросомальной антенны и БХл а кристаллической базовой пластинки. Это предсказание было подтверждено западными учеными,открывшими впоследствии в хлоросоме. минорную БХл а-антен-ну, содержащую 1* светособиращих молекул хлоросомальной антенны.
(2) Проведенные модельные расчеты показали, что олшшзризация антенных пигментов - как эффективный оптимизирующий структуру фактор - биологически целесообразна. Метолом выжигания провалов в оптических спектрах кнтактных клеток зеленых бактерий с.Ив1со-1а и с.аигапЬ1асив при температуре 1.8 к было получено зкспера-ментэльное доказательство олигомерной организации хлоросомзлыюго ЕХл с. Комплексное исследование выгиганпя провалов в спектрах Флуоресценции и ее возбуедешщ позволило получить уникальные данные о структуре полосы, соответствующей длинноволновое о -перо-ходу БХл с: У
(а) Впервые прямо измерен при т = 1.8 к спектр полосы о-о перехода энергетически низшего экситошюго уровня .о.шгс^зра БХл с в интактных клетках С.11га1со1а и С.аигапиасис.
Экситонная природа этой полосы доказана (i) в экспериментах по выжиганию спектральных провалов при выжигании в спектральной области этой полосы; (и) точным соответствием спектрального положения максимумов этой полосы и низшего по энергии экстремума в соответствующих спектрах циркулярного дихроизма; (iü) значительным сужением этой спектральной полосы (* 100 см-1 при т = i.e-5 к) по сравнению С ПОЛОСОЙ поглощения БХЛ с In vitro При 5 К <t 230 см-1)
(б) Показано, что ширина этой БХл с-полосы обусловлена неодно-' • родным устарением спектра.
(в) Определены ее спектрально-энергетические характеристики:
(i) полуширина -90-100 см-1; <и) положение максимума --774 НМ В спектре C.llralcola И -752 HM в спектре C.auran-tiacus; (in) при длине волны максимума этой полосы
амплитуда исходного спектра возбуадения составляет 20* от максимальной; (iv) показана слабая экситон-фэНонная
связь оптических переходов, соответствующих1 этой полосе. Слабая экситон-фононная связь оптических переходов является принципиально важной общей характеристикой всех исследованных природных антенн-, это означает, что при переносе энергии возбуждения от антенны к РЦ лишь небольшая часть поглощенной антенными молекулами энергии света диссипирует в тепло в процессе фононной релаксации, что и отражено в высоком квантовом выходе передачи энергии от антенны к РЦ. '
(з) Проведенные модельные расчеты показали, что в оптимальных светособирающих антеннах векторы днпольных моментов оу-переходов антенных молекул должны быть взаимно параллельны и направлены вдоль длинной оси элементарной ФСБ. Поиск реализации этого принципа структурной организации пигментов в хлоросомальной антенне зеленых бактерий привел к открытию предельной степени упорядоченности ориентаций векторов дипольных моментов длинноволновых Qy-переходов БХл с: (а) Методом линейного дихроизма показано, что векторы дипольных моментов оу-шреходов БХл с в изолированных хроматофорах (ХМК) с.íinicoia (i) взаимно параллельны и (и) направлены вдоль, длинной оси хлоросомы.
Этот вывод основан на.анализе спектров линейного Дихроизма изолированных ХМК,ориентированных при осесимметричной дефор-
мации полиакриламидного геля, в который они были встроены. Показано, что теоретическая модель ориентирования в трехмерной сетке аморфного полимера вестких осесимметричных частиц, имеющих форму стержня,адекватна для описания экспериментальных спектров линейного дихроизма ХМК. Показано, что векторы моментов оу-переходов БХл с , определяющих поглощение ХМК с.limicoia в области 710-770 нм, образуют с длинной осью хлоросомы, угол а = 0°, со среднеквадратичным отклонением менее 7°.
(б) Методом пикосекундной поляризационно-флуоресцентной спектроскопии высокого временного разрешения показано, что перенос энергии по хлоросомальной антенне in situ происходит по хромофорам БХл с (или их сильно связанным ассоциатам) с пвргл-лельными дипольными моментами длинноволновых оу-переходов.
Этот вывод основан на анализе кинетик затухания флуоресценции антенных пигментов зеленых бактерий - хлоросомального БХл с и мембранного БХл а , измеренных in aitu при возбун-дении длинноволновых оу-переходов БХл с шкосекундшаш импульсами линейно поляризованного света. Шло показано, что поляризация флуоресценции БХл с постоянна в течение времени жизни возбуждения БХл с и равна
рГЕТ = 0.42 - 0.01 в интервале 0 - 280 пс (для интактных клеток с.linicoia) и
"рШ « 0.41 - 0.01 в интервале 0 - 230 пс (для интактных клеток C.aurantlacus), т.е. степень поляризации флуоресценции хлоросомального БХл с in situ достигает предельного значения, полученного для мономерных бактериохлорофшюв in vitro; р = 0.42, • Описанные результаты являются первым прямым экспериментальным свидетельством высокой степени упорядоченности целой светособира-пцей структур! клетки m 8itu и позволяют сделать вывод о том, что пространственная упаковка БХл с в хлоросомальной антенне имеет характер регулярной пространственной решетки со сложной структурой элементарной ячейки. Биологический смысл регулярности решетки антенны - очевиден, ибо только упорядоченные системы могут быть оптимизированы.
(4) Исследования структурно-функциональной организации хлоросомы - самой большой природной антенны - показали, что ее структура
действительно оптимизирована по функциональному критерию, обеспечивая высокоэффективный (>95%) направленный гетерогенный перенос энергии возбуждения от хлоросомы к мембранной антенне в пикосе-кущиом диапазоне.
(5) Исследования, проведенные на представителях обоих семейств зеленых бактерий,эволюционно далеких друг от друга, продемонстрировали, что принципы организации хлоросомальных антенн, выбранные природой в ходе высокоселективной эволюции, - (I) регулярность' пространственной решетки антенны,- (2) трехмерность решетки,-(3) неоднодность антенны (при оптимальном сопряжении энергетических уровней пигментов индивидуальных субантенн); (4) олигомериза-цня пигментов; (5) предельная степень упорядоченности ориентации векторов дипольных моментов переходов основных светособиравдих пигментов, - универсальны для обоих семейств. Эта универсальность принципиальна с точки зрения стратегии эффективного функционирования ФСБ: основные принципы организации хлоросомальных антенн, будучи оптимальными, сохранились в ходе эволюции организмов, содержащих такие антенны.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИИ
1. Фетисова 3.Г., Борисов A.D. Миграция энергии в светособиравдей гетерогенной пигментной антенне зеленых бактерий chiorobium Umicoia. // Доклада Академии наук СССР, 1980, т. 252, вып.З, с. 746-750
2. Фетисова З.Г., Харченко С.Г., Благовещенский D.H., Борисов A.D. Комплексный метод измерения времени жизни флуоресценции в пико-секундном диапазоне с помощью фазового флуорометра и его применение для определения скорости переноса энергии возбуждения в в светособиращей пигментной антенне зеленых бактерий.//Вестник Московского университета, сер. 16, Биология, 1984, n 4, с.56-59
3. Фетисова З.Г., Фок М.В.Пути оптимизации преобразования световой энергии в первичных актах фотосинтеза. I. Необходимость оптимизации структуры фотосинтетической единицы и метод расчета ее эффективности.// Молен.биология, 1984, т.18, вып.6, с.1651-1656
4. Фетисова З.Г., Фок М.В., Шибаева Л.В., Борисов A.D. Пути опти-. мизации преобразования световой энергии в первичных актах фотосинтеза. II. оптимизация строения решетки, однородной фотосинте-
тической единицы. // Молек.биология, 1984, т.18, вып.6, с.1657-1663
5. Фетисова З.Г., Фок М.В., Шибаева Л.В. Пути оптимизации преобразования световой энергии в первичных актах фотосинтеза.
III .Роль спектральной гетерогенности светособиравдей антенны.// Молек.биология, 1985, т. 19, вып.4, с. 974-982
6. Фетисова З.Г., Фок М.В.. Шибаева Л.В. Пути оптимизации преобразования световой энергии в первичных актах фотосинтеза.
iv. Роль взаимной ориентации векторов дапольных моментов переходов молекул фотосинтетической единицы. // Молек.биология, 1985, т.19. вып.4, с. 983-991
7. Фетисова З.Г., Фок М.В., Шибаева Л.В. Пути оптимизации прзобра-зования световой энергии в первичных актах фотосинтеза.
v. Молекулярная "фокусирующая зона" реакционного центра и оптимизация ее параметров. // Молек.биология, 1985, т.19, был.6, с. 1476-1488
8. Фетисова З.Г., Фок М.В., Шибаева Л.В. Пути оптимизации преобразования световой энергии в первичных актах фотосинтеза.
vi. Принципы организации оптимальных искусственных светособяра-вдих систем. // Молек.биология, 1985, г.19, вып.6, с.1489-1500
9. Харченко С.Г., Абдурахманов И.А., Фетисова З.Г. Анализ спектров линейного дихроизма хроматофоров зеленых бактерий, ориентированных в полиакриламидном геле. // Доклады Академии наук СССР,
1987, Т.293, И5, с. I259-1260
Ю.Тимпманн К.Э., Фрейберг A.M., Фетисова З.'Г. Ориентационная упорядоченность моментов Qy-переходов СЕвтособираицего бактерио-хлорофилла в интактных клетках зеленых серных бактерий сыого-Ышп limicoia,исследованная методом йккосекундной поляризацион-■ но-флуоресцентной спектроскопии. /J Доклады Академии наук СССР,
1988, Т.302, N4, С. 976-979
И.Тиыпмзнн К.З., Фрейберг А.Ы., Фетисова З.Г. Исследование методом пщсо секундной поляразационно-флуopaсцзнтной спектроскопш: ориентации моментов оу-пераходов светособираюцзго бактериохло-рофилла с в интактных- клетках термофильных зеленых бактзртй Chloroflexus aurantlacus.// Биофизика,1991, Т.36,вш.1, С.65-65 12.Мауринг К., Заберешая С.М., Фетисова З.Г. Олигошрная организация светособиращего бактернохлоро^илла с в антенне ззлзнш бактерий cbioroflexus aurantlacus: исследование методом фэтова-шгання спектральных провалов. // Доклада Российской Академиз
наук, 1993, Т.331, N2, с.238-240
13.Foti.sova Z.G., Borisov A.Y. Picosecond time scale of heterogeneous excitation energy transfer from accessory light-harvesting bacterloviridin antenna to main bacteriochlorophyll a antenna in photoactive pigment-protein complexes obtained from green bacterium Chloroblura llmicola. // FEBS Letters, 1980, v.114, no.2, p. 323-326
14.Petlsova Z.G., Borisov A.Y. Pluorsscence quantum yield and lifetime of antenna pigments of green bacterium Chlorobium llmicola. // Studia Blophysica, 1980, v.80, no.2, p. 93-96
15.Fetlsova Z.G., Xharchenko S.G.New complex method of picosecond-time scale measurement of fluorescence lifetime with phase flu-oroiseter and its application to determination of excitation transfer rates in photosynthetic pigment antenna. // Proc. of IY International Seminar on Energy Transfer in Condensed Matter Prague, 1981, p. 132-134
16.Petlsova E.G., Fok M.V., Borisov A.Y.. Optimization factors of the light-harvesting antenna structure affecting, the rate of excitation energy trapping by reaction centers. // In: Advances In Photosynthesis Research, Sybesna C. (ed.), Martinua Hijhoff/ Dr.W.Junk Publishers, The Hague/ Boston/ Lancaster, 1984, v.l, p. 29-32
17.Fetlsova Z.G., Shibaeva L.y. The dependence of operation efficiency of photosynthetic light-harvesting antenna on its structural organization. // Ins Solar Energy Bioconverslon,Acad.Sci. USSR, KVSSO, Pucchlno, 1984, p. 313-317
18.Potlsova Z.G., Eorlsov A.Y., Pok M.V. Analysis of structure-function correlations in light-harvesting photosynthetic antenna: structure optimization parameters. // J. Theoretical Biology, 1985, v.112, p. 41-75
19.Fetisova Z.G., Kharchenko S.G., Abdourakhmanov I.A. Strong orientational ordering of the near-infrared transition moment vectors of light-harvesting antenna bacterloviridin In chroma-tophores of the green photosynthetic bacterium Chlorobium llmicola. // PEBS Letters, 1986, v.199, no.2, p. 234-236
20.Petisova Z.G., Proiberg A.M., Timpmann K.B. Investigations by picosecond polarised fluorescence epectrochronography of structural aspects of energy transfer In living cells of the green bacterium Chlorobium llmicola. // FEBS Letters, 1987, v.223,
no.l, p. 161-164
21.Petisova Z.G., Shibaeva, L.V. Principles for designing optimal artificial light-harvesting molecular systems. // Proc. of the 1986 International Congress on Renewable Energy Sources, Tarol S.(ed.), Consejo Superior de Investigacion«» Cientificas, Madrid, Spain, 1987, v.l, p. 80-89
22.Petisova Z.G., Kharchenko S.G., AMourakhmanov I.A. Strong ori-entatlonal ordering of the near-infrared transition sonant vac-tors of light-harvesting antenna bacteriovirldin in chronato-phores of the green photosynthetic bacterium Chlorobium liijico-la. // Xnt progress in Photosynthesis Research,Biggins J.(ed.), Hartlnus Hljhoff Publishers, Dordrecht, the Netherlands, 1937, v.1, p. 415-418
23.Freiberg A.M., Tlmpmann K.8., Petisova Z.G. Excitation energy transfer in living cells of the green bacterium Chlorobiua 11-micola studied by picosecond fluorescence spectroscopy. // In: Green Photosynthetic Bacteria, Olson J.M., Ormerod J.O., Amess J.(eds.), Plenum Press, Hew York/London, U.S.A., 1988, p. 61-90
24.Petisova Z.G., Freiberg A.M., Tlmpmann K.B. Long-range molecular order as an efficient strategy for light harvesting in photosynthesis. // Nature, 1988, v.334, no.6183, p. 633-634
35.Petisova Z.G., Shlbaeva L.V., Fok m.V. Biological expedience of oligomerlsation of chlorophyllous pigments in natural photosynthetic systems. // J. Theoretical Biology, 1989, v.140, p. 167-184
26.Petisova i.C. excitation energy transfer in photosynthetic systems. // Xnt Molecular Biology of Membrane-Bound Complexes in Phototrophic Bacteria, Drews G., Daves B. A. (eds.), Plenum fress. New York/London, U.S.A., 1990, p. 357-36«
27.Petisova Z.G., Maurlng K. Experimental evidence of oligoaerlc organisation of antenna bacterlochlorophyll c in green bacterium Chloroflexus aurantlacus by spectral hole burning. // PEES Letters, 1992, v.307, no.3, p. 371-374
28.Petisova Z.G., Naurjng K. Spectral hole burning study of intact cells of green bacterium Chlorobiua limicola. // PEBS Litters, 1993, v.323, no.l,2, p. 159-162
/
-
Фетисова, Зоя Григорьевна
-
доктора физико-математических наук
-
Москва, 1994
-
ВАК 03.00.02
- Экситонные модели первичных процессов бактериального фотосинтеза
- Фемтосекундные исследования процесса разделения зарядов в бактериальных реакционных центрах
- Механизмы взаимодействия пигментов и пути переноса энергии в фотосинтетических светособирающих комплексах
- Вероятностные модели первичных процессов фотосинтеза
- Механизм двухфотонного возбуждения светособирающих комплексов фотосинтезирующих пурпурных бактерий
