Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Теоретическое описание трансмембранного переноса протонов и его сопряжение с различными этапами электронного переноса в реакционном центре фотосистемы II высших растений и сине-зеленых водорослей

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Теоретическое описание трансмембранного переноса протонов и его сопряжение с различными этапами электронного переноса в реакционном центре фотосистемы II высших растений и сине-зеленых водорослей"

Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТРАНСМЕМБРАННОГО ПЕРЕНОСА ПРОТОНОВ И ЕГО СОПРЯЖЕНИЕ С РАЗЛИЧНЫМИ ЭТАПАМИ

ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА В РЕАКЦИОННОМ ЦЕНТРЕ ФОТОСИСТЕМЫ П ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ И СИНЕ-ЗЕЛЕНЫХ

ВОДОРОСЛЕЙ

Специальность 03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Физический факультет

На правах рукописи УДК 577.3

Белоусов Роман Витальевич

МОСКВА 2006

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Александр Константинович Кукушкин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Валерий Алексеевич Смирнов

доктор физико-математических наук, профессор Владимир Александрович Караваев

Ведущая организация: Институт химической физики РАН

им. Н Л. Семенова

Защита диссертации состоится 2006 г. в /ТТЛ?» заседании

Диссертационного совета К 501.001.08 физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, Физический факультет, аудитория. 57 э

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Автореферат разослан « /4 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 501.001.08 .! // кандидат физико-математических наук [л ( Г.Б. Хомутов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Фотосинтез - важнейший процесс, имеющий планетарное значение, с помощью которого происходит улавливание солнечной энергии живыми организмами и ее запасание. В настоящее время имеются рентгеноструктурные данные о строении основных мембранных белковых комплексов хлоропластов и пурпурных мембран галобактернй, а также установлены основные процессы, участвующие в фотосинтезе. Одной из основных проблем биоэнергетики остается транспорт протонов в интегральных белках мембран, а в отношении высших фотосинтезирующих организмов, также и сопряжение трансмембранного переноса протонов с электронным транспортом. В работе исследуются процессы переноса протонов в ходе фотоцикла бактериородопсина (Бр) и сопряжение протонного и электронного транспорта в комплексе расщепления воды (ВРК) реакционного центра (РЦ) фотосистемы II (ФС II) высших растений, а также на вторичном пластохиноне Qb реакционного центра ФС II.

Бактериородопсин является одним из наиболее интенсивно исследуемых белков. Различными методами была установлена его первичная структура, а также расположение в пурпурной мембране. Однако механизм переноса бактериородопсином протона из внутриклеточного пространства во внешнее остается невыясненным. Теоретическое описание этого процесса, оценка скорости переноса протона между отдельными звеньями протонного канала и сравнение этих результатов с экспериментальными спектроскопическими данными будет способствовать более глубокому пониманию принципов функционирования Бр. Учитывая, что Бр является простой хорошо изученной модельной системой, подробное его изучение может пролить свет на работу других мембранных комплексов, таких как, например, цитохромоксидаза или ионные каналы возбудимых клеток.

Более сложным фотосинтетическим комплексом является ФС II, обнаруживаемая у водорасщепляющих организмов: высших растений и сине-зеленых водорослей. Основная проблема, связанная с функционированием фотосистемы II, состоит в выяснении механизма сопряжения трансмембранного переноса протонов из стромы (внешнее пространство) в люмен (внутреннее пространство) тилакоида с переносом электронов по электрон-транспортной цепи РЦ ФС II.

Потоки электронного и протонного транспорта в РЦ ФС II пересекаются на вторичном акцепторе электронов - пластохиноне Qb, на котором и осуществляется сопряжение. Неясными остаются вопросы, каким образом к нему присоединяются протоны из стромального пространства и как эти процессы синхронизованы с восстановлением пластохинона Qb двумя электронами, поступающими с первичного акцептора - пластохинона Qa-Выяснение этого вопроса представляется важным, т.к. пластохинон QB является фактором, лимитирующим скорости фотосинтетических реакций в реакционном центре ФС II..

Водорасщепляющий комплекс ФС II является уникальным образованием, позволяющим отбирать электроны и протоны непосредственно у молекул воды, с высвобождением молекулы кислорода. Эффективность его работы превышает эффективность искусственных аналогов, в которых приходится использовать драгоценный металл Pt В фотосистеме II функцию связывания и расщепления воды выполняет комплекс, содержащий менее дорогой металл -Мп, поэтому он называется Mn-кластером. Основным вопросом, связанным с работой ВРК, является вопрос, каким обр^эдм

БИБЛИОТЕКА 1 С.-Петербург

ОЭ 200<&кт'/ЯЗ

отщепляются от Mn-кластера и как протоны, затем, переносятся в люмен тилакоида. Важным является также вопрос, как Mn-кластеру удается удерживать четыре окислительных эквивалента в ходе цикла Кока до момента образования молекулы кислорода. Решение этих проблем может позволить в будущем использовать природную структуру для практических целей расщепления воды на кислород и водород. Цель и задачи работы

Целью работы является теоретическое исследование и математическое описание процессов сопряжения протонного и электронного транспорта в комплексе разложения воды и на вторичном пластохиноне QB фотосистемы II сине-зеленых водорослей, а также переноса протона в бактериородопсине пурпурных мембран галобактерий. В работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать механизм сопряжения электронного и протонного транспорта на вторичном пластохиноне Qb, исходя из литературных данных по направленному мутагенезу и квантовохимических расчетов системы;

2. Реализовать метод разностных схем численного решения уравнения Шредингера в произвольном потенциале в системе MATLAB, а также применить его для оценки скорости переноса протона между фиксированными центрами по системе протонного канала;

3. Исходя из экспериментальных данных и известной из литературы схемы, предложить пошаговую схему переноса электронов и протонов в комплексе разложения воды высших растений;

4. Исследовать процесс переноса протона по внешнему протонному полуканалу бактериородопсина; оценить скорость переноса протона от шиффова основания ретиналя на первое звено протонного полуканала - Asp 85 - и сравнить ее со спектроскопическими данными о максимуме полосы поглощения шиффова основания..

Научная новизна работы. В результате проведенных квантовохимических расчетов системы пластохинон Qb - His 190 установлено смещение протона от гистидина His 190 к пластохинону после восстановления Qb электроном, что указывает на роль His 190 в качестве конечного звена в канале переноса протона. Предложена схема сопряжения протонного и электронного транспорта на пластохиноне Qb, согласующаяся с экспериментальными данными. Объяснена роль вращения пластохинона Qb вокруг изопренового «хвоста».

Впервые на квантовомеханическом уровне произведен анализ транспорта протонов и электронов в системе разложения воды высших растений. Предложена вероятная схема отрыва электронов и протонов от Мп-кластера хлорофиллом Рб8о и гистидином His D1-190, объясняющая способность Мп-кластера накапливать четыре окислительных эквивалента.

На основе известных экспериментальных данных и расчетов скорости переноса протона в бактериородопсине предложена собственная структура внешнего протонного канала, согласующаяся со спектроскопическими данными.

Практическая значимость работы. Полученные результаты имеют как теоретическое, так и практическое значение для понимания механизмов протонного и электронного переноса в фотосинтетических комплексах и для интерпретации экспериментальных данных.

Результаты исследований и разработанные методы могут быть использованы для изучения других комплексов трансмембранного переноса протонов:

цитохромоксидазы, ионных каналов возбудимых клеток и прочих. Результаты по работе комплекса расщепления воды могут быть использованы для создания систем искусственной генерации кислорода. Понимание процессов накопления окислительных эквивалентов в Mn-кластере дает возможность направленного изменения его работы с целью выработки водорода из воды и использования его в качестве экологически чистого топлива. Выяснение механизмов протонного транспорта в бактериородопсине, а также структуры протонного канала может привести к созданию технических приложений, новых эффективных структур хранения информации и обработки изображений.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2002», Физический факультет МГУ, Москва, апрель 2002; XVII Pushchino Readings in Photosynthesis and International Conference Primary Processes of Photosynthesis in Bacteria and Plant Photosystem II, Пущино, июнь 2002; Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2003», Физический факультет МГУ, Москва, апрель 2003; XVIIth International Symposium on "Bioelectrochemistry and Bioenergetics", Florence, Italy, June, 2003; Conference "Primary Processes of Photosynthesis", Пущино, октябрь 2003; Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2004», Москва, апрель 2004.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи в реферируемых журналах (2 в отечественном и 2 в международных).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания теоретических методов и методов расчетов, исследования сопряжения протонного и электронного транспорта на пластохиноне Qb, в комплексе разложения воды, а также протонного канала бактериородопсина (результаты и обсуждение), основных результатов и

выводов, списка цитируемой литературы. Работа содержит_______страниц

машинописного текста и____рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Обзор литературы.

В обзоре литературы изложены современные представления о структуре фотосистемы II, механизмах сопряжения протонного и электронного транспорта в фотосинтезе, работе водорасщепляющего комплекса и функционировании бактериородопсина в процессе фотоцикла.

Глава II. Методика теоретического описания и математических расчетов. Перенос протона по протонному каналу

Принято предположение, что перенос протона во всех рассматриваемых случаях осуществляется через специальную структуру - протонный канал, образованный цепочкой аминокислотных остатков белка и, возможно, молекулами воды. Рассматривается механизм переноса протона по такому каналу в физиологических условиях и предлагается метод оценки скорости подбарьерного туннелирования протона между двумя фиксированными центрами - многоосновными аминокислотами, образующими протонный канал. Скорость переноса протона оценивается по следующей формуле:

5>„D(£„)exp(-—i)

~ x2

где £>(£) - exp(--V2^J yJU(x)-Ecbc)

xl

представляет собой скорость туннелирования на данном энергетическом уровне Е через потенциальный барьер U(x), разделяющий две потенциальные ямы. Суммирование производится по всем заполненным энергетическим уровням. Изменение энергии Д£„ означает смещение относительно основного уровня, a v, - частоту колебаний протона в потенциальной яме на п-ом энергетическом уровне.

Расчет квантовохимических свойств системы

Для построения поверхностей потенциальных энергий протона в исследуемых системах использовался полуэмпирический метод квантовой химии MNDO (метод модифицированного пренебрежения двухатомным перекрыванием), реализованный программой МОРАС. Выбор метода обусловлен относительной сложностью химического состава исследуемых систем и отсутствием необходимости точного вычисления каких-либо величин по абсолютной величине (для чего обычно применяются более ресурсоемкие методы, например ab initio). Кроме этого, по нашему мнению, полуэмпирический метод дает в нашей системе более точные результаты, т.к. использует для расчетов данные, установленные экспериментально. Поверхность

потенциальной энергии дает принципиальную возможность рассчитать все параметры реакции, включая скорость, по описанной выше методике. Численное решение уравнения Шредингера

После анализа основных методов численного решения задачи на собственные функции и собственные значения был выбран универсальный метод разностных схем как оптимальный по временным затратам и точности вычислений. Метод был реализован для одномерного уравнения Шредингера в произвольном потенциале, а точность вычислений проверена на задаче о гармоническом осцилляторе, для которого имеется аналитическое, т.е. максимально точное, решение. Реализация метода проведена в среде MATLAB. Метод применен для расчета энергетических уровней и волновых функций протона в рассматриваемых системах. Эти результаты необходимы для анализа кинетики протона и оценки скорости его переноса по приведенной выше формуле.

Глава III. Результаты и обсуждение. Квантово-химнческие характеристики системы гистидин - пластохинон QB

Для выяснения механизма и последовательности присоединения протонов и электронов двухэлектронным переносчиком - вторичным пластохиноном QB, исследовалось движение протона между атомами кислорода О пластохинона Qb и атомом азота N соседней аминокислоты His L-190. По нашему предположению именно она является конечным звеном в цепи транспорта протонов на пластохинон Qb из стромы.

Результаты расчетов для кривых с двумя глубокими энергетическими минимумами представлены на рис.1 для расстояния R(N-Н...О) 5 А. Первая

возбужденная волновая функция для дважды восстановленного пластохинона (}в имеет один максимум, и он локализован около гистидина; вторая возбужденная вновь оказывается у атома кислорода (}в, и так они чередуются по мере возрастания квантового числа. Волновая функция основного уровня имеет максимум на расстоянии 1 А от атома кислорода (}в На основании полученной разности между двумя нижними энергетическими уровнями можно оценить частоту колебаний протона в системе.

Мы показали, что восстановление хинона (2в определяет положение протона между атомом азота гистидина и кислорода хинона. После анализа результатов расчета, приведенных в нашей работе, можно высказать предположение о том, что один из протонов, присоединяемых к С?в, отрывается от азота имидазольного кольца гистидина Ь 190. Это происходит потому, что эта протонированная группа расположена существенно ближе к кислородам С?в, чем донорные группы других аминокислот, отдающих протоны (серин Ь 223, аспарагиновая кислота Ь 213, глутаминовая кислота Ь 212). Такое предположение позволяет предложить новый сценарий протонирования (2в, его отрыва в форме (ЗвНг, восстановления первоначального состояния гистидина Ь 190 и соответствующих аминокислотных остатков.

4

0

2

3 ■ Е2=-4675.07еУ

5

1

5 А Ох

\

N

О

0.5

1

15

2

* А

6

г w-1 ъ-щтг*?mm^r-7 у

п

4

3

2

1

0

0

Рис. 1. Три первых волновых функций протона с соответствующими уровнями энергии. Пунктиром показан потенциальный профиль протона. Расстояние N-0 = 5 А. (Для наглядности верхний график дан только до 2 А).

Процесс сопряжения электронного и протонного транспорта начинается с туннельного перехода электрона с хинона QA через негемовый атом железа и гистидин L 190, при этом хинон Qb восстанавливается до семихинона Q'b-Далее этот семихинон оттягивает протон от гистидина L 190 на середину связи между Q"B и гистидином L 190, образуя водородную связь с одним из кислородов Qb. После этого к пластохинону QB проходит второй электрон от Qa, образуя дважды восстановленный хинон Q2 в- При этом протон, находящийся примерно посередине между атомом азота гистидина и атомом кислорода хинона перемещается к хинону Qb и образует ковалентную связь с одним из его кислородов. Далее протон от ближайшей аминокислоты, по-видимому, серина L 223, перемещается к противоположному атому кислорода хинона, образуя с ним ковалентную связь. В ходе этого процесса электронная плотность несколько смещается к этому кислороду, и поэтому протон от противоположного кислорода отходит к гистидину и образует с ним ковалентную связь. При этом гистидин L 190 восстанавливает прежнее нейтральное состояние.

После этого, двукратно восстановленный хинон с одним присоединенным протоном поворачивается на 180 градусов вокруг хвоста и свободный от водорода кислород, связанный с кольцом, подходит к другой протон-донорной аминокислоте, по-видимому, либо аспарагиновой кислоте L 213, либо глутаминовой кислоте L 212 и, отрывая водород от протон-донорной группы, образует ковалентную связь. Недостающие протоны у протон-донорных аминокислот заполняются через протонные каналы, образованные протон-донорными и акцепторными группами аминокислот и молекулами воды и связанные водородными связями. При этом имеет место поглощение протонов из раствора с внешней стороны мембраны хроматофоров бактерий или тилакоидов в хлоропластах высших растений.

После такого заполнения протонами недостающих мест в аминокислотах, окружающих Qb, молекула гидрохинона QBH2 оказывается весьма слабо связанной с окружением в месте связывания, поскольку протоны на хиноне и окружающих аминокислотах полностью нейтрализуют заряды

двух электронов двукратно восстановленного хинона. После этого, QbH2 отрывается от места связывания и заменяется нейтральным хиноном QB. Отметим еще раз новые моменты в предлагаемом объяснении начальной стадии сопряжения протонного и электронного транспорта, вытекающие из результатов наших расчетов и структурных данных.

Во-первых, мы предполагаем, что гистидин His L 190 играет существенную роль в процессе сопряжения. Это предположение основано на том, что гистидин L 190 расположен весьма близко к кислороду, связанному с кольцом хинона Qb, что определяет высокую скорость туннельного электронного переноса между хиноном Qa и Qb. Во-вторых, мы естественным образом объясняем значение легкого вращения кольца хинона вокруг направления связи, соединяющей кольцо с гидрофобным концом. Это вращение необходимо для присоединения второго протона к свободному атому кислорода кольца хинона перед началом нового цикла сопряжения электронного и протонного транспорта.

Сопряжение протонного и электронного транспорта в комплексе расщепления воды.

Для выяснения механизмов отрыва электронов от Mil-кластера и пути транспорта протонов исследовалась система Туг Yz и His D1-190. Для исследования применялись методы, описанные во второй главе. На рис. 2 представлена рассчитанная зависимость полной энергии рассматриваемой системы тирозин Yz - гистидин His D1-190 от положения протона между атомами кислорода О тирозина Yz и азота N гистидина His D1-190.

Рис. 2. Зависимость полной энергии системы тирозин Yz - гистидин His D1-190 от положения протона на отрезке, проходящем через атом кислорода О (помещен в начало координат) фенольной группы тирозина Yz и атом азота N гетерокольца гистидина His D1-190. Вверху: нейтральная система. Внизу: окисленный тирозин Y+z.

Полученные квадраты волновых функций протона и соответствующие энергетические уровни для трех низших состояний возбуждения системы представлены на рис. 3-4. Квадраты волновых функций представляют собой распределение плотности вероятности положения протона в системе. По оси абсцисс на этих рисунках отложено расстояние между атомом кислорода О (помещён в начало координат) тирозина Yz и атомом азота N гистидина His D1-190, по оси ординат отложена величина амплитуды волновой функции, установленная с учетом нормирования интеграла от квадрата волновой функции по одномерному пространству на единицу.

* Расстоянием-О 17Mtorfkifo** мремч Yt.

ю" Расстоянием-0 3.7А. Окиспанный тирозин Yz.*

\E1--2322J34eVl Е0"-2322 42eV

N

* J

У E2=-2322.05eV ll

Li

Г л,®

О о 0.5 1 15 х

''л-уг*1 ыЧшш .

Рис. 3. Вычисленные квадраты волновых функций протона в потенциале, создаваемом системой тирозин Yz - гистидин His D1-190 (вверху-нейтральная система, внизу - окисленный тирозин). Ось абсцисс направлена по линии, проходящей через атом кислорода О фенольной группы тирозина Yz и атом азота 8N гетерокольца гистидина His D1-190, начало координат помещено в центре атома кислорода. Расстояние N — О равно 3.7 А. Пунктирной линией обозначен исходный потенциальный профиль, на котором решалось уравнение Шредингера для протона. Из верхнего графика (нейтральная система) видно, что в основном состоянии протон имеет острый максимум вероятности локализации на расстоянии примерно 1 А от атома кислорода О тирозина. Из нижнего графика (окисленный тирозин) видно, что в основном состоянии протон имеет острый максимум вероятности локализации на расстоянии примерно 1 А от атома азота N гистидина.

На рис. 3 представлены квадраты волновых функций протона для нейтральной системы, еще невозбужденной квантом света, расстояние между N гистидина и О тирозина (N - О) составляет 3.7 А. Из него видно, что острый максимум вероятности положения протона как в основном, так и в возбужденных состояниях, находится на расстоянии примерно 1 А от атома кислорода О тирозина Yz (от начала координат), т.е. образует с ним ковалентную связь.

После возбуждения хлорофилла Рбво квантом света и передачей им электрона в электрон-транспортную цепь, P+6so окисляет тирозин Yz, отнимая у него недостающий электрон. Квадраты волновых функций протона для такой системы представлены на рис. 4. Из рисунка видно, что в основном состоянии максимум вероятности положения протона сместился примерно на 1.7 А и оказался на расстоянии примерно 1 А от атома азота N гистидина His D1-190. Это подтверждает предполагаемое смещение протона от Yz к His D1-190 после окисления тирозина Yz.

2 Окисленный тирозин Yz. N • О = 3.7 А

мм a.oii

ii'ni i 0032

His D1-190 Г

0 , / 0.195 j

tU39 »J»9? /

-0-492 \ t i-0.027

| /о.ше.ш Jf TyrYz j

JbrnjA .--Лл?! Jnnnn

0.027 / 0103 . °

>¿072 ;0226 0123

0 042

0.235

0.022 {j/

* "'-0.154

+ 0.492 Нейтральный тирозин Yz. N • 0 = 3.7 A.

IT902 x.0.020

0 His D1-19Q I

ap.1B7

».112 0Л55 . Л'56

\о иь \ 4ооз V- 0059

-0.492 |°-М6 _ // ,-0.010

¡, /0.1110.V5 f TyrYz ,

1 '' hi /-от fi '' 0.'44 J

-0033 / 0.»7 0 065 \ - "

;4.,i6 . ,0,3i 0 078

9-°,b 0.010 О

^ - -0 252 0.197

Рис. 4. Электростатический потенциал системы тирозин Yz - гистидин His D1-190 и заряды на атомах в долях заряда электрона. Вверху: нейтральная система. Внизу: окисленный тирозин Y+z-

На рис. 4 показано распределение электростатического потенциала в системе, а также заряды на всех атомах для нейтрального и окисленного тирозина Yz. Из него видно, что относительное изменение зарядов атомов О

тирозина и N гистидина увеличилось примерно на ^(Ю—4(0)~ зб%, что

й(0)

приводит к повышению сродства атома азота N гистидина His D1-190 к протону после окисления тирозина Yz.

Внешний протонный полуканал бактериородопсина. На рис. 5 изображена система аминокислот, исследуемая нами на возможность транспорта протона во внешнем канале бактериородопсина.

Методом МИИО с использованием программы МОРАС получались потенциальные профили протона в зависимости от его положения между двумя отдельными центрами, т.е. получалась поверхность потенциальной энергии протона в данной системе. С помощью разработанной программы численного решения уравнения Шредингера в произвольном потенциале находились волновые функции и энергетические уровни протона

Рис. 5. Предполагаемая структура внешнего протонного полуканала. Стрелками обозначены отдельные шаги переноса протона между каждыми двумя центрами.

Исходя из результатов наших расчетов, мы полагаем, что в целом внешний полуканал состоит из пяти аминокислот и одной молекулы воды. Транспорт протона начинается с перемещения протона с аспарагина Asp 85 (куда он попадает непосредственно от шиффова основания) на соседнюю аминокислоту Asp 212. Затем через молекулу воды протон переходит на тирозин Туг 57. Оттуда протон перемещается на одну из аминогрупп соседнего аргинина Arg 82. Далее, мы предполагаем, что Arg 82 поворачивается вокруг углеродной связи и перемещает протонированную группу ближе к конечной аминокислоте Glu 202, откуда протон передается во внешнюю среду. Предположение о вращении сделано по аналогии с вращением пластохинона, которое описано в первом разделе этой главы, и возможность которого обсуждается в литературе.

Сначала была рассчитана скорость переноса протона от шиффова основания лизина Lys 216 к первому звену внешнего протонного полуканала -аспартату Asp 85. На рис. 6 вверху показан рассчитанный потенциальный профиль протона в системе Lys - Asp и шестой энергетический уровень (красным цветом), который соответствует начальному положению протона около азота N лизина Lys 216. Именно этот уровень является основным для протона около азота N лизина, как это видно из структуры соответствующей ему волновой функции. Ее максимум находится на расстоянии 1 А от атома N лизина, и она не имеет нулей, как это и должно быть для основного уровня в соответствии с теорией квантовой механики. Номер энергетического уровня

Путь перемещения протона

-J,

«

Т

"ASP - -

Asp 212

специально подбирался в результате численного решения уравнения Шредингера.

Внизу на рис. 6 изображена волновая функция 6-го энергетического уровня и указана рассчитанная скорость туннельного переноса через барьер потенциального профиля, равная V = 1.44 мкс. Это значение было получено согласно процедуре, описанной во второй главе и реализованной в математической системе МАТЬАВ. Было также рассчитано, что расстояние между соседними энергетическими уровнями составляет - 0.2-0.5 эВ, что, по крайней мере, на порядок больше 1сТ (кТ = 0.025 эВ) при комнатной температуре, поэтому надбарьерный (активационный) перенос протона в этом случае невозможен. Заметим, что по спектроскопическим данным переход Бр Ь —> М осуществляется за время -40 мкс.

2540 Д Proton potential curve ■ 1 — 6-th energy leiel j

-2560 \

-2580

N-Lys 216 О-Asp 85

ЯП) ■

R, А

Рис. 6. Полная потенциальная энергия протона в системе Lys - Asp в зависимости от его положения между атомом N лизина Lys 216 и атомом О Asp 85 и шестой энергетический уровень. Начало координат совмещено с атомом азота N (вверху). Волновая функция протона, соответствующая 6-му энергетическому уровню (внизу).

Основные результаты и выводы:

1. В системе MATLAB реализован метод оценки скорости переноса протона через потенциальный барьер между двумя фиксированными центрами с учетом заселенности возбужденных уровней;

2. Произведен анализ различных численных методов и разработаны собственные программы в системе MATLAB для реализации универсального разностного метода решения уравнения Шредингера для произвольного потенциала;

3. С использованием полуэмпирического квантово-химического метода MNDO построены поверхности (в нашем случае одномерные) потенциальной энергии протона в системах пластохинон QB - His L-190, тирозин Yz - His Dl-190 и во внешнем протонном полуканале бактериородопсина;

4. На основе результатов расчетов нами предложена схема сопряжения протонного и электронного транспорта на пластохиноне Qb, учитывающая экспериментальные данные, в том числе, объясняющая вращение кольца пластохинона, которое было с достоверностью установлено экспериментально.

5. Отток протонов от комплекса расщепления воды в люмен осуществляется через протонный канал. Роль первого звена, инициирующего перенос протона от тирозина Yz по каналу, по-видимому, играет остаток гистидина His Dl-190. Отметим, однако, что в литературе имеются гипотезы о наличии специальной молекулы-переносчика протона.

6. Поскольку согласно предложенной нами схеме от Mn-кластера отрывается как электрон, так и протон, после каждого акта возбуждения система в целом, на уровне комплекса расщепления воды, остается нейтральной. Возможно, именно это позволяет Mn-кластеру из четырех атомов Мп удерживать четыре окислительных эквивалента до момента образования молекулы кислорода Ог из двух молекул воды НгО.

7. Оценено время переноса протона с шиффова основания на Asp 85, которое оказалось равным ~ 1.44 мкс. На порядок большее время в 40 мкс., полученное из спектроскопических данных, позволяет предположить, что лимитирующей скорость переноса протона стадией является стадия структурных перестроек белка, а не сам акт переноса протона.

8. Исходя из анализа данных по направленным мутационным изменениям, предложена структура внешнего протонного полуканала бактериородопсина. Полуканал состоит из пяти аминокислот Asp85, Asp 212, Н20, Туг 57, Arg 82, Glu 204 и одной молекулы воды, протон по нему переносится на расстояние около 15 А.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Belousov R., Poltev S., Kukushkin A. (2003) Proton position near QB and coupling of electron and proton transfer in photosynthesis. // Journal of Physics: Condensed Matter. 15 P. 1891-1901.

2. R.V. Belousov, S.V.Poltev, A.K.Kukushkin. (2004) A theoretical model for electron and proton coupling at quinone-binding site of photosystem II of higher plants. // Bioelectrochemistry 63, 95-98

3. Белоусов P.B., Белов А.А., Кукушкин A.K. (2004) «Субмолекулярный механизм начального этапа сопряжения электронного транспорта в комплексе разложения воды высших растений». // Биофизика, 49, стр. 486-492.

4. Р.В.Белоусов, С.В. Полтев, А.К. Кукушкин (2003). Начальный этап сопряжения электронного и протонного транспорта около вторичного хинона в бактериальном и растительном фотосинтезе.// Биофизика. Т.48. В. 4 с. 648-655.

5. R. V. Belousov, S.V.Poltev, A.K.Kukushkin. (2003) The initial stages of electron and proton coupling in photosynthesis of higher plants. Book of Aspects, XVIIth International Symposium on "Bioelectrochemistry and Bioenergetics", Florence, Italy, June 19-24.

6 A.K.Kukushkin, S.V.Poltev, R.V.Belousov. (2003) The possible mechanism of coupling for electron and proton transfer in plant photosynthesis. Conference, Primary Processes of Photosynthesis. Abstracts. October. 19-22. Puschino, Russia. P.27-28.

7. Kukushkin A., Poltev S., Kusnetzova S., Belousov R. "Quantum chemistry properties of plastoquinone Qb and coupling of proton and electron transports", "XVII Pushchino Readings in Photosynthesis and International Conference Primary Processes of Photosynthesis in Bacteria and Plant Photosystem II". Abstracts. P. 24-24.

8. Белоусов P.B. «Сопряжение электронного и протонного транспорта в комплексе разложения воды у высших растений и сине-зеленых водорослей», «Ломоносов-2004» Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам. Секция «Физика». Сборник тезисов, стр. 10-12.

9. Белоусов Р.В. «Схема сопряжения электронного и протонного транспорта на QB в реакционном центре бактерий и высших растений», «Ломоносов-2003» Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам. Секция «Физика». Сборник тезисов, стр. 20-21.

10. Белоусов Р.В. «Квантовые характеристики протона в системе гистидин-пластохинон в реакционном центре фотосистемы II», «Ломоносов-2002» Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам. Секция «Физика». Сборник тезисов, стр. 13-15.

!

Заказ N° 192/04/06 Подписано в печать 27.04.2006 Тираж 50 экз. Усл. пл. 1

/fCY. ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76; (495) 778-22-20 www.cfr.ru; e-mail:info@cfr.ru

-/ЛОбЬ

»12066

i

i.

i

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Белоусов, Роман Витальевич

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Роль фотосистемы II в фотосинтезе.

1.2. Структура фотосистемы II.

1.3. Электрон-транспортная цепь реакционного центра ФС II.

1.4. Сопряжение транспорта электронов и протонов около вторичного пластохинона Qb.

1.5. Протонный транспорт в бактериородопсине.

1.6. Работа водорасщепляющего комплекса.

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ.

11.1. Перенос протона по протонному каналу.

11.2. Квантово-химические методы. Метод молекулярных орбиталей Хартри-Фока.

11.3. Решение системы уравнений Хартри-Фока; уравнения Рутана.

11.4. Приближение нулевого дифференциального перекрывания.

11.5. Метод модифицированного пренебрежения двухатомным перекрыванием (MNDO).

11.6. Численные методы решения уравнения Шредингера.

ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

III. 1. Квантово-химические характеристики системы гистидин - пластохинон Qb.

111.2. Сопряжение протонного и электронного транспорта в комплексе расщепления воды.

111.3. Внешний протонный полуканал бактериородопсина.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Теоретическое описание трансмембранного переноса протонов и его сопряжение с различными этапами электронного переноса в реакционном центре фотосистемы II высших растений и сине-зеленых водорослей"

Фотосинтез - важнейший процесс, имеющий планетарное значение, с помощью которого происходит улавливание солнечной энергии живыми организмами и ее запасание. Появившийся у первых организмов около 2-х млрд. лет назад, прямо или косвенно этот процесс обеспечивает доступной химической энергией все живые существа на Земле, за исключением некоторых хемолитотрофных бактерий (например, Thiobacillus ferrooxidans, Pseudomonas carboxydovorans) [1]. В течение многих веков основным источником энергии на планете остаются продукты распада фотосинтезирующих организмов — каменный уголь, нефть и газ. Несмотря на попытки использования энергии ветров и водных течений, а в последнее столетие и атомного ядра, эти источники и на сегодняшний день составляют лишь небольшую часть общей потребляемой энергии. Кроме того, использование запасенной солнечной энергии в виде углеводородов - нефти и угля - само по себе сопряжено с рядом нерешенных проблем.

Во-первых, утилизация запасенной в них химической энергии в настоящее время осуществляется путем кислородного сжигания - процесса, не обладающего сколько-нибудь существенным коэффициентом полезного действия. Известно, что живые организмы в результате эволюции выработали тонкие механизмы утилизации химической энергии самых разных соединений с максимальной эффективностью. Это относится как к органическим, так и к неорганическим субстратам. Так например, известны водородные бактерии, использующие в качестве донора электрона для дыхательной цепи молекулу водорода [1]. Эти механизмы сопряжены с процессами электронного и протонного транспорта либо в специальных органеллах эукариотических организмов (митохондриях), либо во внешних мембранах прокариотов, с последующим синтезом АТФ.

Во-вторых, избыточное выделение продуктов горения создает угрозу загрязнения биосферы и нарушения экологического равновесия с непредсказуемыми последствиями. В этой связи, а также учитывая, что ископаемых источников энергии, по некоторым оценкам, хватит не более, чем на 100 лет, задача эффективного использования солнечной энергии оказывается особенно актуальной. Нам представляется, что первым шагом иа пути к ее решению должно стать детальное изучение уже существующих механизмов - эволюционно выработанных механизмов протонного и электронного транспорта в различных фотосинтезирующих организмах.

Выяснение механизмов расщепления воды и генерирования кислорода является ключевой проблемой фотосинтеза. Детальное изучение этих процессов может позволить в будущем создавать искусственные молекулярные структуры, которые, несомненно, найдут применение на космических кораблях, орбитальных станциях, а также на других объектах солнечной системы. В последнее время делаются попытки генетической модификации Mn-кластера для выделения из воды не только кислорода, но и водорода под действием солнечного излучения. Возможно, таким путем удастся получать водород в достаточных количествах для использования его в качестве экологически чистого топлива. Изучение работы фотосистемы II позволит понять механизмы работы многих гербицидов, применяемых в сельском хозяйстве. Кроме того, делаются попытки использовать молекулярные комплексы фотосистемы II в качестве биосенсоров для регистрации наличия некоторых токсичных соединений, тяжелых металлов и радиационного излучения [2].

Целью настоящей работы является теоретическое исследование и математическое описание процессов сопряжения протонного и электронного транспорта в комплексе разложения воды и на вторичном пластохиноне Qb фотосистемы II сине-зеленых водорослей, а также переноса протона в бактериородопсине пурпурных мембран галобактерий. Для объяснения экспериментальных данных предложена собственная пошаговая схема сопряжения этих процессов на молекулярном уровне. На основе разработанной схемы проведен квантовохимический анализ кинетики движения протона и оценена скорость его переноса исходя из квантовомеханического подхода.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Белоусов, Роман Витальевич

Основные результаты и выводы:

1. В системе MATLAB реализован метод оценки скорости переноса протона через потенциальный барьер между двумя фиксированными центрами с учетом заселенности возбужденных уровней;

2. Произведен анализ различных численных методов и разработаны собственные программы в системе MATLAB реализации универсального разностного метода решения уравнения Шредингера для произвольного потенциала;

3. С использованием полуэмпирического квантово-химического метода MNDO построены поверхности (в нашем случае одномерные) потенциальной энергии протона в системах пластохинон QB - His L-190, тирозин Yz - His Dl-190 и во внешнем протонном полуканале бактериородопсина;

4. На основе результатов расчетов нами предложена схема сопряжения протонного и электронного транспорта на пластохиноне Qb, учитывающая экспериментальные данные, в том числе, объясняющая вращение кольца пластохинона, которое было с достоверностью установлено экспериментально;

5. Отток протонов от комплекса расщепления воды в люмен осуществляется через протонный канал. Роль первого звена, инициирующего перенос протона от тирозина Yz по каналу, по-видимому, играет остаток гистидина His Dl-190. Отметим, однако, что в литературе имеются гипотезы о наличии специальной молекулы-переносчика протона;

6. Поскольку согласно предложенной нами схеме от Мп-кластера отрывается как электрон, так и протон, после каждого акта возбуждения система в целом, на уровне комплекса расщепления воды, остается нейтральной. Возможно, именно это позволяет Mn-кластеру из четырех атомов Мп удерживать четыре окислительных эквивалента до момента образования молекулы кислорода Ог из двух молекул воды Н2О;

7. Оценено время переноса протона с шиффова основания на Asp 85, которое оказалось равным ~ 1.44 мкс. На порядок большее время в 40 мкс., полученное из спектроскопических данных, позволяет предположить, что лимитирующей скорость переноса протона стадией является стадия структурных перестроек белка, а не сам акт переноса протона;

8. Исходя из анализа данных по направленным мутационным изменениям, предложена структура внешнего протонного полуканала бактериородопсина. Полуканал состоит из пяти аминокислот Asp85, Asp 212, Н20, Туг 57, Arg 82, Glu 204 и одной молекулы воды, протон по нему переносится на расстояние около 15 А.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа посвящена теоретическому описанию процессов транспорта протонов по протонным каналам в белках различных фотосинтезирующих организмов, а также его сопряжения с электронным переносом. В работе отдельно рассматривается перенос протона наиболее простым фотосинтетическим белковым комплексом - бактериородопсином. На примере сине-зеленых водорослей рассматриваются более сложные механизмы транспорта протонов, сопряженные с электронным переносом по электрон-транспортной цепи реакционного центра фотосистемы II. Математическая часть работы посвящена рассмотрению различных методов численного решения уравнения Шредингера и применению универсального разностного метода. Для построения поверхности потенциальной энергии протона в рассматриваемых системах обосновывается возможность использования полуэмпирического квантво-химического метода MNDO. На базе полученных потенциальных поверхностей и численных решений уравнения Шредингера в них для протона предлагается метод оценки скорости переноса протона между двумя фиксированными центрами. Разработанный подход и написанные программы могут быть по аналогии применены ко многим другим биологическим системам транспорта протона, в первую очередь, митохондриальным мембранным ферментам и ионным каналам возбудимых клеток.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Белоусов, Роман Витальевич, Москва

1. М.В. Гусев, Л.А.Минаев, «Микробиология». Издательство МГУ, 1992, Глава 16.

2. Giardi М.Т., Koblizek М., Masojidek J. (2001) Photosystem II-based biosensors for the detection of pollutants. // Biosensor&Bioelectronics, V. 16, PP. 1027-1033.

3. B.B. Климов. ОКИСЛЕНИЕ ВОДЫ И ВЫДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ. // Соросовский образовательный журнал (1996). Биология.

4. Фотосинтез // Под ред. Говинджи. М.: Мир, 1987. Т. 1-2.

5. Шувалов В.А. Первичное преобразование световой энергии при фотосинтезе. М.: Наука, 1990.

6. K.N.Ferreira, T.M.Iverson et al. (2004) Architecture of the photosynthetic oxygen-evolving center. // Science, Vol. 303, PP. 1831-1838.

7. A. Zouni, H-T. Witt, J. Kern, P. Fromme, N. Krauss, W. Saenger, P. Orth. (2001) Crystal structure of photosystem II from Synechococcus longatus at 3.8 resolution. // Nature. V.409. 8 February 2001. P. 739-743.

8. В. Kok, B. Forbush, M.McGloin // Photochem. Photobiol. (1970), V. 11, 457.

9. R.Heinerwadel, R.Berthomieu (1995) // Biochemistry. V. 34, P.16288.

10. Deisenhofer J., Epp O., Sinning I., Michel H. // J.Mol. Biol. 1995. V. 246 P. 429 457.

11. Rutherford A.W., Faller P. // Trends in Bioch. Sci. 2001. V. 26. P. 341 344.

12. F. Reifarth, G. Renger. (1998) Indirect evidence for structural changes coupled with Qb formation in photosystem II. // FEBS Letters 428 PP. 123-126.

13. H. Kirchho, S. Horstmann, E. Weis. (2000) Control of the photosynthetic electron transport by PQ diffusion microdomains in thylakoids of higher plants. // Biochimica et Biophysica Acta 1459 (2000) 148-168.

14. J. Miksovska, L. Kalman,M. Schiffer, P. Maroti, P. Sebban, D. K. Hanson. (1997) In Bacterial Reaction Centers Rapid Delivery of the Second Proton to QB Can Be Achieved in the Absence of L212Glu. // Biochemistry V. 36, 12216-12226.

15. Rinyu L., Nagy L., Kortvelyesi Т. II J. Molec. Structure (Theochem). 2001. V. 571. P. 163170.

16. Datta S., Mallik В. I I Int. J. of Quant. Chem. 1997. V. 61 P. 865-879.

17. Eriksson L.A., Himo F., Siegbahn P., Babcock G. // J. Phys. Chem. 1997. V. 101 P. 94969504.

18. O'Malley P. // Bioch. Bioph. Acta. 1999. V. 1411. P 101-113.

19. Peluso A., Di Donato M., Saracino G. // J.Phys. Chem. 2000. V.113 P. 3112-3128.

20. Tomchuk P., Procenko N., Krasnogolovets V. // Bioch. Bioph. Acta. 1985. V. 807. P. 272277.

21. Zachariae U., Lancaster C. // Bioch. Bioph. Acta. 2001. V. 1505. P. 280-290.

22. Beroza P., Fredkin D., Okamura M., Feher G. // Bioph. Journal. 1995. V. 68. P 2233-2250.

23. Stowell M., McPhillips Т., Rees D., Soltis S., Albtesch E., Feher G. // Science. 1997. V.276. P. 812-816.

24. Graige M., Feher G., Okamura M. // Proc. Natl. Acad.Sci. USA. 1998. V. 95. P. 1167911684.

25. Okamura M., Paddoch M., Graige M., Feher G. // Bioch. Bioph. Acta. 2000 V. 1458. P. 148-163.

26. Jack van Rensen. "Role of bicarbonate at the acceptor side of Photosystem II"// Photosynthesis Research (2002). V. 73, PP. 185-192.

27. R.H. Lozier, W. Niederberger, R.A. Bogomolni, S. Hwang, W. Stoeckenius, Biochim. Biophys. Acta 440 (1976) 545-556

28. D. Oesterhelt, C. Brauchle, N. Hampp (1991) // Q. Rev. Biophys. 24, 425-478.

29. R.R. Birge // Ашш. Rev. Phys. Chem. 41 (1990) 683-733.

30. Miyasaka T, Koyama K, Itoh I (1992) Quantum conversion and image detection by a bacteriorhodopsin-based artificial photoreceptor// Science 255: 342-344.

31. Hampp N.A. (2000) Bacteriorhodopsin: mutating a biomaterial into an optoelectronic material. // Appl Microbiol Biotechnol 53, PP. 633-639.

32. Vsevolodov NN, Dyukova TV (1994) Retinal-protein complexes as optoelectronic components. Trends Biotechnol 12: 81-88.

33. Havelka WA, Henderson R, Oesterhelt D (1995) Three-dimensional structure of halorhodopsin at 7 A resolution // J Mol Biol 247: 726-738.

34. Skulachev VP (1993) Interrelations of bioenergetic and sensory functions of the retinal proteins.// Q Rev Biophys 26: 177-199.

35. W. Stoeckenius, R.H. Lozier, R.A. Bogomolni, Biochim.Biophys. Acta 505 (1978) 215278.

36. S.I. Bibikov, R.N. Grishanin, A.D. Kaulen, W. Marwan, D.Oesterhelt, V.P. Skulachev, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90 (1993) 9446-9450.

37. Рубин А.Б. «Биофизика» T.2 M.: Книжный дом «Университет», 2000 г.

38. P.J. Booth, A.R. Curran // Curr. Opin. Struct. Biol. 9 (1999) 115-121.

39. Mitsuoka K. et al. (1999) The structure of bacteriorhodopsin at 3.0 A resolution based on electron crystallography: implication of the charge distribution. // J. Mol. Biol. 286:861882.

40. E.M. Landau, J.P. Rosenbusch, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93 (1996) 14532-14535.

41. G. Rummel, A. Hardmeyer, C. Widmer, M.L. Chiu, P. Nollert, K.P. Locher, I. Pedruzzi, E.M. Landau, J.P. Rosenbusch, J. Struct. Biol. 121 (1998) 82-91.

42. Henderson, R., and P. N. T. Unwin. (1975) Three dimensional model of purple membrane obtained by electron microscopy. // Nature. 257:28-32.

43. H. Luecke, H.T. Richter, J.K. Lanyi, Science 280 (1998) 1934-1937.

44. Sanz C., Lazarova T. et al. (1999) Opening the Schiff base moiety of bacteriorhodopsin by mutation of the four extracellular Glu side chains. //FEBS Letters 456, 191-195.

45. Peralvarez A., Bamadas R., Sabes M., Querol E., Padros E. (2001) Thr90 is a key residue of the bacteriorhodopsin proton pumping mechanism. // FEBS Letters 508, 399-402.

46. J.K. Lanyi, G. Varo, Isr. J. Chem. 35 (1995) 365-386.

47. R.H. Lozier, R.A. Bogomolni, W. Stoeckenius, Biophys. J. 15 (1975) 955-962.

48. R.H. Lozier, W. Niederberger, R.A. Bogomolni, S. Hwang, W. Stoeckenius, Biochim. Biophys. Acta 440 (1976) 545-556.

49. L.A. Drachev, A.D. Kaulen, V.P. Skulachev, FEBS Lett.209 (1986) 316-320.

50. G. Varo, J.K. Lanyi, Biochemistry 29 (1990) 6858-6865.

51. Fischer, W. В., S. Sonar, T. Marti, H. G. Khorana, and K. J. Rothschild. 1994. Detection of a water molecule in the active-site of bacteriorhodopsin: hydrogen bonding changes during the primary photoreaction. Biochemistry. 33:12757-12762.

52. L.S. Brown, J. Sasaki, H. Kandori, A. Maeda, R. Needleman,J.K. Lanyi, J. Biol. Chem. 270 (1995) 27122-27126.

53. S.P. Balashov, E.S. Imasheva, T.G. Ebrey, N. Chen, D.R.Menick, R.K. Crouch, Biochemistry 36 (1997) 8671-8676.

54. A.K. Dioumaev, H.T. Richter, L.S. Brown, M. Tanio, S.Tuzi, H. Saito, Y. Kimura, R. Needleman, J.K. Lanyi, Biochemistry 37 (1998) 2496-2506.

55. J.K. Lanyi, J. Biol. Chem. 272 (1997) 31209-31212.

56. M.C. Nuss, W. Zinth, W. Kaiser, E. Koelling, D. Oesterhelt,Chem. Phys. Lett. 117 (1985) 1-7.

57. G.H. Atkinson, D. Blanchard, H. Lemaire, T.L. Brack, H.Hayashi, Biophys. J. 55 (1989) 263-274.

58. O. Weidlich, F. Siebert, Appl. Spectrosc. 47 (1993) 1394-1400.

59. J. Sasaki, A. Maeda, C. Kato, H. Hamaguchi, Biochemistry 32 (1993) 867-871.

60. O. Weidlich, L. Ujj, F. Jager, G.H. Atkinson, Biophys. J. 72 (1997) 2329-2341.

61. C. Zscherp, R. Schlesinger, J. Tittor, D. Oesterhelt, J. Heberle, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (1999) 5498-5503.

62. S. Szaraz, D. Oesterhelt, P. Ormos, Biophys. J. 67 (1994) 1706-1712.

63. C. Tommos, G.T. Babcock. (2000) Proton and hydrogen currents in photosynthetic water oxidation. // Biochimica et Biophysica Acta V.1458 PP. 199-219.

64. G. Renger. Photosynthetic water oxidation to molecular oxygen: apparatus and mechanism. // Bioch. Bioph. Acta 1503 (2001) P. 210-228.

65. J.H. Robblee, R.M.Cinco, V.K. Yachandra. X-ray spectroscopy-based structure of the Mn-cluster and mechanism of photosynthetic oxygen evolution. // Bioch. Bioph. Acta 1503 (2001) P. 7-23.

66. G.M. Ananyev, L. Zaltsman, C. Vasko, G.C. Dismukes. The inorganic biochemistry of photosynthetic oxygen evolution/water oxidation. // Bioch. Bioph. Acta, 1503(2001). 5268.

67. J. Nugent, A. Rich, M. Evans. Photosynthetic water oxidation: towards a mechanism.// Bioch. Bioph. Acta, 1503(2001). 138-146.

68. C. G. Chen and G. M. Cheniae, Plant Physiol, 1995,108, 87.

69. J. S. Vrettos, D. A. Stone, and G. W. Brudvig, Biochemistry,.2001, 40, 7937.

70. G. M. Ananyev, L. Zaltsman, C. Vasko, and G. C. Dismukes^/oc///w. Biophys. Acta Bioenergetics, 2001,1503, 52.

71. K. Olesen and L. E. Andreasson, Biochemistry, 2003, 42, 2025.

72. D. Kuzek, R.J. Pace. Probing the Mn oxidation states in the OEC. Insights from spectroscopic, computational and kinetic data. // Bioch. Bioph. Acta, 1503(2001). 123-137.

73. J. Peloquin, R.Britt. EPR/ENDOR characterization of the physical and electronic structure of the OEC Mn cluster. //Bioch. Bioph. Acta, 1503(2001). 96-111.

74. J. Vrettos, J. Limburg, G. Brudvig. Mechanism of photosynthetic water oxidation: combining biophysical studies of photosystem II with inorganic model chemistry.// Bioch. Bioph. Acta, 1503(2001). 229-245.

75. H.A. Chu, W.Hillier, N.A. Law, G.T. Babcock. Vibrational spectroscopy of the oxygen-evolving complex and of manganese model compounds.// Bioch. Bioph. Acta, 1503(2001). 69-82.

76. R. Debus, Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics, 2001,1503,164.

77. T. Ono. Metallo-radical hypothesis for photoassembly of (Mn)4-cluster of photosynthetic oxygen evolving complex. // Bioch. Bioph. Acta, 1503(2001). 40-51.

78. P. Brzezinski. Proton-transfer reactions in bioenergetics // Biochimica et Biophysica Acta 1458 (2000) PP. 1-5.

79. J. Heberle. Proton transfer reactions across bacteriorhodopsin and along the membrane. // Biochimica et Biophysica Acta 1458 (2000) 135-147.

80. S.B. Hladky, D.A. Haydon, (1972) // Biochim. Biophys. Acta V. 274 PP.294-312.

81. Петров Э.Г. «Физика переноса зарядов в биосистемах» // Киев: «Наукова Думка», 1984.

82. Kohen A., Klinman J. (1999) Hydrogen tunneling in biology. // Chemistry & Biology, Vol 6, No 7, PP. 191-198.

83. Silverman D. (2000) Marcus rate theory applied to enzymatic proton transfer. // Biochimica et Biophysica Acta 1458, 88-103.

84. Dewar M.J.S., Thiel W. 1977 Ground States of Molecules. 38. The MNDO Method. Approximations and Parameters. // J. Am. Chem. Soc. 99, 4899-4907.

85. A. Rauk. Orbital Interaction Theory of Organic Chemistry. // 2001 John Wiley & Sons, Inc.

86. H.C. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельников. Численные методы.// Москва, «НАУКА», 1987.

87. Г. Эйринг, Дж. Уолтер, Дж. Кимбалл. Квантовая химия.// Москва. «Государственное издательство иностранной литературы», 1948, стр. 107.

88. N.KAMIYA, J.-R.SHEN (2003) CRYSTAL STRUCTURE OF OXYGEN-EVOLVING PHOTOSYSTEM II FROM THERMOSYNECHOCOCCUS VULCANUS AT 3.7-A // PROC.NAT.ACAD.SCI.USA, V. 100 98 2003.

89. Krishtalik L. // Bioch. Bioph. Acta. 2000. V. 1458. P. 6-27.

90. Полтев C.B., Белов А.А., Кузнецова С.А., Кукушкин A.K. // Биофизика. 2001. Т. 46, вып. l.C. 136-140.

91. Салем JI. Электроны в химических реакциях. М.: Мир, 1985. стр. 285.

92. Lancaster C.R., Michel Н. // Structure. 1997. V. 5. P. 1339-1359.

93. Stowell M., McPhillips Т., Rees D., Soltis S., Albtesch E., Feher G. // Science. 1997. V.276. P. 812-816.

94. Okamura M., Paddoch M., Graige M., Feher G. // Bioch. Bioph. Acta. 2000 V. 1458. P. 148-163.

95. Тугуб А.А., Стефанов B.E., Скалецкий E.K. // Биофизика. 2001. Т. 46, вып. 4. С. 581-588.

96. S. Hayashi, Е. Tajkhorshid, K.Schulten. (2002) Structural Changes during the Formation of Early Intermediates in the Bacteriorhodopsin Photocycle. // Bioph. J. V.83, PP. 12811297.

97. E. Tajkhorshid, J. Baudry, K.Schulten, S. Suhai. (2000) Molecular Dynamics Study of the Nature and Origin of Retinal's Twisted Structure in Bacteriorhodopsin. // Bioph. J. V. 78, PP. 683-693.

98. Edman, K., P. Nollert, A. Royant, H. Belrhali, E. Pebay-Peyroula, J. Hajdu, R. Neutze, and E. M. Landau. (1999) High-resolution X-ray structure of an early intermediate in the bacteriorhodopsin photocycle. I I Nature. 401 PP. 822-826.

99. Давыдов А.С. «Квантовая механика» M. Физматгиз, 1963 г.