|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Перенос энергии возбуждения при фотосинтезе: роль "темных" состояний и зацентровых форм (бактерио)хлорофилла.НИР
Excitation energy transfer in photosynthesis: the role of the "dark" states and red forms of (bacterio)chlorophyll
- Руководитель НИР: Разживин А.П.
- Участники НИР: Ашихмин А.А., Большаков М.А., Козловский В.С., Компанец В.О., Котова Е.А., Махнева З.К., Мельников А.А., Пищальников Р.Ю., Соловьев А.А.
- Подразделение: Отдел фотосинтеза и флуоресцентных методов исследований
- Срок исполнения: 1 января 2015 г. - 31 декабря 2017 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 15-04-09289
- Номер ЦИТИС: 115013070067
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Структура и функция биологических мембран. Биоэнергетика. Фотосинтез.
- ПН России: Науки о жизни
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.31.26 Спектроскопические методы и методики
- 29.33.49 Лазерная спектроскопия
- 34.17.03 Теоретическая и математическая биофизика
- 34.17.05 Методы и аппаратура в биофизике
- 34.17.09 Фотофизические и фотохимические процессы в биологии
- 34.17.15 Молекулярная биофизика
-
Ключевые слова:
молекулярные экситоны, фотосинтез, перенос энергии, двухфотонное возбуждение, зацентровые формы хлорофилла, светособирающая антенна
light-harvesting antenna, energy transfer, red chlorophylls, photosynthesis, molecular excitons, two-photon excitation -
Описание:
Первичные процессы фотосинтеза начинаются с переноса энергии возбуждения по пигментам светособирающей антенны к фотоактивному реакционному центру, в котором энергия преобразуется из физической формы (электронного возбуждения) в химическую т форму энергии соединений с разделенными зарядами разного знака. Опубликовано большое число работ посвященных экспериментальным и теоретическим исследованиям переноса энергии возбуждения по антенне и ее захвата реакционными центрами. Однако до сих пор ряд вопросов остается не понятным. Так перенос энергии может идти по электронным уровням отдельных молекул пигментов, по экситонным уровням взаимодействующих пигментов, а также по электронным уровням состояний пигментов с переносом заряда. Большая часть этих уровней видна в оптических спектрах в виде полос поглощения. Поэтому за переносом энергии по антенне можно следить по оптическим изменениям в полосах поглощения с помощью лазерной спектроскопии в фемто- и пикосекундном временном диапазоне. Но часть уровней запрещена для однофотонных переходов и в спектрах не проявляется, например переход S0->S1 молекул каротиноидов, высокие экситонные состояния в кольцевых агрегатах пурпурных бактерий или J-агрегатах красителей, некоторые состояния с переносом заряда пигментов. Это так называемые «темные» состояния. Однако на процессы переноса энергии возбуждения между пигментами этот запрет не распространяется – «темные» состояния пигментов могут играть роль в процессах переноса энергии по антенне при фотосинтезе. Изучение этой роли предполагается провести методом лазерной фемтосекундной спектроскопии с помощью двухфотонного возбуждения, которое позволяет обойти запрет на однофотонное поглощение. Кроме того методом лазерной фемтосекундной спектроскопии предполагается изучить роль так называемых «зацентровых» или «красных» форм хлорофилла в процессах переноса энергии, которые должны конкурировать с реакционными центрами, отбирая часть энергии возбуждения.
- Добавил в систему: Разживин Андрей Павлович
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Перенос энергии возбуждения при фотосинтезе: роль "темных" состояний и зацентровых форм (бактерио)хлорофилла. |
| Результаты этапа: Ожидаемые результаты за первый год: Ранее было показано, что при двухфотонном возбуждении светособирающего комплекса LH2 избирательно возбуждается кольцевой агрегат молекул бактериохлорофилла (В850) [Stepanenko et al. (2012) J Phys Chem B 116, 2886-2890]. Однако причины этой избирательности не понятны. Необходимо определить механизм двухфотонного возбуждения антенны пурпурных бактерий. Получаются ли спектры с максимумом около 675 нм на препаратах LH1 и LH2, на хроматофорах и субъединицах В820 из разных пурпурных бактерий? С этой целью будут измерены спектры и кинетические кривые для двухфотонного возбуждения комплексов LH1, LH2 и хроматофоров из клеток Rhodobacter sphaeroides, Rhodospirillum rubrum, Allochromatium minutissimum, Ectothiorhodospira haloalkaliphila. В завершение будет проведена экспериментальная проверка и дан критический анализ возможных механизмов появления полосы в области 1300-1400 (650-700) нм в спектрах двухфотонного возбуждения светособирающих комплексов пурпурных бактерий: 1) по модели А.Ю.Борисова [Borisov (2011) J. Exp. Theor. Phys. 113, 901-904; Borisov (2010) Optics and spectroscopy 109, 687-689]; 2) по механизму с участием 3-ацетил-хлорофилла (продукта окисления бактериохлорофилла) [Stepanenko et al. (2011) Proc. of SPIE 7994, 1C1-1C9.]; 3) по модели Абе [Abe (2001) Chem. Phys. 264, 355-363]; 4) по механизму с участием возбужденных состояний бактериохлорофилла и состояний с переносом заряда [Stepanenko et al. (2012) J. Phys. Chem. B 116, 2886-2890]. Будет оценен экранирующий эффект воды при возбуждении препаратов в области около 1400 нм. Отдельно в 2015-2016 гг планируется исследование субъединицы В820 комплекса LH1 из Rhodospirillum rubrum при двухфотонном возбуждении в области 1200-1500 нм. С целью выяснения роли длинноволновых спектральных форм хлорофилла в процессах переноса и захвата возбуждений реакционными центрами из антенны будет продолжено спектрально-кинетическое исследование фотоиндуцированных изменений оптического поглощения длинноволновых молекул хлорофилла («зацентровых форм») в тримерах и мономерах фотосистемы 1 из Arthrospira platensis при температуре жидкого азота. Измерения будут выполнены при активном («открытом» или восстановленном) и неактивном («закрытом» или окисленном) состояниях реакционного центра Р700. Состояние Р700 будет контролироваться при большой задержке зондирующего импульса относительно возбуждающего (~1000 пс) по долгоживущему выцветанию в полосе около 700 нм; возбуждающие импульсы будут достаточно слабыми (около одного поглощенного кванта света образцом в пересчете на один Р700) чтобы исключить нелинейный процессы синглет-синглетной аннигиляции. Предварительные результаты исследования были представлены ранее (Разживин и др., Материалы докладов IV Съезда биофизиков России (20-26 августа 2012 г., Нижний Новгород), том 5, стр.27; Kompanets et al. (2014) FEBS Letters 588, 3441-3444). | ||
| 2 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Перенос энергии возбуждения при фотосинтезе: роль "темных" состояний и зацентровых форм (бактерио)хлорофилла. |
| Результаты этапа: Исследован перенос энергии возбуждения от высоких возбужденных состояний Ву,Вх (полосы Соре) бактериохлорофиллa (БХл) в светособирающем комплексе LH2 из клеток пурпурной бактерии Ectothiorhodospira haloalkaliphila методами фемтосекундной абсорбционной спектроскопии и абсорбционной и флуоресцентной спектроскопии на постоянном свету. Показано, что перенос энергии возбуждения от высоких экситонных уровней By,Bx (полосы Соре) БХл на возбужденный уровень второго синглетного состояния каротиноидов в комплексе LH2 из Есt haloalkaliphila не превышает несколько процентов. Результаты направлены для публикации в специальном номере журнала Photosynthesis Research. Проведено сравнительное экспериментальное исследование экситонной структуры кольцевого агрегата комплекса LH1 и его субъединицы (комплекса В820) методом двухфотонной абсорбционной спектроскопии. Показано, что полоса димера БХл комплекса В820 не выцветает при двухфотонном возбуждении на длинах волн ~1400 нм (полоса «темного» состояния в области 700 нм отсутствует). Предположено, что в комплексе В820 нет смешивания верхнего возбужденного уровня димера с состояниями с переносом заряда, которое приводит к коротковолновому смещению этого уровня (как, по-видимому, это происходит в кольцевом агрегате LH1). Результаты были представлены в стендовом докладе на Международной конференции "Photosynthesis Research for Sustainability-2016", опубликованы в тезисах этой конференции и направлены для публикации в специальном номере журнала Photosynthesis Research. Проведен полный цикл измерений спектрально-кинетических изменений оптического поглощения на препаратах мономеров и тримеров ФС-1 цианобактерии Arthrospira platensis при комнатной и низкой температурах на длинах волн 650-760 нм и временных задержках от -5 до 510 пс. Определены кинетические параметры переноса энергии возбуждения от основной массы молекул хлорофилла (Хл-685) на длинноволновые спектральные формы (Хл-710 и Хл-730). Установлено, что кинетика окисления Р700 коррелирует с кинетикой дезактивации Хл-710 и Хл-730. Проведена одновременная аппроксимация измеренных кинетических кривых переноса энергии возбуждения, полученных с временным разрешением, и оптических спектров (абсорбции, флуоресценции и кругового дихроизма) для мономеров и тримеров ФС 1 в рамках экситонной модели на основе рентгеноструктурных данных. Показано, что возбужденные молекулы Хл, соответствующие длинноволновым экситонным состояниям, локализованы в периферической области мономера ФС-1, в частности в местах контактов мономеров в тримере. Результаты были представлены в устном докладе на Международной конференции "Photosynthesis Research for Sustainability-2016", опубликованы в тезисах этой конференции и направлены для публикации в специальном номере журнала Photosynthesis Research. | ||
| 3 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Перенос энергии возбуждения при фотосинтезе: роль "темных" состояний и зацентровых форм (бактерио)хлорофилла. |
| Результаты этапа: Выполнена экспериментальная проверка возможности переноса энергии возбуждения от высоких возбужденных состояний молекул бактериохлорофилла (полосы Соре) на второе возбужденное состояние молекул каротиноидов в светособирающих комплексах пурпурных бактерий методами фемтосекундной абсорбционной спектроскопии и по стационарным спектрам возбуждения флуоресценции бактериохлорофилла и спектрам оптического поглощения. Показано, что эффективность такого переноса энергии не может превышать единиц процентов. Данные, полученные на комплексе LH2 из Ectothiorhodospira haloalkaliphila, опубликованы (Razjivin et al., Photosynth Res (2017) 133:289–295), а полученные на комплексах из Allochromatium minutissimum, а также на хроматофорах из Rhodobacter sphaeroides и Rhodospirillum rubrum подготовлены к публикации. Пространственное расположение молекул хлорофилла в тримерном пигмент-белковом комплексе фотосистемы-1 цианобактерий определено с помощью моделирования спектров оптического поглощения и спектров испускания и возбуждения флуоресценции. Показано влияние упаковки мономеров в тримере на величину интенсивности и форму полосы флуоресценции. Визуализация матрицы плотности для экситонных состояний с низкой энергией позволило определить локализацию длинноволновых молекул хлорофилла в тримере фотосистемы-1. Результаты опубликованы в статье (Pishchalnikov et al. Physics of Wave Phenomena (2017) 25(3):185–195). Показано, что полоса двухфотонного поглощения в области 1200-1500 нм регистрируется для комплекса LH1 Rhodospirillum rubrum, но отсутствует у субъединицы B820 этого комплекса. Это свидетельствует в пользу предположения о возникновении данной двухфотонной полосы в результате смешивания экситонных состояний верхней давыдовской ветви и состояний с переносом заряда в кольцевом агрегате молекул бактериохлорофилла LH1. В настоящее время статья по этим данным существенно перерабатывается по замечаниям рецензентов. Получены новые данные по спектрально-кинетическим процессам в длинноволновых формах хлорофилла в прицентровом комплексе фотосистемы-1 из Arthrospira platensis при восстановленных и окисленных реакционных центрах P700. Данные готовятся к публикации. Разработанные в ходе выполнения данного проекта методики и подходы были применены одним из участников проекта для изучения процессов встраивания каротиноидов сфероидина и сфероиденона в периферический светособирающий комплекс LH2 (Ashikhmin et al. Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology, 2017) | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".