Динамика фотосистемы 1 и фотосистемы 2 в фемто- и пикосекундной шкале времен

• Автор: Шелаев, Иван Викторович
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Литературный обзор

1Л Электрон-транспортная цепь в процессе фотосинтеза

1.2 Л Строение ФС

1.2.2 Спектроскопические исследования ФС

1.3.1 Строение ФС

1.3.2 Спектроскопические исследования ФС

1.4 Когерентное управление в фотосинтетических системах

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Система регистрации спектров фотоиндуцированного поглощения

2.2 Методика коррекции спектров фотоиндуцированного поглощения
2.3 Система управления амплитудно-фазовыми характеристиками возбуждающего импульса
2.4 Образцы ФС1 и ФС2 в фемтосекундных исследованиях
Глава 3. Результаты исследования ФС
3.1 Фемтосекундная динамика ФС1 при возбуждении 670 и 700 нм
3.2 Фемтосекундная динамика ФС1 при возбуждении 720 нм
3.3 Фемтосекундная динамика мутантных штаммов ФС
3.4 Когерентный механизм разделения зарядов в РЦ ФС
3.5 Когерентное управление процессами в ФС
Глава 4. Результаты исследования ФС
Фемтосекундная динамика изолированного РЦ ФС
Заключение
Список литературы

Введение
Развитие современной химии и биологии тесно связано с изучением сверхбыстрых процессов, происходящих в фемтосекундной шкале времен. Инструментом, с помощью которого возможно исследование сверхбыстрой динамики в биологических и химических системах, является фемтосекундная лазерная спектроскопия. В последние годы развитие фемтосекундной лазерной техники позволило повысить временное разрешение в разы, что дало возможность изучать процессы, протекающие за десятки фемтосекунд. Существенной особенностью протекания реакций под действием световых фемтосекундных импульсов является то, что реакции могут протекать в когерентном режиме. В этом режиме, манипулируя амплитудно-фазовыми характеристиками, можно осуществлять когерентное управление динамикой процессов, влиять на выход интермедиатов.
Самый известный и важный процесс, происходящий в природе под действием света, является фотосинтез. В этом процессе используются неисчерпаемый источник энергии - солнечный свет и неисчерпаемый донор электронов - вода. Первичные процессы этого удивительного явления протекают в фотосинтетических системах: фотосистеме 1 (ФС1) и фотосистеме 2 (ФС2). Принцип работы фотосистем может быть использован в самых различных разработках: в преобразовании солнечной энергии в электрическую энергию, в производстве топлива, такого как водород, в производстве биологически активных соединений, таких как НАДФН, НАДН и т.д..
Возможность использования фотосистем при решении тех или иных задач подразумевает хорошее понимание процессов, происходящих внутри самих этих белковых комплексов. К сожалению, на сегодняшний день отсутствует однозначное представление о динамике и механизмах процессов,

идущих внутри реакционных центрах фотосистем, о природе первичного донора электрона, о механизме работы светособирающей антенны, передающей возбуждение на реакционный центр (РЦ), о степени асимметрии переноса электрона по симметричным ветвям редокс-кофакторов в ФС1.
Причина разногласий в большинстве случаев лежит в сложности интерпретации экспериментальных данных. Так в ФС1 РЦ и антенный комплекс неотделимы друг от друга, и, кроме того, поглощают в одной спектральной области, что затрудняет расшифровку фемтосекундных данных. В ФС2 возможно выделить отдельно РЦ, но она является нестабильной при комнатной температуре.
Решить эти проблемы возможно, повышая временное разрешение фемтосекундных исследований, модернизируя методики измерений, а так же изучая динамику при перестройке несущей длины волны возбуждающего импульса. Именно такой подход к исследованию процессов в ФС1 и ФС2 реализуется в представленной диссертационной работе.
Цели и задачи:
1. Получить экспериментальные данные по динамике фотоиндуцированного поглощения для ФС1 и ФС2 в фемто- и пикосекундном масштабе времен.
2. Разработать методику отделения динамики реакционного центра ФС1 от динамики переноса энергии возбуждения в светособирающей антенне.
3. На основе экспериментальных данных предложить механизм первичных фотохимических процессов, протекающих в реакционных центрах ФС1 и ФС2.
4. Исследовать степень асимметрии переноса электрона по симметричным ветвям редокс-кофакторов в реакционном центре ФС1 БупескосузШ .чр. РСС 6803, путем изучения динамики в мутантных

изменении спектрального линейного чирпа Д длительность импульса изменяется симметрично относительно значения Д=0. Импульс при Д=0 и отсутствии какой-либо модуляции носит название спектральноограниченного, а его длительность определяется соотношением неопределенности. Часто для оптимизации когерентного управления в сложных молекулярных системах используют не линейный, а чирпы более высоких порядков или в виде сложных функций.
Возможность когерентного управления динамикой биологических систем было показано в работе Вохллебена и др. [66]. В данной работе авторы исследовали когерентное управление между процессом внутренней конверсии энергии возбуждения каротеноидов и процессом передачи возбуждения на бактериохлорофилл (В800 и В850) в комплексе светособирающей антенны ЬН2 пурпурной фотосинтезирующей бактерии Дот. ас1с1орЫ1а. При возбуждении фемтосекундным импульсом на длине волны 525 нм, каротеноиды переходят в Б2 состояние, из которого и происходят два процесса: внутренней конверсии и передачи возбуждения на бактериохлорофиллы. Для управления этими процессами использовались импульсы с синусоидальной модуляцией фазы. Путем изменения частоты фазовой модуляции, авторы выделили характеристическую частоту 160 см'1, участвующую в процессе внутренней конверсии в каротеноидном кольце ЬН2.
В работе Коллини и др. [67] изучалась динамика антенных комплексов морских водорослей, РЕ545 из КксхЛотопаз СБ24 и РС645 из Скгоотопая ССМР270. Методом двумерного фотонного эха при возбуждении импульсом длительностью 25 фс и температуре 292 К авторы обнаружили долгоживущие когерентные осцилляции. В случае РС645 осцилляции наблюдались до 400 фс после возбуждения, а для РЕ545 - до 200 фс. Частота этих осцилляций составляла -500 см'1.