Фотоиндуцированные процессы и их роль в функционировании бактериородопсина

• Автор: Дегтярева, Ольга Васильевна
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Пущино
• Количество страниц: 166 с. : ил.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 1. ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. РЕТИНАЛЬСОДЕРЖАЩИЕ БЕЛКИ

1.1.1. Общие представления о строении и функционировании ретинальных белков

1.1.2. Общие характеристики основных спектральных методов исследования ретинальных белков

1.1.2.1.Рентгеноструктурный анализ

1.1.2.2. Оптическая спектроскопия

1.1.2.2.1.Поглощение УФ-видимой области

1.1.2.2.2. Флуоресцентная спектроскопия

1.1.2.3. Колебательная спектроскопия

1.1.2.3.1. Резонансное комбинационное рассеяние
1.1.2.3.2. Инфракрасная спектроскопия
1.2. БАКТЕРИРОДОПСИН
1.2.1. Бактериородопсин - биофизическая модель
1.2.2. Галобактерии. Физиология и особенности строения
1.2.3. Пурпурные мембраны. Особенности строения
1.2.4. Структура и состав бактериородопсина
1.2.5. Хромофорный центр. Опсиновый сдвиг
1.2.6. Фотоцикл бактериородопсина
1.2.7. Молекулярные модели первичных реакций
1.2.8. Хромофор-белковое взаимодействие
1.2.8.1. Контроль реакции со стороны белка
1.2.8.2. Реорганизация белка в ответ на изомеризацию ретиналя
1.2.9. Проблемы, связанные с первичными событиями фотоцикла
1.3. ВОДОРОДНЫЕ СВЯЗИ
1.3.1. Свойства водородных связей
1.3.1.1. Полярность водородной связи
1.3.1.2. Направленность водородной связи
1.3.1.3. Коопреративность водородной связи
1.3.1.4. Подвижность протона
1.3.2. Водородные связи и их роль в функционировании бактериородопсина
1.3.3. ИК-спектроскопия в изучении роли воды и водородных связей в бакте-
риородопсине
1.4. АМИНОКИСЛОТЫ
1.4.1. Строение и спектральные свойства аминокислот в белках
1.4.2. Глицин
1.4.2.1. Структура и полиморфные формы глицина
1.4.2.2. Спектральные свойства глицина
1.4.2.3. Влияние внешней среды на свойства глицина
1.4.3. Лизин
1.4.3.2. Строение и спектральные свойства лизина
1.4.3.3. Особенности поведения лизина в водном окружении
1 5. ОПТИЧЕСКАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ БИОМОЛЕКУЛ
1.5.1. Физические основы оптической нелинейности
1.5.2. Основные поожения теории
1.5.3. Оптический эффект Керра
1.5.4. Качественное описание эффекта Керра
1.5.5. Нелинейные оптические свойства бактериродопсина
1.5.5.1. Происхождение оптической нелинейности бактериородопсина
1.5.6. Нелинейные оптические свойства глицина и лизина

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Объект исследования
2.2. Выращивание бактерий
2.3. Выделение пурпурных мембран
2.4. Приготовление пленок
2.5. Регистрация электронных спектров в УФ- видимой области
2.6. Оптические измерения с помощью видеонаблюдения
2.7. Рентгеноструктурный анализ кристаллов
2.8. Регистрация дифференциальных ИК-Фурье спектров поглощения
2.9. Регистрация ИК-Фурье спектров эмиссии
2.10. Анализ результатов
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Разработка инфракрасного эмиссионного подхода на основе техники адсорбционной ИК-Фурье спектроскопии
3.2. Исследование ИК-эмиссии в бактериородопсине в условиях освещения низкоинтенсивным видимым светом
3.2.1. Изучение основны спектральных характеристик бактериородопсина
в спектрах ИК-эмиссии
3.2.2. Изучение влияния видимого света на спектральное поведение маркерных
полос С=С валентных колебаний
3.2.3. Изучение спектральных свойств ретинального хромофора ИК-эмиссии бактериородопсина в спектрах ИК-эмиссии в области 1700-700 см'1
3.3. Исследование действия видимого и инфракрасного света на спектральное поведение модельного полностью-транс изомера ретиналя в спектрах ИК-эмиссии бактериородопсина
3.3.1. Исследование действия инфракрасного света на спектроскопичес-
кие характеристики ИК-эмиссии модельного соединения полностью-транс ретиналя в области 1700-700 см'1 при селективном возбуждении репортерных групп
3.3.2. Исследование возбуждения ИК-эмиссии в полностью-транс ретинале при электронном возбуждении.
3.3.2.1. Исследование спектральных характеристик в спектрах ИК-эмиссии полностью-транс ретиналя при электронном возбуждении вне-резонанса с полосой электронного поглощения
3.3.2. 2. Исследование спектральных характеристик в спектрах ИК-эмиссии
полностью-транс ретиналя при электронном возбуждении в резонансе с полосой электронного поглощения
3.4. Исследование спектральных свойств бактериородопсина в области 2200 - 1700 см'
3.4.1. Исследование влияния видимого света на спектральное поведение в
области 2200 - 1700 см'1 в спектрах ИК-эмиссии бактериородопсина
3.5. Исследование действия света инфракрасного и оптического диапазона на излучатель-ные способности аминокислот
3.5.1. Исследование действия инфракрасного света на спектральные характеристики излучения в ИК-спектрах Ь-лизина монохлорида при селективном колебательном возбуждении репортерных групп
3.5.2. Исследование действия видимого света на возбуждение ИК-эмиссии в образцах Ь-лизина монохлорида и глицина в условиях умеренной и низкой мощности
3.5. 2.1. Изучение спектроскопических характеристик ИК-эмиссии Ь-лизина монохлорида в растворе при воздействии видимым светом умеренной и низкой мощности
3.5.2. 2. Изучение спектроскопических характеристик ИК-эмиссии Ь-лизина

монохлорида в пленке при воздействии видимым светом умеренной и низкой мощности
3.5.2.3. Изучение спектроскопических характеристик ИК-эмиссии глицина в растворе при воздействии видимым светом умеренной и низкой мощности
3.5.2.4. Изучение спектроскопических характеристик ИК-эмиссии глицина в пленке при воздействии видимым светом умеренной и низкой мощности 1
3.5.2.5. Исследование фотозависимого поведения в спектрах ИК-эмиссии лизина и глицина в области 2100-700 см'1
3.6. Исследование спектральных свойств в растворах L-лизина монохлорида и глицина в электронных спектрах в ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра
3.6.1. Исследование спектров УФ-поглощения в растворах L-лизина монохлорида и глицина
3.6.1. Концентрационная зависимость в спектрах УФ-поглощения растворов L-лизина монохлорида и глицина в ближней УФ-области
3.6.2. Исследование спектральных характреристик в спектрах флуоресценции лизина и глицина в УФ-видимой области
3.7. Исследование фототоиндуцированных процессов в L-лизина монохлорида и глицина в условиях освещения низко интенсивным видимым светом
3.7.1. Исследование динамических процессов в растворах L-лизина монохлорида и глицина при воздействии лазерного излучения низкой мощности
3.7.2. Исследование действия низкоинтенсивного видимого света на нуклеацию в L-лизина моногидрохлорида и глицина в не насыщенных растворах при комнатной температуре
3.7.4. Исследование температурных характеристик среды при
воздействии низкоинтенсивного лазера
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

информации об ИК-активных модах белкового хромофора является маскирующее действие молекул воды и множественных осцилляторов всех компонентов белка, сильно поглощающих в той же самой области. В настоящее время доступна ограниченная информация, касающаяся только тех характеристик, которые претерпели изменения по ходу ФЦ или в результате вариаций в условиях эксперимента при использовании метода дифференциальной ИК-Фурье спектроскопии. Для отнесения ИК-полос используют спектры ИК-поглощения модельных соединений ретиналя, которые, так же как и спектры KP детально охарактеризованы с использованием разнообразных изотопных меток. Методом дифференциальной ИК-Фурье спектроскопии в сочетании с сайт направленным мутагенезом были исследованы изменения в зарядовом окружении отдельных аминокислотных остатков на этапе образования различных интермедиатов [Rothschild, 1984]. Обнаружены изменения зарядового окружения карбоксильных групп [Siebert, Mantele, 1983; Rothschild, 1984; Roepe et al., 1987], принадлежащих де- и протонированному остатку аспарагиновой кислоты Asp« [Grittiths et al, .2000]. Показано протонирование остатка тирозина Tyr^ [Roepe et al., 1987; Dollinger et al., 1986, Liu et al., 1995], участие триптофана -86 (Тгрзб) [Schenki et al., 2006], изменение конформационного остатка лизина [Leonard et al., 2009], а также участиие пролина Pro186 [Rothshild et al., 1989; Gerwert et al., 1990]. В последнее время методом дифференциальной ИК-Фурье спектроскопии была установлена роль внутренних молекул воды в пионерских работах Маеды с соавторами [Маеда, 2000], что более подробно будет рассмотрено ниже в главе
1.3.3.
Первое экспериментальное подтверждение изомеризации в БР на пикосекундной временной шкале было получено с помощью методов РКРС [Крюков и др. 1978; Applebury et al., 1978; Braiman, Mathies, 1980]. Полученные спектры были проанализированы на основе обширного материала по колебательным характеристикам полностью-транс и 13-цис состояний в БР, полученных с использованием модельных соединений ретиналя и ПШО [Braiman, Mathies 1982; Curry et al. 1990; Smith et al. 1985; Smith et al. 1987; Smith et al. 1988]. Позже были получены спектры РКРС бактериородопсина и первых интермедиатов с субпикосекундным временным разрешением. Среди образующихся за сверх быстрые времена продуктах БР был выявлен батопродукт, который имел все признаки 13-цис конфигурации хромофора [Braiman, 1980; Gerwert, Siebert, 1986]. Кроме того в кинетических экспериментах помимо общего распада сигнала в течение 3-7 пикосекунд, наблюдали спад в течение 3 псек в интенсивности колебательных полос, обусловленных деформационными колебаниями, которые связаны с