Фемтосекундные исследования процесса разделения зарядов в бактериальных реакционных центрах

• Автор: Хмельницкий, Антон Юрьевич
• Шифр специальности: 03.01.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Пущино
• Количество страниц: 110 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Общая характеристика фотосинтеза

1.1.1 Антенны и процесс переноса энергии

1.1.2 Первичный перенос электрона в бактериальных реакционных центрах

1.2 Фотосинтез в аноксигенных бактериях

1.2.1 Система антенн

1.2.2 Перенос энергии в пурпурных бактериях

1.2.3 Структура бактериальных реакционных центров

1.2.4 Кофакторы РЦ фотосинтезирующих бактерий и влияние белкового окружения

на их физико-химические свойства
1.2.5 Оптический спектр РЦ Rba. sphaeroides
1.3 Начальные стадии переноса электрона в бактериальных РЦ
1.3.1 Теоретический анализ переноса электрона
1.3.2 Спектральные и кинетические свойства возбужденного состояния первичного
донора электрона Р Rba. sphaeroides
1.3.3 Перенос электрона от Р* на ВА и далее на молекулу НА в РЦ Rba. sphaeroides
1.3.4 Особенность начальных стадий переноса электрона в РЦ Cjx. aurantiacus
1.3.5 Связь когерентного движения ядер с переносом электрона в бактериальных
реакционных центрах
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Молекулярно-биохимические методы
2.1.1 Генетические системы для направленного мутагенеза Rba. sphaeroides
2.1.2 Методы генной инженерии
2.1.3 Выращивание мутантных штаммов и выделение РЦ
2.1.4 Приготовление образцов для измерений
2.2 Оптическая спектроскопия сверхбыстрого временного разрешения
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Разделение зарядов внутри первичного донора электрона Р в нативных и мутантных
реакционных центрах
3.2 Разделение зарядов в мутантных реакционных центрах Rhodobacter sphaeroides с
повышенным окислительно-восстановительным потенциалом первичного донора электрона Р
3.3 Фемтосекундное разделение зарядов в сухих пленках реакционных центров Rhodobacter sphaeroides и Chloroflexus aurantiacus
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
L131LH- реакционный центр, в котором лейцин в позиции L131 заменен на гистидин M160LH - реакционный центр, в котором лейцин в позиции L160 заменен на гистидин M197FH - реакционный центр, в котором фенилаланин в позиции М197 заменен на гистидин M202HL - реакционный центр, в котором гистидин в позиции М202 заменен на тирозин L173HL - реакционный центр, в котором гистидин в позиции L173 заменен на лейцин M160LH/L131LH/M197FH - реакционный центр, в котором лейцин в положении L160, лейцин в положении L131 и фенилаланин в положении М197 заменены на лейцин ОВ - окислительно-восстановительный
Qa, Qb - первичный и вторичный хинонный акцептор электрона
РЦ - реакционный центр
Rba. - Rhodobacter
Cfx. - Chloroflexus
Blc. - Blastochloris
АТФ - аденозинтрифосфат
НАДФ - никотинамидадениндинуклеотидфосфат (Б)Фео - (бактерио)феофитин (Б)Хл - (бактерио)хлорофилл
ВА, Вв - мономерный бактериохлорофилл A-цепи и В-цепи кофакторов переноса электрона
ДЭАЭ целлюлоза - диэтиламиноэтил целлюлоза
К - градус Кельвина
к - константа Больцмана
G - свободная энергия Гиббса
LB среда - среда Лурия-Бертани
ЛДАО - лаурилдиметиаминоксид
НА, Нв - бактериофеофитин A-цепи и В-цепи цепи кофакторов переноса электрона ПЦР - полимеразная цепная реакция пс - пикосекунда фс - фемтосекунда
Р - димер бактериохлорофилла, первичный донор электрона, специальная пара D - димер бактериохлорофилла и бактериофеофитина, первичный донор электрона гетеродимер-ных реакционных центров
РА, Рв - бактерихлорофиллы, образующие первичный донор электрона
РЦ - реакционный центр
LH - светособирающий комплекс
ТЛ буфер - Трис-ЛДАО буфер
ТТ буфер - Трис-Тритон буфер
ФСБ - фотосинтетическая единица
ВЦМ - внутрицитоплазматическая мембрана
ЦМ - цитоплазматическая мембрана
al., 1992; Haram et al., 1993). Для описания кинетики затухания Р* в РЦ с невосстановленным хиноном требуются по меньшей мере три экспоненты, а в РЦ с восстановленным или удаленным хиноном — пять экспонент.
Затухание Р* еще можно отслеживать, регистрируя дифференциальные спектры «свет минус темнота» поглощения РЦ с различной временной задержкой. Так, вынужденное излучение Р* наблюдается в виде отрицательного поглощения в области 915-940 нм (Holzapfel et al., 1989; Kirmaier and Holten, 1987; Martin et al., 1986; Woodbury et al., 1985). Затухание вынужденного излучения носит мультиэкспоненциальный характер, так же как и спонтанное излучение Р* (Vos et al., 1992; Woodbury et al., 1994).
Существуют два основных типа моделей, объясняющих мультиэкспо-ненциальность затухания возбужденного синглетного состояния Р. В моделях первого типа различные кинетические компоненты Р* отражают существование различных субпопуляций реакционных центров с разными константами скорости переноса электрона (Kirmaier and Holten, 1990; Müller et al., 1992). Это может объяснить сложности затухания Р* на шкале времени от пикосекунд до сотни пикосекунд при условии существования обширного распределения констант скорости переноса электрона в популяции реакционных центров. Тем не менее, маловероятно, что данная модель справедлива при описании затухания Р* на шкале времени сотен пикосекунд, поскольку время жизни Р* в отсутствии переноса электрона всего лишь 100-300 пс в диком типе, а в некоторых мутантах даже меньше, хотя долгоживущая флуоресценция все же присутствует (Williams et al., 1992; Peloquin et al., 1994). Вот почему, по крайней мере на больших временных задержках, необходимо учитывать обратный перенос электрона, приводящий к рекомбинационному заселению состояния Р*.
Другим объяснением мультиэкспоненциальности кинетики Р* служит присутствие обратимых реакций переноса электрона между Р* и состояниями с разделенными зарядами, или различными конформационными подсо-стояниями одного и того же состояния с разделенными зарядами. Это может