Теоретическое моделирование динамики электронно-возбужденных состояний в фотосинтетических антеннах

• Автор: Белов, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 02.00.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 108 с. : ил.

Оглавление
Введение

I. Обзор литературы

1. Природные фотосистемы.

1.1. Фотосистема пурпурных бактерий

1.2. Фотосистема зеленых бактерий

1.3. Фотосистема цианобактерий.

1.4. Некоторые свойства компонентов природных фотосистем.

2. Искусственные фотосинтетические комплексы

2.1. Простейшие искусственные фотоантенны

2.2. Ковалентно соединенные системы

2.3. Нековалентно связанные супрамолекулярные системы
3. Методы моделирования динамики возбужденных состояний
с учетом диссипации.
3.1. Кинетический подход и теория Фрстера.
3.2. Методы на основе редуцированной матрицы плотности
3.3. Гибридные методы
II. Вероятностный подход к моделированию переноса энергии возбуждения.
1. Теоретическая модель.
2. Применение модели к фотосистемам разных структурных типов
III. Квантоводинамический подход на основе теории Редфилда
1. Теоретическая модель.
2. Модель взаимодействия молекулхромофоров.
3. Применение модели к простейшим системам
IV. Квантоводинамический подход на основе редуцированной матрицы плотности с учетом дегалыюй структуры белкового окружения.
1. Теоретическая модель.
2. Явный вид операторов взаимодействия молекулхромофоров друг
с другом, с белком и электрическим полем лазерного импульса.
3. Расчет характеристик компонентов комплекса ФМО.
4. Расчет динамики возбужденных состояний в комплексе ФМО
V. Выводы.
VI. Список литературы.
Введение
Актуальность


Показано, что наиболее выгодным расположением молекулхромофоров в фотосистеме является размещение их вблизи реакционного центра, в то время как протяженные фотоантенны являются неоптимальными. Также показано, что введение энергетического каскада в фотоантенну позволяет снизить влияние диссипации, увеличивая как квантовый выход переноса энергии возбуждения в реакционный центр, так и его скорость. Предложена основанная на теории Редфилда новая модель, позволяющая описать динамику системы молекулхромофоров, находящихся в однородной среде. Найдены аналитические выражения, связывающие элементы тензора Редфилда с параметрами среды, геометрией системы хромофоров и свойствами отдельных молекул. Предложена основанная на квантовой теории открытых систем модель, позволяющая описать динамику системы молекулхромофоров, находящихся в белковой или иной среде с заданной структурой и возбужденных сверхкоротким лазерным импульсом. Полученные динамические уравнения не содержат феноменологических параметров, а включают только геометрические параметры системы и свойства отдельных хромофоров. На основе разработанных теоретических моделей проведен качественный анализ соотношений структура фотосинтетического комплекса свойства, выявлены основные факторы, влияющие на квантовый выход и скорость переноса энергии к реакционному центру. На основе квантовой модели проведено численное моделирование диссипативной квантовой динамики фотосинтетического комплекса ФенныМэтыосаОлсона зеленых бактерий СМогоЫит ер1сат и получено согласие с экспериментальными данными. Теоретические модели, разработанные в ходе данной работы, позволяют определить основные факторы, влияющие на эффективность функционирования природных пигментпротеиновых комплексов. Результаты работы будут использованы для проведения поисковых работ, направленных на создание высокоэффективных супрамолекулярных искусственных светособирающих устройств. Личный вклад диссертанта состоит в сборе и анализе литературных данных, постановке задач, разработке путей их решения, составлении алгоритмов расчетов в рамках новых моделей, проведении квантовохимических расчетов, интерпретации полученных результатов и подготовке публикаций и докладов по теме диссертационной работы. Основные результаты работы опубликованы в печатных изданиях, в том числе 5 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов ВАК РФ, и в тезисах докладов на конференциях. ИФХЭ РАН Физикохимия нано и супрамолекулярных систем и первом международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий в м году международной конференции Динамика и структура в физике и химии, 7м Российском симпозиуме по проблемам физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах, втором Международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий, й Европейской конференции по спектроскопии биологических молекул в м году Международной конференции по наномолекулярной фотохимии и наноматериалам в зеленой энергии, Международной конференции по вычислительной физике в м году. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы из 7 наименований. Работа изложена на 8 страницах машинописного текста и включает рисунков и 3 таблицы. К фотосинтезу способны растения, а также некоторые бактерии. Глубокое изучение фотосинтеза началось в х годах и в настоящее время природа всех его стадий в целом установлена. Существует мнение, что клеточный фотосинтетический аппарат возник в результате эволюционной трансформации УФзащиты древнейших организмов 1. Процесс фотосинтеза разделен на две фазы, световую и темповую. Первая из них состоит в поглощении света и использовании его энергии для синтеза универсальных клеточных переносчиков электрона и энергии НЛДФН и АТФ. Во время второй запасенная в органофосфатах энергия расходуется на превращение углекислого газа в углеводы. Скорость этого процесса от освещенности не зависит и представляет собой последовательность химических реакций, протекающих в цитоплазме. Природа происходящих в темповой фазе реакций составляющих так называемый цикл Кэлвина, см. М. Кэлвином с сотрудниками и изложена в цикле работ i i см. Рис.