Квантово-механические модели переноса заряда в реакционных центрах фотосинтеза

• Автор: Глебов, Илья Олегович
• Шифр специальности: 02.00.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 108 с. : ил.

Первая часть работы направлена на качественное изучение роли диссипации в возбужденных электронных состояниях молекулярных систем, находящихся в белковом окружении. В ней рассмотрен ряд моделей допускающих аналитическое решение и изучено влияние параметров термостат, исходного возбуждения волнового пакета и температуры на скорость потери энергии и когерентности колебательного движения. Во второй части работы проведен численный анализ колебательной динамики в двухуровневой одномерной системе, находящейся в тепловом окружении. В расчетах использована область параметров, соответствующая экспериментальным данным для переноса электрона в модифицированном реакционном центре фотосинтетических бактерий. Для анализа вклада релаксационной составляющей в динамику реакции исследована временная зависимость заселенностей электронных состояний, средней энергии и степени когерентности при различном влиянии окружения, рассмотрены различные варианты взаимодействия реакционной системы с белковым окружением. В третьей части работы построена модель, позволяющая рассчитывать параметры взаимодействия реакционной системы с белковым окружение исходя из экспериментальных данных о геометрическом строении белка. С помощью данной модели были рассчитаны спектральные функции взаимодействия систематермостат для первичного переноса электрона в реакционном центре пурпурных бактерий. Проведены расчеты переноса электрона по двум конкурирующим направлениям и получено качественное соответствие эксперименту. II. Пурпурные бактерии являются одними из самых древних фотосинтезирующих организмов. Этот класс бактерий представлен тремя видами . Фотосинтетическая ячейка пурпурных бактерий состоит из реакционного центра РЦ, и двух фотосистем ФС I и ФС II, связанных воедино полипептидной цепью. Структура фотосинтетической ячейки, определенная с помощью ренттеноструктурного анализа, изображена на рисунке 1 4. Антенна ЬН II содержит бактериохлорофиллы двух типов, поглощающих при 0 и 0 нм, объединенных в членное кольцо нековалентными взаимодействиями, и связанные с ними нековалентными взаимодействиями каротиноиды. Кроме того, она содержит еще восемь слабо связанных бактериохлорофиллов. Антенна ЬН I состоит из бактериохлорофиллов, максимум поглощения которых приходится на 5нм . Антенны и каротиноиды являются акцепторами излучения, которое по цепи передается на реакционный центр. Роль каротиноидов сводится к
расширению спектрального диапазона и увеличению эффективности фотоантенны. Энергетическая диаграмма, огвечающая переносу возбуждения между ликопином и ЬН II, приведена на рисунке 2. Рисунок. Основным методом изучения динамики переноса энергии в фотосистемах является спектроскопия с фемтосекундным временным разрешением. С ее помощью возможно определить зависимость заселенности отдельных энергетических состояний от времени, как, например это было сделано в работе . Эксперименты, показывают, что время жизни возбужденных состояний каротиноидов в фотосистемах не превышает фс. Перенос энергии от каротинондов к хлорофиллам протекает с почти 0 эффективностью, однако, разные состояния дают различные вклады в суммарную эффективность. Так, по данным , вклад состояний не превышает благодаря внутренней конверсии, и основной вклад до вносит состояние 1Остальные состояния практически не участвуют в рассматриваемых процессах. Малое время переноса энергии с каротинондов на бактериохлорофиллы указывает на когерентный характер процесса и представляет значительный интерес с точки зрения теоретического моделирования. В противоположность этому, перенос возбуждения между бактериохлорофилламн протекает за время порядка нескольких десятков пикосекунд и представляет собой некогерентныи процесс, в котором большую роль играет взаимодействие системы с белковым окружением. Строение природных реакционных центров далее РЦ рассмотрим на примере хорошо изученных препаратов пурпурных бактерий ЮхойорьеисИотопаз зрюегоез, содержащих три белковые субъединицы. Их обозначают как Ь, М, Н легкая средняя и тяжелая соответственно .