Перенос и захват энергии возбуждения у пурпурных бактерий

Перенос и захват энергии возбуждения у пурпурных бактерий Андрей Павлович Разживин Отдел фотосинтеза и флуоресцентных методов исследования НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ

Типы фотосинтеза Бесхлорофильный фотосинтез: осуществляется археями рода Halobacterium, наиболее примитивный тип фотосинтеза, кванты света поглощаются белком-бактериородопсином. Хлорофильный фотосинтез: • Аноксигенный фотосинтез осуществляется пурпурными и зелеными бактериями, а также гелиобактериями. • Оксигенный фотосинтез осуществляется растениями, цианобактериями и прохлорофитами. • Этапы фотосинтеза: • фотофизический; • фотохимический; • химический.

Фотосинтезирующие пурпурные бактерии свет 6 CO 2+6 H 2 O C 6 H 12 O 6+6 O 2 хлорофилл Ван Ниль (30 -е годы ХХ века): свет CO 2+2 H 2 A (CH 2 O)+H 2 O+2 A бактериохлорофилл Первичные (физические) процессы фотосинтеза происходят в двух структурнофункциональных частях фотосинтетического аппарата пурпурных бактерий. Это: 1. 2. фотоактивный реакционный центр (РЦ); светособирающая антенна.

Составные части фотосинтетического аппарата • Пигменты – основной – бактериохлорофилл (БХл), вспомогательные – каротиноиды • Белковый каркас • Пигмент-белковые комплексы РЦ и светособирающей антенны (прицентровый светособирающий комплекс LH 1 и периферический светособирающий комплекс LH 2). • Расположение фотосинтетического аппарата во внутренних мембранах.

Фотосинтетический аппарат во внутренней цитоплазматической мембране пурпурных бактерий РЦ и антенна – мембранные пигмент-белковые комплексы Цепь циклического переноса электронов

Модель фотосинтетической мембраны Rhodobacter sphaeroides Хроматофоры

Л. Дейзенс (L. N. M. Duysens) Р. Клейтон (R. Clayton) Х. Михель (H. Michel)

Реакционный центр и цитохром с в мембране

Фотоактивный реакционный центр пурпурных бактерий Спектр оптического поглощения РЦ пурной бактерии Rhodopseudomonas viridis • Белковые субъединицы: L, M, H и Cyt C • Пигменты: 2 БХл (димер) – «специальная пара» ; 2 мономерных БХл • 2 бактериофеофитина (Бфф); 2 молекулы хинонов (QA и QB)

Пигменты РЦ и разделение зарядов

Модель трансмембранного расположения субъединицы В 820 из LH 1 (Zuber, 1987).

• Современная модель субъединицы В 820 из LH 1 • Вид сбоку Вид сверху

Структура периферического светособирающего комплекса LH 2 из Rps. acidophila (2 A). (a) Вид сверху на мембрану. (b) Вид сбоку. Зеленый – β-апопротеин; голубой – α-apoprotein; коричневый – родопин глюкозид красный – B 850 БХл a; темно-синий – B 800 БХл a;

Структура периферического светособирающего комплекса LH 2 из Rps. acidophila (только молекулы БХл а)

Структура периферического светособирающего комплекса LH 2 из Rps. acidophila (молекулы БХл а каротиноида) • blue – B 850 Bchl a; • mauve – B 850 Bchl a; • brown – well-ordered rhodopin glucoside.

Каротиноид родопин глюкозид и ближайшие молекулы БХл в комплексе LH 2.

Структура ассоциата РЦ –LH 1 из Rps. palustrls при разрешении 4. 8 A ˚ (a) Вид сверху на мембрану. (b) Вид сбоку. зеленый – b-apoprotein; голубой – a-apoprotein; красный – B 875 БХл a; розовый – РЦ Lсубъед. ; коричн. – РЦ M - субъед. ; зеленый – пигменты РЦ; светлокрасн. – белок ‘W’.

Структура ассоциата РЦ–LH 1 из Rb. sphaeroides

Модель фотосинтетической единицы пурпурных бактерий (вид сверху)

Модель фотосинтетической единицы пурпурных бактерий (вид сбоку)

Одна из схем фотосинтетической единицы пурпурных бактерий

Другая схема фотосинтетической единицы пурпурных бактерий

Несколько общих соображений о процессах разделения зарядов в РЦ и процессах переноса энергии возбуждения в антенне • Эффективность преобразования энергии света в антенне и РЦ ~ 80 -90%. • Эффективность преобразования энергии света в РЦ = 98 ± 4%. • Радиационное время жизни БХл ~ 20 нс. Квантовый выход флуоресценции РЦ ~ 10 -4. τфлу РЦ ~ 2 пс • Время жизни флуоресценции светособирающих комплексов ~ 1000 пс. Процессы переноса энергии возбуждения в антенне завершаются за время менее 100 пс.

Перенос энергии в светособирающих комплексах пурпурных бактерий

Перенос и захват энергии у пурпурных бактерий

Перенос энергии возбуждения в дипольном приближении (по Фёрстеру)

Коллективные электронные возбуждения в светособирающих комплексах (2) (1)

Модифицированная теория Редфилда и обобщенная теория Ферстера (1) где F(t) и A(t) формы полос испускания флуоресценции донора и оптического поглощения акцепотора, соответственно, а V описывает электростатическое взаимодействие между донором и акцептором. Функция gkkkk(t) определяет уширение полосы k-го экситонного состояния из-за ваимодействя с фононами, kkkk соответствует энергии перестройки.

Модифицированная теория Редфилда и обобщенная теория Ферстера (2) (5) где Mnm – энергия, соответствующая слабому взаимодействию между локализованными сайтами n и m.

Модифицированная теория Редфилда и обобщенная теория Ферстера (3)

Модифицированная теория Редфилда и обобщенная теория Ферстера (2) (4) где gn(t) и n соответствуют функции уширения полосы и энергии перестройки n-ой молекулы, относящимся к спектральной плотности Cn( ) экситон-фононного сопряжения, T – температура, k. B – постоянная Больцмана.

Спектрально-кинетическое описание светособирающей антенны. Модель кольцевого агрегата молекул БХл в LH 1 и LH 2

Структура и экситонные спектры светособирающих комплексов LH 1 и LH 2 (Спектр оптического поглощения LH 2 из Rps acidophila при 77 К)

Структура и экситонные спектры светособирающих комплексов LH 1 и LH 2 (Влияние беспорядка)

Установление равновесного состояния в LH 1 и в полосе B 850 LH 2 (Экситонная релаксация и динамический красный сдвиг)

Перенос энергии внутри полосы B 800 -800 и между полосами B 800 -850 в LH 2

Установление равновесного состояния в LH 1 и в полосе B 850 LH 2 (экситнная и колебательная когерентности)

Схема переноса энергии возбуждения в LH 2

Квазинеобратимость захвата возбуждений РЦ из антенны (Ансамбль LH 1 -RC из Chr. minutissimum)

Спектроскопия одиночных LH 2 комплексов из Rps acidophila (293 К)

Спектроскопия одиночных LH 2 комплексов из Rps acidophila (293 К) - спектры

Спектроскопия одиночных LH 2 комплексов из Rps acidophila (293 К) – спектральные переходы

Перенос энергии, поглощаемой каротиноидами в LH 2

СПЕКТР ДВУХФОТОННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ СВЕТОСОБИРАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА LH 2 ИЗ Chromatium minutissimum

Спектры оптического поглощения и возбуждения флуоресценции периферического светособирающего комплекса LH 2 из клеток Allochromatium minutissimum дикого типа и из клеток с подавленным синтезом каротиноидов .

Двухфотонное возбуждение флуоресценции образцов (проверка)

Спектры двухфотонного возбуждения флуоресценции комплекса LH 2 All. minutissimum из клеток дикого типа и из клеток с подавленным синтезом каротиноидов

Спектры абсорбционных изменений полосы B 850 комплекса LH 2 при однофотонном (кружки) и двухфотонном (треугольники) возбуждении

Однофотонное и двухфотонное возбуждение димеров с параллельным и антипараллельным положением диполей перехода.

Однофотонное и двухфотонное возбуждение периферического светособирающего комплекса LH 2

Благодарю за внимание

Однофотонное и двухфотонное возбуждение периферического светособирающего комплекса LH 2