ИСТИНА

Создан эффективный неэмпирический метод расчета оптических спектров биологических хромофоров фоторецепторных и флуоресцентных белков в различном окружении: в изолированном молекулярном состоянии, в растворе и в белковой матрице. Разработанный подход позволяет с высокой точностью получать количественные оценки энергий вертикальных электронных переходов хромофоров и исследовать влияние окружения на максимумы полос поглощения органических хромофоров в конденсированных средах. В связи с этим предложенный новый метод является наиболее перспективным для предсказания и направленной регуляции фотофизических свойств фотоактивных белков путем модификации локального окружения хромофора в белковой матрице in silico, а также для установления механизмов их функционирования в живых системах. Впервые установлено, что в случае нейтрального хромофора зеленого флуоресцентного белка всего одна водородная связь существенным образом влияет на топологию поверхности потенциальной энергии основного электронного состояния, что в свою очередь приводит к резкому изменению фотофизических свойств хромофора вследствие прототропного таутомеризма, который меняет его электронную структуру. Исследовано влияние пара- и мета-заместителей на характер и энергию низколежащих электронных переходов в природном хромофоре зеленого флуоресцентного белка в газовой фазе и водном растворе. В рамках данной работы впервые предсказано аномальное поглощение аниона мета-хромофора, проявляющееся в существенном сдвиге энергии S0-S1 перехода в красную область и его низкой интенсивности. Темное низколежащее состояние играет ключевую роль в динамике релаксации оптически разрешенного электронно-возбужденного состояния хромофора и ответственно за тушение флуоресценции в растворе и газовой фазе. Для нейтральной формы хромофора «мета-эффект» проявляется в значительном усилении кислотных свойств гидроксильной группы мета-хромофора в возбужденном состоянии. При этом процесс переноса протона на растворитель является неадиабатическим и происходит в области конического пересечения светлого и темного возбужденных состояний. Установлено, что фотоиндуцированная автоионизация изолированных анионов хромофоров зеленого флуоресцентного белка связана с резонансными вибронными переходами в квазисвязанные возбужденные валентные состояния аниона, характеризующимися большой силой осциллятора. Показано, что профиль фотопоглощения для S0-S1 и S0-S2 электронных переходов в изолированном хромофоре зрительного фоторецепторного белка родопсина сильно зависит от температуры, при этом существенный вклад в спектр дают структуры, отвечающие неравновесной ядерной конфигурации. Отличительной чертой фотофизических свойств самого хромофора является широкий диапазон поглощения вследствие существования внутреннего заторможенного вращения, влияющего существенным образом на сопряжение в системе. Одним из способов направленного изменения энергии перехода хромофорной группы является фиксация оптимального значения угла поворота иононового кольца в белковом окружении различных зрительных пигментов. В рамках разработанного комбинированного подхода исследован первичный процесс в фотоцикле белка зрительной рецепции родопсина и механизм разгорающейся флуоресценции в фотоактивируемом белке asFP595. Впервые показано, что первичным продуктом как фотоиндуцированной, так и спонтанной реакции цис-транс изомеризации хромофорной группы, проходящей при термической активации на поверхности основного электронного состояния и определяющей предел чувствительности зрительной рецепции, является батородопсин. Впервые установлен бирадикальный характер механизма спонтанной изомеризации, в то время как механизм фотоиндуцированной реакции, проходящей через первое возбужденное электронное состояние, имеет ионный характер. Первый короткоживущий фотопродукт на поверхности основного электронного состояния в белке – фотородопсин, зафиксированный экспериментально методами фемтосекундной спектроскопии, отвечает также ионной структуре хромофора. Впервые установлено, что колебательная прогрессия в фотоиндуцированном спектре поглощения темной формы белка asFP595 отвечает плоскому деформационному колебанию, локализованному на мостиковом фрагменте и отвечающему за динамику первичного процесса релаксации в белке asFP595 при его фотовозбуждении. Для темной формы белка найдены два канала безызлучательной релаксации в основное электронное состояние, отвечающие возврату системы в исходное нефлуоресцирующее состояние. Активной флуоресцирующей форме белка отвечает анионная форма цис-изомера хромофора.