ИСТИНА

Конформационная гибкость фотосинтетических белков - важная структурная особенность природных фотосистем, предположительно имеющая биологическое предназначение: защита фотосинтетического комплекса от нежелательных побочных фотохимических процессов. Данная особенность фотосистем обнаружена у разнообразных фотосинтезирующих организмов - пурпурных бактерий, сине-зеленых бактерий и зеленых растений. Вероятно, это является общей чертой для всех фотосинтетических комплексов. Существующий в настоящее время массив экспериментальных данных, свидетельствующих об этом явлении, основан на спектроскопии одиночных фотосинтетических комплексов и позволяет определить лишь изменение спектральных характеристик пигментов комплекса с течением времени, однако характер конформационных изменений белка при этом остается скрытым. В то же время, информация о причинах, природе и динамике этих конформационных изменений необходима для полного понимания функционирования природных фотосинтетических устройств. Одним из способов изучения данного явления служит теоретическое моделирование конформационных изменений фотосинтетического белка, происходящих с момента поглощения фотона пигментами комплекса. В рамках данного проекта предполагается моделирование динамических процессов, происходящих после поглощения света, на основе комбинации двух методов: молекулярной динамики для белковой части фотосистемы и квантовой динамики для эволюции электронного состояния пигментов. Планируемый результат выполнения проекта - детальное описание эволюции состояния фотосинтетического белка после электронного возбуждения пигментов. Для сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными планируется расчет зависящих от времени спектральных характеристик фотосистем.

1. С помощью методов МКССП и XMCQDPT проведены расчеты электронного строения пигментов фотосинтетических комплексов - бактериохлорофилла а, хлорофилла а, хлорофилла b – в основном и первом возбужденном электронных состояниях. 2. На основании результатов п.1 проведено сравнение двух методов аппроксимации матричных элементов электростатического потенциала, создаваемого молекулой – TrESP и TrCAMM. Показано, что метод TrESP является значительно более точным и в большей степени пригоден для расчета энергии взаимодействия компонентов фотосинтетических комплексов. Также было показано, что учет изменения TrEsp-зарядов с изменением геометрии молекулы не является необходимым. 3. На основании результатов п.1 проведен расчет гессианов указанных пигментов в основном и первом возбужденном состоянии. Также для бактериохлорофилла а проведено сканирование сечения ППЭ, соответствующего повороту ацетильной группы. Результаты этих расчетов и результаты п.2 были использованы для расчета параметров силовых полей для упомянутых пигментов. 4. Разработан метод моделирования электронно-ядерной динамики в больших супрамолекулярных системах, сочетающий подход Эренфеста к описанию динамики и методологию силовых полей. 5. Для фотоантенны LH2 пурпурных бактерий проанализированы возможные причины образования метастабильных конформаций. Найдено, что электронное возбуждение бактериохлорофилла а приводит к перераспределению электронной плотности в молекуле и изменению ее жесткости. Вследствие этого происходит сближение двух молекул бактериохлорофилла и образование координационной связи между атомом магния одной из них и атомом кислорода другой. Описанный процесс является причиной существования двух метастабильных конформаций комплекса. Для данных конформаций была найдена точная геометрия с помощью комбинированных QM/MM расчетов, проведены расчеты спектров поглощения, сделаны оценки времени жизни. Найдено, что расчетные спектры конформаций согласуются с экспериментальными. Показано, что расчетное время жизни качественно согласуется с данными эксперимента для одной из найденных конформаций. 6. Для фотоантенны LH2 проведено моделирование молекулярной динамики и электронно-ядерной динамики. Найдено, что метастабильные конформации могут образовываться как при термической, так и при фотохимической активации. 7. Для фотоантенны LHCII гороха проведено моделирование молекулярной динамики и электронно-ядерной динамики. Найдено, что данный фотосинтетический комплекс является структурно подвижным: взаимное расположение и ориентация пигментов комплекса подвержена изменениям, что приводит к существованию широкого спектра конформаций комплекса. 8. Для ряда конформаций комплекса LHCII проведен расчет спектров поглощения. Найдено, что структурные изменения в комплексе вызывают существенные спектральные сдвиги, что согласуется с результатами экспериментов.