Перенос энергии и регуляция светосбора при фотосинтезе: от микроскопических моделей одиночных комплексов к макродинамике возбуждений в мембране НИР

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2009 г.-31 декабря 2009 г. Перенос энергии и регуляция светосбора при фотосинтезе: от микроскопических моделей одиночных комплексов к макродинамике возбуждений в мембране
Результаты этапа: Теоретически и экспериментально исследованы процессы переноса энергии в фотосинтетическом антенном комплексе фикоэритрин 545 (PE545) и в основном светособирающем комплексе высших растений (LHCII), а также процессы первичного разделения зарядов в изолированных реакционных центрах второй фотосистемы (PSII-RC). Эксперименты проведены с помощью нелинейной фемтосекундной спектроскопии с возбуждением и зондированием, а моделирование экситонных спектров и релаксационных процессов выполнено с помощью модифицированной теории Редфилда и комбинированной теории Фёрстера-Редфилда. Предложена экситонная модель для комплекса PE545, которая впервые позволила количественно объяснить линейные спектры (включая спектры поглощения, флуоресценции, поляризации флуоресценции и кругового дихроизма при 77К и 300К) и кинетики фотоиндуцированных изменений поглощения. В результате моделирования была выяснена природа 8 экситонных уровней оптических спектров и определены скорости переноса между ними. Это дало возможность построить полную картину динамики возбуждений внутри комплекса. Показано, что первичное разделение зарядов в PSII-RC идет по двум каналам: (1) от мономерного хлорофилла (Хл) к феофетину с постоянной времени 700 фс и (2) от спецпары к мономерному Хл с постоянной времени 3 пс. Образование следующей радикал пары (Хл спецпары-феофетин) происходит в обоих каналах за времена порядка 20 пс. Для тримерного комплекса LHCII исследован вопрос о конкуренции процессов релаксации внутри мономера и процессов миграции между мономерами. Показано, что обмен энергии между мономерными субъединицами (с временами 5-10 и 15-20 пс) идет медленнее чем конверсия Хл б-Хл а, но быстрее чем установление равновесия между спектральными формами Хл а внутри мономера.
2 1 января 2010 г.-31 декабря 2010 г. Перенос энергии и регуляция светосбора при фотосинтезе: от микроскопических моделей одиночных комплексов к макродинамике возбуждений в мембране
Результаты этапа: Теоретически и экспериментально исследованы процессы переноса энергии в антенных субъединицах второй фотосистемы высших растений и билипротеиновых комплексах фикоэритрин PE545 и фикоцианин PС645. Предложены экситонные модели для комплексов PE545 и PС645, позволяющие объяснить линейные и нелинейные спектральные отклики, включая динамику долгоживущих квантовых когерентностей. На базе теории Фёрстера-Редфилда проведено количественное моделирование динамики возбуждений внутри тримеров LHCII, а также миграции энергии от LHCII к прицентровому комплексу CP47-CP43-RC и первичных стадий разделения зарядов. Показано, что в тримерных комплексах LHCII наряду с быстрой экситонной релаксацией присутствуют каналы медленной миграции как между мономерами, так и внутри мономерных субъединиц. При этом медленная внутри-мономерная миграция может существенно влиять на процессы переноса от мономера LHCII к ближайшим антенным субъединицам (CP26, CP29, CP47, CP43). С другой стороны, миграция между мономерами, несмотря на относительно невысокую скорость, все же обеспечивает эффективную доставку энергии на соседние прицентровые комплексы через любую из трех субъединиц LHCII. Получено количественное объяснение спектральных флуктуаций в одиночных комлексах LHCII. Показано, что красные и голубые сдвиги, сопровождающиеся характерными изменениями формы линии, обусловлены изменением степени делокализации низших экситонных состояний из-за конформаций комплекса. Разработан физический подход, позволяющий описывать состояния с аномально большим красным сдвигом из-за смешивания возбужденных состояний и состояний с разделенными зарядами (на базе метода иерархических уравнений с учетом экситонных эффектов и реорганизационной динамики фононов).
3 1 января 2011 г.-31 декабря 2011 г. Перенос энергии и регуляция светосбора при фотосинтезе: от микроскопических моделей одиночных комплексов к макродинамике возбуждений в мембране
Результаты этапа: Методами нелинейной оптической спектроскопии (включая метод двумерного (2D) фотонного эха) исследованы процессы переноса энергии в антенных субъединицах второй фотосистемы высших растений и в антенных комплексах из фикобилисом криптофитовых водорослей. Предложены экситонные модели для билипротеиновых комплексов фикоэритрин PE545 и фикоцианин PС645, позволяющие объяснить линейные и нелинейные спектральные отклики с помощью теории Редфилда, а также определить характерные времена и пути переноса энергии. Проведено моделирование процессов переноса энергии и тушения во второй фотосистеме на основе микроскопического описания миграции коллективных возбужденных состояний и их диссипации в локальных тушащих центрах. На базе теории Фёрстера-Редфилда (с одновременным фиттингом всех имеющихся стационарных спектров и кинетик) получена полная картина динамики возбуждений внутри светособирающих комплексов LHCII (с учетом тушащих состояний), а также миграции энергии от LHCII к прицентровому комплексу CP47-CP43-RC и первичных стадий разделения зарядов. Проведены эксперименты по измерению спектральных флуктуаций в одиночных комплексах LHCII, вызванных конформационными изменениями, включая тушащие конформации. Показано, что различные типы конформаций сопровождаются характерными сдвигами спектров из-за изменений степени делокализации экситонных состояний. При этом тушащие состояния характеризуются аномально большим красным сдвигом из-за смешивания возбужденных состояний с состояниями с разделенными зарядами. Определение физической природы и локализации тушащих центров позволило впервые перейти от феноменологического описания динамики тушения в LHCII к количественному микроскопическому моделированию процесса. Проведены исследования процессов переноса энергии и разделения зарядов во второй фотосистеме с помощью 2D фотонного эха. С помощью предложенного нами метода измерения 2D-анизотропии удалось наблюдать электронные квантовые биения в прицентровых пигментах и впервые зарегистрировать процесс когерентного переноса электрона, включающий как вибронную, так и электронную когерентность. Показано, что когерентность играет ключевую роль в создании направленного движения электрона по различным каналам разделения зарядов, которые сосуществуют в реакционном центре второй фотосистемы.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".