Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул

Исследуются фотоиндуцированные изменения в структуре молекулярного комплекса реакционного центра (РЦ) пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides в процессе внутримолекулярного переноса электрона. Установлено, что после выключения возбуждающего света зависимость от времени константы скорости возвра...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Заболотный, М.А., Барабаш, Ю.М., Дмитренко, О.П., Кулиш, Н.П., Мартинчук, Э.Л., Соколов, Н.И., Прилуцкий, Ю.И., Оласюк, А.П.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76537
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул / М.А. Заболотный, Ю.М. Барабаш, О.П. Дмитренко, Н.П. Кулиш, Э.Л. Мартинчук, Н.И.Соколов, Ю.И. Прилуцкий, А.П. Оласюк // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 803-812. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-76537
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-765372015-11-02T17:24:10Z Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул Заболотный, М.А. Барабаш, Ю.М. Дмитренко, О.П. Кулиш, Н.П. Мартинчук, Э.Л. Соколов, Н.И. Прилуцкий, Ю.И. Оласюк, А.П. Исследуются фотоиндуцированные изменения в структуре молекулярного комплекса реакционного центра (РЦ) пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides в процессе внутримолекулярного переноса электрона. Установлено, что после выключения возбуждающего света зависимость от времени константы скорости возврата электрона с акцептора на донор РЦ имеет S-образный характер. Предложена трехуровневая модель электронного транспорта. Проведен анализ изменения поглощения раствора РЦ в рамках трехуровневой модели. Установлено уравнение, определяющее отношение заселенностей электронных уровней первичного и вторичного хинонов при освещении РЦ. Решение этого уравнения даже в стационарном случае не имеет больцмановского характера и зависит от интенсивности возбуждающего света. Досліджуються фотоіндуковані зміни структури молекулярного комплексу реакційного центру (РЦ) пурпурової бактерії Rhodobacter sphaeroides в процесі внутрішньомолекулярного переносу електрона. Встановлено, що після відключення збуджуючого світла залежність від часу константи швидкости повернення електрона з акцептора на донор РЦ має S-подібний характер. Запропоновано трирівневий модель електронного транспорту. Виконано аналізу зміни вбирання розчину РЦ в рамках трирівневого моделю. Одержано рівнання, що визначає відношення заселености електронних рівнів первинного й вторинного хінонів при освітленні РЦ. Розв’язок цього рівнання навіть у стаціонарному випадку не має Больцманнового характеру і залежить від інтенсивности збуджуючого світла. The photoinduced changes are studied in the structure of molecular complex of reactionary centre (RC) of Rhodobacter sphaeroides purple bacteria during intramolecular transfer of electron. As shown, after shutdown of exciting light, the time dependence of speed constant of electron return from acceptor to the donor of RC has S-type shape. The three-level model of electron transport is proposed. The analysis of RC-solution absorption change is performed within the scope of the three-level model. An equation determining the ratio of populations of electronic levels of primary and secondary quinones at illumination of RC is derived. The solution of this equation even for stationary case does not have the Boltzmann character and depends on the intensity of the exciting light. 2009 Article Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул / М.А. Заболотный, Ю.М. Барабаш, О.П. Дмитренко, Н.П. Кулиш, Э.Л. Мартинчук, Н.И.Соколов, Ю.И. Прилуцкий, А.П. Оласюк // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 803-812. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 42.50.Wk,81.07.Nb,82.30.Fi,82.39.Jn,87.15.A-,87.15.ht,87.80.Cc http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76537 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Исследуются фотоиндуцированные изменения в структуре молекулярного комплекса реакционного центра (РЦ) пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides в процессе внутримолекулярного переноса электрона. Установлено, что после выключения возбуждающего света зависимость от времени константы скорости возврата электрона с акцептора на донор РЦ имеет S-образный характер. Предложена трехуровневая модель электронного транспорта. Проведен анализ изменения поглощения раствора РЦ в рамках трехуровневой модели. Установлено уравнение, определяющее отношение заселенностей электронных уровней первичного и вторичного хинонов при освещении РЦ. Решение этого уравнения даже в стационарном случае не имеет больцмановского характера и зависит от интенсивности возбуждающего света.
format	Article
author	Заболотный, М.А. Барабаш, Ю.М. Дмитренко, О.П. Кулиш, Н.П. Мартинчук, Э.Л. Соколов, Н.И. Прилуцкий, Ю.И. Оласюк, А.П.
spellingShingle	Заболотный, М.А. Барабаш, Ю.М. Дмитренко, О.П. Кулиш, Н.П. Мартинчук, Э.Л. Соколов, Н.И. Прилуцкий, Ю.И. Оласюк, А.П. Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Заболотный, М.А. Барабаш, Ю.М. Дмитренко, О.П. Кулиш, Н.П. Мартинчук, Э.Л. Соколов, Н.И. Прилуцкий, Ю.И. Оласюк, А.П.
author_sort	Заболотный, М.А.
title	Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул
title_short	Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул
title_full	Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул
title_fullStr	Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул
title_full_unstemmed	Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул
title_sort	трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76537
citation_txt	Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул / М.А. Заболотный, Ю.М. Барабаш, О.П. Дмитренко, Н.П. Кулиш, Э.Л. Мартинчук, Н.И.Соколов, Ю.И. Прилуцкий, А.П. Оласюк // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 803-812. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT zabolotnyjma trehurovnevaâmodelʹfotoinducirovannyhstrukturnyhizmenenijvreakcionnyhcentrahbiomolekul AT barabašûm trehurovnevaâmodelʹfotoinducirovannyhstrukturnyhizmenenijvreakcionnyhcentrahbiomolekul AT dmitrenkoop trehurovnevaâmodelʹfotoinducirovannyhstrukturnyhizmenenijvreakcionnyhcentrahbiomolekul AT kulišnp trehurovnevaâmodelʹfotoinducirovannyhstrukturnyhizmenenijvreakcionnyhcentrahbiomolekul AT martinčukél trehurovnevaâmodelʹfotoinducirovannyhstrukturnyhizmenenijvreakcionnyhcentrahbiomolekul AT sokolovni trehurovnevaâmodelʹfotoinducirovannyhstrukturnyhizmenenijvreakcionnyhcentrahbiomolekul AT priluckijûi trehurovnevaâmodelʹfotoinducirovannyhstrukturnyhizmenenijvreakcionnyhcentrahbiomolekul AT olasûkap trehurovnevaâmodelʹfotoinducirovannyhstrukturnyhizmenenijvreakcionnyhcentrahbiomolekul
first_indexed	2025-07-06T00:55:45Z
last_indexed	2025-07-06T00:55:45Z
_version_	1836857001610575872
fulltext	803 PACS numbers: 42.50.Wk, 81.07.Nb, 82.30.Fi, 82.39.Jn, 87.15.A-, 87.15.ht, 87.80.Cc Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул М. А. Заболотный, Ю. М. Барабаш , О. П. Дмитренко, Н. П. Кулиш, Э. Л. Мартинчук , Н.И.Соколов*, Ю. И. Прилуцкий, А. П. Оласюк Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, ул. Владимирская, 64, 01033 Киев, Украина Институт физики НАН Украины, просп. Науки, 46, 03650 Киев, Украина Технический центр НАН Украины, ул. Покровская, 13, 04070 Киев, Украина *Национальный университет «Киево-Могилянская академия», ул. Григория Сковороды, 2, 04070 Киев, Украина Исследуются фотоиндуцированные изменения в структуре молекулярного комплекса реакционного центра (РЦ) пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides в процессе внутримолекулярного переноса электрона. Уста- новлено, что после выключения возбуждающего света зависимость от вре- мени константы скорости возврата электрона с акцептора на донор РЦ имеет S-образный характер. Предложена трехуровневая модель электрон- ного транспорта. Проведен анализ изменения поглощения раствора РЦ в рамках трехуровневой модели. Установлено уравнение, определяющее отношение заселенностей электронных уровней первичного и вторичного хинонов при освещении РЦ. Решение этого уравнения даже в стационар- ном случае не имеет больцмановского характера и зависит от интенсивно- сти возбуждающего света. Досліджуються фотоіндуковані зміни структури молекулярного комплек- су реакційного центру (РЦ) пурпурової бактерії Rhodobacter sphaeroides в процесі внутрішньомолекулярного переносу електрона. Встановлено, що після відключення збуджуючого світла залежність від часу константи швидкости повернення електрона з акцептора на донор РЦ має S-подібний характер. Запропоновано трирівневий модель електронного транспорту. Виконано аналізу зміни вбирання розчину РЦ в рамках трирівневого мо- делю. Одержано рівнання, що визначає відношення заселености електро- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 3, сс. 803—812 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 804 М. А. ЗАБОЛОТНЫЙ, Ю. М. БАРАБАШ, О. П. ДМИТРЕНКО и др. нних рівнів первинного й вторинного хінонів при освітленні РЦ. Розв’язок цього рівнання навіть у стаціонарному випадку не має Больцманнового характеру і залежить від інтенсивности збуджуючого світла. The photoinduced changes are studied in the structure of molecular complex of reactionary centre (RC) of Rhodobacter sphaeroides purple bacteria during intramolecular transfer of electron. As shown, after shutdown of exciting light, the time dependence of speed constant of electron return from acceptor to the donor of RC has S-type shape. The three-level model of electron trans- port is proposed. The analysis of RC-solution absorption change is performed within the scope of the three-level model. An equation determining the ratio of populations of electronic levels of primary and secondary quinones at illu- mination of RC is derived. The solution of this equation even for stationary case does not have the Boltzmann character and depends on the intensity of the exciting light. Ключевые слова: пурпурная бактерия Rhodobacter sphaeroides, фото- синтетический реакционный центр, трехуровневая модель внутримоле- кулярного транспорта электрона. (Получено 23 декабря 2008 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Известно, что при поглощении кванта света в РЦ происходит фото- окисление первичного донора электрона димера бактериохлорофил- ла (Р), после чего, электрон через ряд промежуточных кофакторов попадает вначале на первичный хинонный акцептор (QA), а потом на вторичный (QB) [1—3]. На каждом из кофакторов цепи переноса элек- трона, его стабилизация определяется структурно-динамической ор- ганизацией молекулярного комплекса РЦ и сопровождается струк- турными перестройками [2—5]. Информация о закономерностях оп- ределяющих характер фотостимулированных перестроек биомоле- кул имеет как самостоятельный, так и прикладной интерес. С одной стороны биоактивность макромолекулы в значительной степени оп- ределяется её структурой, а с другой – управление её конформаци- онными переходами открывает возможность их использования в мо- лекулярной электронике. В дальнейшем будут анализироваться только вопросы, возникающие при исследовании динамики элек- тронного транспорта РЦ с помощью изучения динамики оптического спектра поглощения на длине λ0 = 865 нм [1—5]. Возможность такого подхода обусловлена зависимостью скоростей обратимого переноса электрона от электронного состояния комплекса РЦ, которое изме- няется под воздействием освещения образца с РЦ возбуждающим светом с интенсивностью I. При уходе электрона с димера бактерио- хлорофилла, РЦ теряет способность поглощения света с длиной вол- ны λ0. В связи с этим изменение поглощения (ΔA) образца пропор- МОДЕЛЬ ФОТОИНДУЦИРОВАННЫХ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ 805 ционально изменению вероятности p(t) нахождения электрона на димере бактериохлорофилла в момент времени наблюдения t [2, 5]: ( ) ( )A t p tΔ ∝ . (1) При использовании соотношения (1) константа скорости воз- врата (kAD) электронов с акцептора на донор может быть опреде- лена [5] с помощью приближенного соотношения, справедливого в случае медленного изменения (kAD): Δ= − Δ 1 ( ) ( ) ( )AD d A t k t A t dt , (2) Однако до сих пор не разработана модель, позволяющая адекват- но описать внутримолекулярную динамику электрона под действи- ем возбуждающего света. Это обусловлено сложностями, связан- ными с многостадийностью процесса переноса электрона внутри комплекса РЦ и многообразием каналов перехода электрона внутри РЦ. В простейшем случае предполагали, что РЦ можно представить в виде белковой матрицы, содержащей встроенные молекулы (ре- докс-кофакторы), которые проявляют донор — акцепторные свойст- ва относительно фотовозбуждённого электрона. После поглощения кванта света электрон из димера бактериохлорофилла через ряд промежуточных кофакторов и первичный хинон QА переносится на расстояние 3—4 нм и стабилизируется на вторичном хинонном ак- цепторе QB, образовывая при этом разницу потенциалов на фотосин- тезирующей мембране. Стабилизация электрона описывается при помощи трехуровневой модели с медленно изменяющимся в про- цессе переноса электрона уровнем акцептора QB [5], энергетический уровень которого определяется поляризационными процессами в РЦ [2, 5]. Зависимость (kAD), от величины интенсивности света I, времени экспонирования образца, его температуры, типа детерген- та, используемого при получении РЦ, исследовались в литературе [2, 4, 5], однако зависимость (kAD) от времени для указанных выше параметров не была установлена. Неизученным также оставался в рамках трехуровневой модели вопрос о возможности представления экспериментально измеряемой величины kAD через константы ско- ростей элементарных процессов этой модели. Целью работы является исследование релаксационных процес- сов в РЦ в рамках трехуровневой модели, установление характе- ристик, которые могут быть определены при исследовании ре- лаксации поглощения светоэкспонированного раствора РЦ к тем- ноадаптированному состоянию, исследование особенностей отно- шения электронных заселенностей первичных и вторичных хи- нонных акцепторов в молекулярном комплексе РЦ. 806 М. А. ЗАБОЛОТНЫЙ, Ю. М. БАРАБАШ, О. П. ДМИТРЕНКО и др. 2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОД И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ РЦ В работе использовались изолированные белково-пигментные ком- плексы (реакционные центры – РЦ), выделенные на кафедре биофи- зики МГУ из фотосинтетических мембран клеток Rhodobacter sphaeroides при помощи детергента лаурилдиметиламиноксида (ЛДАО). Для обеспечения долговременной стабильности параметров РЦ использовался водный раствор 0,01 М натрий-фосфатного буфера с pH 7.2 и добавкой 0,05% детергента. Измерительная кювета имела размеры 3×5×2,5 см при толщине кварцевых стенок 1 мм. Раствор РЦ с концентрацией ∼ 10−6 М выдерживался в темноте при комнатной температуре не менее 12 часов (темноадаптированное состояние). Для измерения кинетики спектра оптического поглощения РЦ при их освещении был разработан специализированный прибор, обеспечивающий различные параметры освещения раствора РЦ под управлением персонального компьютера с одновременным измере- нием оптического поглощения образцов. Погрешность измерения оптического поглощения раствора РЦ не превышала ±0,0005 в диа- пазоне оптической плотности растворов 0—1. Спектральный диапа- зон возбуждающего светодиода перекрывал большую часть полосы поглощения «антенны» РЦ. Светоадаптированное состояние фор- мировалось при подсветке раствора РЦ импульсом света с вариаци- ей длительности и интенсивности [1—5]. Относительное количество Рис. 1. Экспериментальная зависимость изменения поглощения водного раствора комплексов РЦ, выделенных из фотосинтетических мембран клеток Rhodobacter sphaeroides после выключения в момент t = 0 возбуж- дающего света при разном времени экспозиции (1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 90, 120, 300, 600 с). Меньшим временам экспозиции соответствуют более низко расположенные кривые. МОДЕЛЬ ФОТОИНДУЦИРОВАННЫХ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ 807 центров и скорости перехода из одного состояния в другое опреде- лялись по кинетике спектра оптического поглощения (A) при λ = 865 нм. Измерялась кинетика восстановления поглощения об- разца, после выключения возбуждающего света с различной интен- сивностью и длительностью. На рисунке 1 приведены данные восстановления поглощения РЦ для одной интенсивности возбуждающего света различной длитель- ности экспонирования. Для ликвидации шумовой компоненты из- мерений, эти данные обрабатывались программным комплексом «ORIGIN» с использованием нелинейной регрессии на основе экспо- ненциальных функций с отрицательным декрементом. Результаты обработки экспериментальных данных с использованием формулы (2) приведены на рис. 2—4, где представлена кинетика константы скорости релаксации РЦ к темноадаптированному состоянию, после освещения РЦ возбуждающим светом различной интенсивности и временем экспозиции. Они показывают, что после выключения воз- буждающего света в течение 10 с поглощение образца выходит на квазистационарный режим. Перепад значений ( )0 10t t cA A= >→ уве- личивается с увеличением времени экспозиции и интенсивности воз- буждающего света. Из приведенных результатов можно сделать некоторые выводы о кинетике восстановления РЦ: 1) константа скорости возврата элек- трона сильно зависит от времени, прошедшего с момента выключе- ния света; 2) в течение первых 1—2 с значение kAD(t) максимально и слабо зависит от времени. По истечении этого временного интервала в течение приблизительно 3 секунд происходит уменьшение величи- ны kAD(t) на 2—3 порядка, после чего значение kAD остаётся практиче- ски постоянным. Такое поведение константы kAD свидетельствует о неизменности свойств РЦ в этом интервале времён. Кроме того, 0,01 0,1 1 0,01 0,1 1 10 100 1000 t exp = 1 c t exp = 600 c ñ K(t), c−1 I = 2 ìÂò/ñì2 Рис. 2. Зависимость изменения поглощения водного раствора комплексов РЦ, выделенных из фотосинтетических мембран клеток Rhodobacter sphaeroides после выключения 0 возбуждающего света при разном времени экспозиции (1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 90, 120, 300, 600 с) и І0 = 3мВт/см2. 808 М. А. ЗАБОЛОТНЫЙ, Ю. М. БАРАБАШ, О. П. ДМИТРЕНКО и др. можно отметить, что с увеличение времени экспонирования образца возбуждающим светом или увеличения его интенсивности наблюда- ется уменьшение значений kAD. Такая сложная кинетика константы скорости релаксации поглощения образца РЦ к темноадаптирован- ному состоянию требует рассмотрения трехуровневой модели пере- носа электрона в РЦ. 3. ТРЕХУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРОНА В РЦ Используем систему уравнений [5], описывающих перенос элек- трона в молекулярном комплексе РЦ: ( ) ( ) ( ) ( ),pA AP A BP B dp t k p t k q t k q t dt = − + + ( ) ( ) ( ) ( ) ( ),A PA BA B AP A AB A dq t k p t k q t k q t k q t dt = + − − (3) ( ) ( ) ( ) ( ),B AB A BA B BP B dq t k q t k q t k q t dt = − − где kij – константа скорости перехода i → j. Установлено [5], что константы скоростей перехода электрона в РЦ имеют следующий порядок величин: kAP ∝ 10 c −1, kAB ∝ 0,02—0,2 c−1, kAB ∝ 104 c −1, kAB ∝ 103 c −1. Процессы в молекуле РЦ инициируются возбуждающим светом и поэтому параметр kPA пропорционален ин- тенсивности возбуждающего света I. Система уравнений (3) должна быть дополнена соотношением [5]: ( ) ( ) ( ) 1A Bp t q t q t+ + = . (4) 0,001 0,01 0,1 1 0,001 0,1 10 1000 t exp = 1 c t exp = 600 c I = 6 ìÂò/ñì2 ñ K(t), c−1 Рис. 3. Зависимость изменения поглощения водного раствора комплексов РЦ, выделенных из фотосинтетических мембран клеток Rhodobacter sphaeroides после выключения возбуждающего света при разных временах экспозиции (1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 90 с) и І = 6мВт/см2. МОДЕЛЬ ФОТОИНДУЦИРОВАННЫХ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ 809 Рассмотрим отношение заселённостей электрона между QА и QВ f(t) в следующем виде: ( ) ( ) ( ) A B q t f t q t = . (5) Использование этой величины и второго из уравнений (3) позво- ляет записать: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ).B B PA BA B AP AB B dq t df t f t q t k p t k q t k k f t q t dt dt + = + − + (6) Учитывая (6), а также последнее из уравнений (3), получаем уравнение для отношения вероятностей нахождения неравновес- ного электрона на QА и QВ: ( ) ( ) [ ( ) ] ( ) ( ) ( ). ( )AB BA BP PA BA AP AB B df t p t k f t k k f t k k k k f t dt q t − − + = + − + (7) Из (7) вытекает, что при освещении образца даже в стационарном случае отношение заселённостей электрона между QА и QВ зави- сит от I и не описываться соотношением Больцмана. Вид уравнения (7) упрощается в случае отсутствия возбуж- дающего света (kPA = 0), и оно тогда запишется: 2( ) ( ) ( ) ( ).BA BA BP AP AB AB df t k k k k k f t k f t dt = + + − − − (8) Для решения уравнения (8) необходимо указать значения f(t) в некоторый (начальный) момент времени. Сравнение решения урав- нения (8) и его линеаризированного варианта (т.е. без учета послед- него слагаемого в правой части (8)) показывает, что в случае рас- смотрения области времен релаксации f(t) больших 10−3 с при ука- занных выше значениях констант скоростей переходов вместо уравнения (8) (с точностью 0,1% не хуже) можно использовать со- отношение: 0 ( ) ( )BA BA BP AP ABk k k k k f t= + + − − , (9) из которого следует: ( ) .BA AP AB BA BP k f t k k k k = + − − (10) При сделанных предположениях, используя данные о величинах kij, зависимость (10) является достаточно точной по истечении вре- мени ∼ 10−3 с после выключения экспонирования образца возбуж- 810 М. А. ЗАБОЛОТНЫЙ, Ю. М. БАРАБАШ, О. П. ДМИТРЕНКО и др. дающим светом. Проводя дальнейшие упрощения, отношение электронных заселенностей уровней QB и QА можно представить в следующем виде: ( ) BA AB k f t k = и ( ) ( )BA A B AB k q t q t k = . (11) Используем соотношение (11) при анализе первого из уравнений (3), записанного для случая отсутствия возбуждающего света (kPA = 0) и уравнения (4). Тогда эти уравнения можно записать так: ( ) ( ) , ( ) ( ),AP BA AB BP AP A BP B B AB k k k kdp t k q t k q t q t dt k + = + = (12) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1BA BA AB B B B AB AB k k k p t q t q t p t q t k k + + + = + = . (13) Для РЦ характерным является следующее соотношение kAB ∝ 104 c−1 >> kBA ∝ 103 c−1; следовательно, вместо (13) можно ис- пользовать: ( ) ( ) 1Bp t q t+ = , (14) что позволяет уравнение (12) переписать следующим образом: ( ) (1 ( )).AP BA AB BP AB k k k kdp t p t dt k + = − (15) Уравнение (15) в совокупности с начальным условием p(t = 0) = p0 описывает кинетику системы РЦ после выключения возбуждающе- 0,01 0,1 1 0,001 0,1 10 1000 t exp = 1 c t exp = 600 c ñ K(t), c−1 I = 20 ìÂò/ñì2 Рис. 4. Зависимость изменения поглощения водного раствора комплексов РЦ, выделенных из фотосинтетических мембран клеток Rhodobacter sphaeroides после выключения возбуждающего света при разных временах экспозиции (1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 90, 120, 300,600 с)и І = 20 мВт/см 2. МОДЕЛЬ ФОТОИНДУЦИРОВАННЫХ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ 811 го света. Параметр р0, определяется заселённостью донора электро- нов в момент выключения света. Эти соотношения обуславливают возможность описания трехуровневой системы восстановления РЦ как двухуровневой системы при использовании временных интер- валов больших 0,001 с. В этом случае константа (kAD) скорости пе- рехода электрона с акцептора (динамическое объединение QА и QВ) на донор определяется выражением: .AP BA AB BP AD AB k k k k k k + = (16) Таким образом, для исследования динамики релаксации по- глощения раствора РЦ можно использовать уравнение: ( ) ( )(1 ( ))AD dp t k t p t dt = − . (17) Вид константы скорости возврата электрона на донор kAD опреде- ляется соотношением (16) с начальным условием p0. Таким обра- зом, величины kAD и p0 являются единственными характеристика- ми, которые могут быть определены из экспериментов по исследо- ванию релаксации поглощения раствора РЦ, после прекращения освещения РЦ возбуждающим светом. При сделанных предполо- жениях задача становится эквивалентной системе уравнений, опи- сывающих двухуровневую систему [2, 5]. Повторение проведенного анализа в случае I ≠ 0, показывает, что кинетику электронной засе- ленности p можно описать уравнением: ( ) ( ) ( )(1 ( ))AD dp t I p t k t p t dt = − α + − , (18) где α – коэффициент экстинкции, в экспериментально исследуемой области интенсивностей света (не превышающей 20 Вт/м 2) практиче- ски не зависит от интенсивности I, а коэффициент kAD в этом случае может быть определен с помощью уравнения (8). Дополнительным предположением является допущение о том, что коэффициент экс- тинкции не зависит от времени [5]. Таким образом, в рассматривае- мой модели особенности кинетики РЦ описываются с помощью кон- станты скорости обратных переходов, зависящих от времени. Процессы, происходящие в комплексе РЦ при выключении ос- вещения, описываются уравнением (18) с начальным условием p(t = 0) = p0. Представление (18) было использовано при обработке полученных экспериментальных данных, полученных при иссле- довании кинетики восстановления поглощения света на длине вол- ны 865 нм образцов, содержащих РЦ. Для использования приве- денной информации о поведении kAD для изучения констант скоро- стей переходов kij необходима дополнительная информация о про- 812 М. А. ЗАБОЛОТНЫЙ, Ю. М. БАРАБАШ, О. П. ДМИТРЕНКО и др. цессах электронного транспорта в РЦ. 4. ВЫВОДЫ. 1. Установлена существенная зависимость от времени константы скорости перехода электрона с акцептора на донор при выключен- ном возбуждающем свете, что характерно для диффузионно- контролируемых процессов. 2. В течение первых 0,1—2 с значение константы скорости перехо- дов электронов максимально и практически не зависит от времени, по истечении этого временного интервала за время ∼ 1—3 секунд происходит уменьшение величины константы на 2—3 порядка, по- сле чего значение константы скорости переходов электронов остаёт- ся практически постоянным, что говорит о неизменности свойств РЦ в этом интервале времён. 3. Трехуровневая модель РЦ позволила установить: а) что отношение стационарных электронных заселенностей уровней первичных и вторичных хинонов QА и QВ при включенном возбуждающем свете не описывается соотношением Больцмана и зависит от интенсивности света; б) комбинацию констант скоростей процессов проходящих в РЦ, которая экспериментально определяется при исследовании кинети- ки поглощения образца после выключения экспонирующего света. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. J. M. Olson and J. P. Trornber, Membrane Proteins in Energy Transduction (Ed. R. A. Capaldi) (New York: Marcel Dekker: 1978), p. 279. 2. А. Б. Рубин, Биофизика (Москва: Московский университет: 2000). 3. В. А. Шувалов, В. А. Климов, Биофизика, 32, вып. 5: 814 (1987). 4. М. А. Заболотный, Е. А. Андреев, Ю. М. Барабаш, Е. Л. Мартинчук, А. И. Соколов, Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології, 6, вип. 1: 277 (2008). 5. A. O. Goushcha, V. N. Kharkyanen, G. W. Scott, R. Alfred, and A. R. Holzwarth, Biophysical Journal, 79: 1237 (2000).

Трехуровневая модель фотоиндуцированных структурных изменений в реакционных центрах биомолекул

Institution

Ähnliche Einträge