Введение к работе
Актуальность проблемы. Фотосинтез является глобальным биологическим процессом, ответственным за преобразование солнечной энергии -в энергию химических связей и синтез органических соединений. Естественный фотосинтез может рассматриваться как прообраз технических преобразователей солнечной энергии, альтернативных полупроводниковым солнечным батареям. Исследования физико-химических принципов и структурной организации фотосинтетического аппарата, определяицих его высокую эффективность, представляют несомненный фундаментальный и практический интерес.
В ходе первичных стадий фотосинтеза происходит поглощение кванта света молекулами (боктерио)хлорофилла и перенос энергии электронного возбуждения на реакционные центры, где она преобразуется в химическую. Высокая эффективность преобразования энергии в природном фотосинтезе определяется структурой агрегированных форм молекул хлорофилла в светособирающих комплексах и их оптимальным сопряжением с реакционным центром (РЦ).
До сих пор не существовало адекватной и общепринятой теории, описывающей динамику возбуждений в светособирапцей антенне и их перенос на РЦ. в традиционных моделях процессы переноса энергии описываются как миграция локализованных возбуждений. Однако в последнее время появляется все больше экспериментальных, данных, не совместимых с такими представлениями.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является развитие новой концепции переноса и захвата энергии возбуждения при фотосинтезе. Физической основой этой концепции является представление о делокализованных экситонах в больших высоко упорядоченных агрегатах светособирающих пигментов. Решались следующие задачи:
-
Поиск пространственных моделей для агрегированных форм молекул бактериохлорофилла (БХл) в антенне фотостатезирупцих бактерий, позволяющих объяснить известные спектральные данные на основе экситонной теории.
-
Создание теории переноса энергии для предложенных моделей бактериальных антенн на базе представлений о миграции делокализо-ванных экситонов между антенными субъединицами.
-
Разработка экспериментальных методик для прямого доказа-
тельства делокализации экситона и экспериментальная проверка предложенных моделей.
Научная новизна и практическая ценность работы. Предложена модель делокализованного экситона в кольцевом агрегате молекул БХл, позволяющая объяснить структуру стационарных и пикосекундных спектров поглощения и спектров выжигания провала для антенны пурпурных бактерий. Модель позволила непротиворечиво интерпретировать ряд особенностей этих спектров, не объяснимых в рамках традиционной г модели локализованных возбуждений.
Разработана уникальная методика для прямого определения эффективного радиуса делокализации экситона с помощью нелинейной спектроскопии возбуждения и зондирования, и выполнены эксперименты, доказывающие делокализации экситона по всем молекулам прицен-тровой антенны для ряда пурпурных бактерий.
Разработана теория переноса энергии между кластерами из сильно взаимодействующих молекул, и рассчитаны кинетические зависимости для переноса энергии от антенны к РЦ у пурпурных бактерий в рамках модели кольцевого экситона.
Рассчитаны углы ориентации молекул БХл в кольцевом агрегате, оптимальные с точки зрения переноса энергии на РЦ. Наличие высокосимметричной кольцевой структуры и предсказанные ориентации молекул БХл были впоследствии подтверждены рентгеноструктурныыи данными.
Создана теория экситон-фэнонных взаимодействий для кольцевых агрегатов, и рассчитаны спектры выжигания провала в антенне пурпурных бактерий при произвольной величине экситон-фононной связи. Исследованы изменения формы спектров поглощения и спектров провала при переходе от предела свободного экситона к случаю автолока-лизованного экситона.
Разработана экситонная теория спектров кольцевого агрегата с учетом спектральной неоднородности молекул и отклонений от симметричного расположения молекул на кольце. Рассчитаны спектры антенны для экспериментальных значений спектрального беспорядка и для расположения молекул, соответствупцего рентгеноструктурным данным.
Предложена новая модель делокализованного экситона в цилиндрическом агрегате молекул БХл в хлоросомах зеленых бактерий. В
основу модели положены уникальные данные о линиях электронных переходов в'спектре выжигания провала, противоречащие ранее предлагавшимся моделям хлоросомальной антенны.
Создана теория экситон-фононных взаимодействий и теория спектров выжигания провала для ассоциатов из линейных цепочек молекул в пределе слабой экситон-фэнонной связи (включая случаи изолированной цепочки и цилиндрического ассоциата с плотной упаковкой линейных цепочек).
Для предложенной модели цилиндрического экситона разработана теория переноса энергии в хлоросомах зеленых бактерий. Впервые теоретически и экспериментально исследована зависимость пикосе-кундных кинетик затухания флуоресценции светосоСираодего БХл от размера хлоросомы.
Проведенный цикл теоретических и экспериментальных исследований важен для понимания физических принципов переноса энергии и принципов структурной организации светособиравдих систем, обусловливающих высокую эффективность естественного фотосинтеза и целесообразных с точки зрения их реализации в искусственных системах .
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на iv-ой Международной Конференции "Применение лазеров в науках о жизни" (Юваскюла, Финляндия, 1992), на Международной школе по биоэнергетике (Саутсгемптон, Англия, 1992), на v-ой Международной Конференции "Применение лазеров в науках о жизни" (Минск, Беларусь, 1994), на Рабочем Симпозиуме Европейского Научного Фонда по све-тосооиравдим системам (Нант, Франция, 1995), на х-ом Международном Конгрессе по фотосинтезу (Монпелье, Франция, 1995), а также на семинарах НИИ Физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского МГУ и кафедры биофизики биологического факультета МГУ.