Динамика фотосистемы 1 и фотосистемы 2 в фемто- и пикосекундной шкале времен тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Шелаев, Иван Викторович

• Шелаев, Иван Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шелаев, Иван Викторович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Электрон-транспортная цепь в процессе фотосинтеза.

1.2.1 Строение ФС1.

1.2.2 Спектроскопические исследования ФС1.

1.3.1 Строение ФС2.

1.3.2 Спектроскопические исследования ФС2.

1.4 Когерентное управление в фотосинтетических системах.

Глава 2. Экспериментальная часть.

2.1 Система регистрации спектров фотоиндуцированного поглощения.

2.2 Методика коррекции спектров фотоиндуцированного поглощения.

2.3 Система управления амплитудно-фазовыми характеристиками возбуждающего импульса.

2.4 Образцы ФС1 и ФС2 в фемтосекундных исследованиях.

Глава 3. Результаты исследования ФС1.

3.1 Фемтосекундная динамика ФС1 при возбуждении 670 и 700 нм.

3.2 Фемтосекундная динамика ФС1 при возбуждении 720 нм.

3.3 Фемтосекундная динамика мутантных штаммов ФС1.

3.4 Когерентный механизм разделения зарядов в РЦ ФС1.

3.5 Когерентное управление процессами в ФС1.

Глава 4. Результаты исследования ФС 2.

Фемтосекундная динамика изолированного РЦ ФС2.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика фотосистемы 1 и фотосистемы 2 в фемто- и пикосекундной шкале времен»

Развитие современной химии и биологии тесно связано с изучением сверхбыстрых процессов, происходящих в фемтосекундной шкале времен. Инструментом, с помощью которого возможно исследование сверхбыстрой динамики в биологических и химических системах, является фемтосекундная лазерная спектроскопия. В последние годы развитие фемтосекундной лазерной техники позволило повысить временное разрешение в разы, что дало возможность изучать процессы, протекающие за десятки фемтосекунд. Существенной особенностью протекания реакций под действием световых фемтосекундных импульсов является то, что реакции могут протекать в когерентном режиме. В этом режиме, манипулируя амплитудно-фазовыми характеристиками, можно осуществлять когерентное управление динамикой процессов, влиять на выход интермедиатов.

Самый известный и важный процесс, происходящий в природе под действием света, является фотосинтез. В этом процессе используются неисчерпаемый источник энергии — солнечный свет и неисчерпаемый донор электронов - вода. Первичные процессы этого удивительного явления протекают в фотосинтетических системах: фотосистеме 1 (ФС1) и фотосистеме 2 (ФС2). Принцип работы фотосистем может быть использован в самых различных разработках: в преобразовании солнечной энергии в электрическую энергию, в производстве топлива, такого как водород, в производстве биологически активных соединений, таких как НАДФН, НАДН и т.д.

Возможность использования фотосистем при решении тех или иных задач подразумевает хорошее понимание процессов, происходящих внутри самих этих белковых комплексов. К сожалению, на сегодняшний день отсутствует однозначное представление о динамике и механизмах процессов, идущих внутри реакционных центрах фотосистем, о природе первичного донора электрона, о механизме работы светособирающей антенны, передающей возбуждение на реакционный центр (РЦ), о степени асимметрии переноса электрона по симметричным ветвям редокс-кофакторов в ФС1.

Причина разногласий в большинстве случаев лежит в сложности интерпретации экспериментальных данных. Так в ФС1 РЦ и антенный комплекс неотделимы друг от друга, и, кроме того, поглощают в одной спектральной области, что затрудняет расшифровку фемтосекундных данных. В ФС2 возможно выделить отдельно РЦ, но она является нестабильной при комнатной температуре.

Решить эти проблемы возможно, повышая временное разрешение фемтосекундных исследований, модернизируя методики измерений, а так же изучая динамику при перестройке несущей длины волны возбуждающего импульса. Именно такой подход к исследованию процессов в ФС1 и ФС2 реализуется в представленной диссертационной работе.

Цели и задачи:

1. Получить экспериментальные данные по динамике фотоиндуцированного поглощения для ФС1 и ФС2 в фемто- и пикосекундном масштабе времен.

2. Разработать методику отделения динамики реакционного центра ФС1 от динамики переноса энергии возбуждения в светособирающей антенне.

3. На основе экспериментальных данных предложить механизм первичных фотохимических процессов, протекающих в реакционных центрах ФС1 и ФС2.

4. Исследовать степень асимметрии переноса электрона по симметричным ветвям редокс-кофакторов в реакционном центре ФС1 БупескосузИз яр. РСС 6803, путем изучения динамики в мутантных штаммах с заменами лигандов к первичному акцептору Ао в каждой из ветвей редокс-кофакторов.

5. Исследовать влияние фазовых и амплитудных характеристик возбуждающего фемтосекундного импульса на динамику ФС1.

В представленной работе получены экспериментальные данные с более высоким временным разрешением, чем в аналогичных фемтосекундных исследованиях, описываемых в литературе. Кроме того, сдвиг несущей длины волны возбуждающего импульса в красную область позволил выделить динамику первичных процессов в реакционном центре ФС1 и ФС2. Это позволило обнаружить быстрое разделение заряда в РЦ ФС1. На основе данных предложен механизм такого быстрого процесса. В работе так же получены данные об активности ветвей электрон-транспортной цепи в РЦ ФС1.

Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка цитируемой литературы.

Первая глава диссертации является обзором научной литературы по тематике исследования. В первой части этой главы кратко изложены общие вопросы, касающиеся процесса фотосинтеза. Затем изложены современные представления о структуре ФС1 на молекулярном уровне и литературные данные по спектроскопическим и фемтосекундным исследованиям ФС1. Так же представлены данные о строении ФС2 и ее спектроскопии. В конце главы изложены общие понятия о когерентном управлении и литературные данные по управлению процессами, протекающими в биологических системах.

Во второй главе описывается экспериментальная установка, методика обработки экспериментальных данных, а также принцип работы амплитудно-фазового модулятора фемтосекундных импульсов и параметры исследуемых образцов ФС1 и ФС2.

Третья глава диссертации посвящена исследованию динамики первичных процессов ФС1, протекающих в РЦ и антенном комплексе при возбуждении фемтосекундными импульсами с несущими длинами волн 700 и 670 нм, а так же 720 нм. Кроме того, здесь представлены результаты исследования влияния амплитудно-фазовых характеристик возбуждающего импульса на процессы в ФС1. Приведены результаты изучения динамики мутантных штаммов ФС1 M688LPsaA (AML) и M668LPsaB (BML). Предложен механизм первичных процессов в РЦ ФС1.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию динамики первичных процессов в изолированном реакционном центре ФС2, выделенной из шпината.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В конце диссертации приводится список цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Шелаев, Иван Викторович

Выводы:

1. Обнаружено быстрое разделение заряда в РЦ ФС1 за <100 фс при возбуждении фемтосекундным импульсом с несущей длиной волны 720 нм и длительностью 22 фс.

2. Предложен механизм первичных процессов в РЦ ФС1 и определены характерные времена процессов передачи энергии от антенны на РЦ (~5 пс) и образования второй ион-радикальной пары Р700+А1 (26 пс).

3. Показано, что точечная мутация аксиального лиганда к хлорофиллу Ао в ветви А цепи переноса электрона ФС1 приводит к большему замедлению процессов в РЦ, чем аналогичная мутация в ветви В, что указывает на их неэквивалентность.

4. Показано, что быстрое разделение заряда может происходить вследствие когерентного электронно-колебательного волнового пакета, создаваемого возбуждающим импульсом на энергетических уровнях Р700* и Ао*.

5. Установлено влияние фазовых характеристик возбуждающего импульса как на динамику антенного комплекса, так и на динамику процессов в РЦ ФС1. А так же предложена гипотеза о когерентном управлении вкладом двух ветвей в процесс переноса электрона в РЦ путем фазовой модуляции импульса.

Глава 4 Результаты исследования ФС2

Фемтосекундная динамика изолированного РЦ ФС2.

Исследование ФС2, являющейся одной из основных звеньев в процессе фотосинтеза наравне с ФС1, состояло в изучении фемтосекундной динамики первичных процессов, происходящих в РЦ ФС2 (ТЛ/1Ш/Су1 Ь559). Хотя БШШ/Су! Ь559 РЦ содержит минимальное число кофакторов (шесть хлорофиллов и два феофитина), динамика передачи энергии между хромофорами, а также кинетика и механизм первичного разделения заряда в РЦ до сих пор плохо изучены, как было отмечено ранее в главе 1. Затруднение, главным образом, вызвано тем, что в полосе крайне трудно отделить возбужденное состояние от состояния с разделенными зарядами. Также, установление быстрого равновесия между возбужденными состояниями, между возбужденным состоянием и состоянием с разделенными зарядами и между состояниями с разделенными зарядами создает трудности в определении внутренних констант скоростей для процесса разделения зарядов.

Особая проблема интерпретации данных заключается в вопросе о природе первичного донора электрона в РЦ ФС2, который обсуждался в главе 1. Следует еще раз отметить, что внутренняя скорость разделения зарядов в РЦ ФС2 по литературным данным сильно варьируется в зависимости от длины волны возбуждения и температуры [81].

Возбуждение изолированного РЦ ФС2 проводилось фемтосекундным импульсом с несущей длиной волны 700 нм, длительностью 20 фс и энергией 100 нДж. Главная цель такого возбуждающего фемтосекундного импульса на длине волны 700 нм заключалась в минимизации возбуждения пигментов, поглощающих на длине волны 670 нм.

Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

400 450 500 550 600 650 700 Длина волны (нм)

Рис. 37. Динамика спектров фотоиндуцированного поглощения изолированных РЦ ФС2 при температуре 278 К при возбуждении импульсом с несущей длиной волны 700 нм и длительностью 20 фс.

На рис. 37 представлена динамика спектров фотоиндуцированного поглощения изолированных РЦ ФС2 при температуре 278 К и при задержках от 0,1 пс до 28,5 пс. Как видно на рис. 37, основные изменения происходят вблизи 430 и 682 нм, полосы Соре и Qy соответственно. Помимо выцветания молекул Chl/Pheo в полосе Qy присутствует и стимулированное излучение.

Выцветание Pheo в полосе Qx на длине волны 545 нм присутствует уже на самых ранних временах (0,1-0,2 пс) и сохраняется до 28,5 пс (самой большой задержке в данном исследовании). Амплитуда выцветания на длине волны 545 нм остается постоянной на протяжении всего эксперимента. Это позволяет предположить, что возбужденное состояние РЦ включает частично I и Pheo*oi,d2, что, затем, переходит в состояние с разделенными зарядами P680'PheoDf, с похожим выцветанием на 545 нм. Следует отметить, что выцветание узкой полосы РИео на 510 нм увеличивается, а вблизи 420 нм — уменьшается в пикосекундном масштабе времен, что указывает на переход из состояния (РЬеощ/РЬеот)* в состояние (РЬео01)-.

Время задержки (пс)

Рис. 38. Кинетическая кривая РЦ ФС2 на 665 нм при температуре 278 К и при возбуждении импульсом с несущей длиной волны 700 нм.

На рис. 38 показана кинетическая кривая на длине волны 665 нм, демонстрирующая быстрое выцветание в течение первых 2,5 пс с последующей релаксацией с характерным временем 13,3 пс. Такое изменение поглощения связано, скорее всего, с окислением первичного акцептора электрона (СЫ670) вследствие перехода электрона к PheoD|.

Хорошо известно, что поглощение в Qy полосе всеми восьмью пигментами в РЦ ФС2 проявляется в виде одной полосы с центром на 675676 нм при комнатной температуре, и только при криогенной температуре частично разрешается. При этом выделяются две перекрывающиеся полосы на 670 и 680 нм с плечом на 684 нм. Электронный переход Pheo Qx хорошо разрешается, в отличие от переходов для хлорофиллов, он проявляется в виде пика на 542-543 нм, как при комнатной, так и при низкой температуре.

Наиболее значительные изменения поглощения РЦ ФС2 наблюдаются в спектральном диапазоне 410-470 нм (рис. 37), что указывает на образование ион-радикальных состояний Chi и/или Pheo в фемто- и пикосекундном диапазоне времен, которые, как известно, поглощают вблизи 450 нм [50]. Для того чтобы выявить динамику этого процесса спектр возбужденного состояния РЦ, измеренного на самых ранних временах 0,10-0,15 пс, был вычтен из спектров при больших задержках. Эта операция с вычитанием проводилась в предположении, что выцветание в полосе Соре для (Chl/Pheo)* и (Chl/Pheo)" одинаково. Тогда, результат вычитания главным образом должен быть связан именно с ион-радикальным состоянием либо Chi", либо Pheo".

I—I—|—I—I—I—|—I—I—I—|—I—I—I—|—I—I—I—|—I—I—I—|—I—I—I—|—I—I—I—|—I—I—I—|

420 440 460 480 500 520 540 560 580 Длина волны (нм)

Рис. 39. Дифференциальные спектры ААА РЦ ФС2 в диапазоне 405-585 нм после вычитания спектра возбужденного состояния (0,10-0,15 пс) из спектров при всех остальных временах задержки.

На рис. 39 показаны спектры (AAA) РЦ ФС2 после операции вычитания, описанной выше, в спектральном диапазоне 405-585 нм. Полоса вблизи 445 нм, которая, скорее всего, относится к ион-радикальной полосе [50], наблюдается уже при задержках менее 1 пс, а изменения AAA происходят даже и после 30 пс. Кинетическая кривая на этой длине волны (рис. 40А) была аппроксимирована суммой двух экспонент с характерными временами 1,4±0,2 (с вкладом 26%) и 14,7±5,0 пс (-74%).

Очевидно, что на динамику ион-радикальной полосы на 445 нм будет накладываться динамика тушения возбужденного состояния РЦ. Полоса в области 470-580 нм с отрицательным значением AAA и центром вблизи 510 нм (рис. 39), которая возникла одновременно с возбужденным состоянием РЦ и, затем, развивалась в фемто- и пикосекундном масштабе времен, может служить индикатором формирования и тушения возбужденного состояния

РЦ.

Показанная на рис. 40Б кинетическая кривая тушения на длине волны 510 нм может быть аппроксимирована суммой двух экспонент с характерными временами 0,6±0,6 (-12%) и 10,7±2,0 пс (-88%) соответственно, которые почти совпадают в пределах ошибок с характерными временами для кинетической кривой на 445 нм.

Время задержки (пс)

Время задержки (пс)

Рис. 40. Кинетические кривые АДА РЦ ФС2 на 445 нм (А) и 510 нм (Б). При двухэкспоненциальной аппроксимации характерные времена для 445 нм: т,=1,4±0,2 пс и т2=14,7±5,0 пс, а для 510 нм: т,=0,6±0,6 пс и т2=10,7±2,0 пс.

Природа двух кинетических компонент, наблюдаемых на 445 и 510 нм, может стать более ясной из рассмотрения динамики в области <3У полосы поглощения. Для этой цели на рис. 41 показаны дифференциальные спектры (ААА) для разных временных задержек, которые были получены также как и спектры на рис. 39, но только в диапазоне 645-740 нм. Здесь представлена динамика в фемто- и пикосекундном масштабе времен главных особенностей: выцветания на длине волны 670 нм и полосы с максимумом на 685 нм.

I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I

650 660 670 680 690

Длина волны (нм)

Рис. 41. Дифференциальные спектры ААА РЦ ФС2 в диапазоне 645-740 нм после вычитания спектра возбужденного состояния (0,10-0,15 пс) из спектров при всех остальных временах задержки.

Амплитуда изменений поглощения на длинах волн 670 и 685 нм, измеренная как результат вычитания ААА67о=АА67о-(АА645+ААб85)/2 и ААА685=ААб85-(ААб7о+АА7оо)/2, может быть использована как амплитуда в

-0.2

-0,55 пс

-0,7 пс

-0.4 кинетиках на длинах волн 670 нм (рис. 42А) и 685 нм (рис. 42Б). Обе кинетические кривые были аппроксимированы двумя экспонентами и характерные времена для обоих составили ~1 и ~15 пс. А

0.0 т I о х -0.2 о г

V©

С <1 <1

I . I . I . I

0 5 10 15 20

Время задержки (пс) < <

0.8

0.6 и ос

0.4

I 1 1 1 1 I

-1-1-1-г

-|-1-1-1-г

-1-1-1-г о

5 10 15 Время задержки (пс)

20

Рис. 42. Кинетические кривые ААА РЦ ФС2 на 670 нм (А) и 685 нм (Б). Характерные времена для обеих длин волн составляют ~1 и ~15 пс.

Следует отметить, что ChlDi>D2, а так же ChlZi>Z2 поглощают вблизи 670 им, поэтому при возбуждении фемтосекундным импульсом на 700 нм с полушириной ~40 нм возбуждаться будут хромофоры, имеющие поглощение на 680 нм. А такими в РЦ ФС2 являются Pheo и Р680.

Представленные экспериментальные данные можно интерпретировать следующим образом. Амплитуда полосы выцветания феофитинов на длине волны 545 нм, появившейся одновременно с возбуждением, при задержках более 30 пс скорее всего определяется образованием Pheo". Это означает, что вклад Pheooi* (и возможно Pheoo2*) в выцветание на длине волны 545 нм в возбужденном РЦ практически равен вкладу PheoDr в выцветание на той же длине волны, но уже связанным с образованием ион-радикальной пары. Если это так, то коэффициент экстинкции должен быть одинаковым для этих двух выцветаний, а это будет означать, что Pheo* преобразуется в PheoDr при возбуждении РЦ импульсом с несущей длиной волны 700 нм. Отношение амплитуд полос выцветания на длинах волн 420 нм и 545 нм для возбужденного состояния равно —13, а при уже образовавшемся PheoDT оно несколько меньше и составляет ~8 [52,82]. Кроме того, выцветание на длине волны 435 нм наблюдается в возбужденном состоянии РЦ и отсутствует при образовавшемся PheoDr. Это означает, что при возбуждении импульсом на 700 нм в выцветание РЦ* ФС2 дают вклад некоторые другие пигменты, возможно, пара Р680, имеющая поглощение на 435 нм [83, 84]. Это согласуется с выцветанием на длине волны 682 нм, которое так же включает и стимулированное излучение.

С учетом литературных данных рассмотрим два возможных подхода к объяснению результатов, представленных на рис. 39 и 41: первая - модель разделения зарядов в РЦ ФС2, предполагает, что из возбужденного состояния ChlDi* электрон переходит к PheoD] с образованием первичной радикальной пары ChlDi+PheoDr, а вторая модель - что электрон переходит от Р680* к Pheoob возможно через Chi di- В обоих случаях электрон от Pheoof переходит к (^д за 200 пс [85]. Первая модель предполагает, что динамика ион-радикальной полосы РЬео" на 445 нм должна иметь самое маленькое характерное время, так же как и в полосе выцветания СЫоь из-за образования СЫоЛ Только после завершения этой быстрой реакции электрон переходит от Р680 к СЫт+ с более медленным характерным временем. Согласно второй модели быстрой реакцией должно быть образование Р680+СЬЬГ, в то время как медленная реакция отвечает переходу электрона от СЫ0Г к РЬео01.

Действительно, согласно описанным результатам имеются две кинетические компоненты с характерными временами около 0,9 и 14 пс. Вычитание спектра фотоиндуцированного поглощения на ранних временах (0,1-0,15 пс) из спектров при больших задержках выявляет некоторые спектральные особенности (рис. 39 и 41). Эти особенности говорят о тушении возбужденного состояния РЦ, которое проявляется в исчезновении широкой полосы РЦ* вблизи 510 нм (рис. 40Б) и образовании ион-радикальной полосы на 445 нм (рис. 40А), имеющие кинетические компоненты со средними временами 0,9 и 14 пс. В соответствии с первой моделью, ион-радикальная полоса РЬеооГ на 445 нм не может иметь медленную компоненту, если конечно не предположить особый вклад СЫо1+ в полосу РЬеооГ, который уменьшается, когда электрон переходит от Р680 к СЫ01+. В случае же второй модели, полоса РЬео0]~ на 445 нм наоборот должна иметь динамику с медленной кинетикой, как это и видно на рис. 40А.

Спектры, показанные на рис. 41, могут быть также рассмотрены с точки зрения этих двух моделей. Выцветание на длине волны 670 нм (рис. 39) может быть свидетельством участия СЫ01 в процессе разделения зарядов согласно второй модели. Кинетика выцветания на 670 нм также как и кинетика на 685 нм включают две временные компоненты, которые совпадают с ранее упомянутыми: быстрая (0,9 пс) и медленная (14 пс). Само выцветание на 670 нм может быть рассмотрено как восстановление СЫо1 вследствие первичного разделения заряда между Р680* и СЬЬь Так как этот процесс является превращением РЦ* в состояние с разделенными зарядами, то должно наблюдаться уменьшение стимулированного излучения на 685 нм, которое представлено на рис. 41 как положительное АДА на 685 нм с соответствующей кинетической кривой (рис. 42Б). Кроме того, медленная компонента (14 пс) выцветания на 685 нм может относиться к медленному переходу электрона от ChlD]" к PheoDi. Следует отметить, что при этом динамика восстановления ChlDi согласуется с аналогичным поведением в полосе 445 нм на ранних временах.

Так как полоса выцветания на 670 нм наблюдалась всегда, когда образовывался PheoDr в РЦ [52, 82], можно было бы предположить, что это выцветание есть результат взаимодействия СЫШ и Pheooi- . Однако, быстрое образование выцветания (~0,9 пс) и медленная релаксация ДА (—14 пс) на 665 нм и ДДА на 670 нм (рис. 38 и 42А) не подтверждает данное предположение, что это выцветание - только индикатор восстановления Pheo, так как Pheo восстанавливается на протяжении 30 пс (рис. 39). Если же ChlDi все же поглощает на 670 нм, то согласно представленным экспериментальным данным, ChlDi не может быть первичным донором электрона в РЦ ФС2, что говорит не в пользу первой модели.

Хотя представленные здесь результаты фемтосекундного исследования не могут совершенно исключать первую модель, они показывают гораздо лучшее совпадение со второй моделью. В соответствии с этой моделью схема первичных стадий переноса электрона в РЦ ФС2 может быть представлена следующим образом:

0 9 пс 14 пс Р680*-'-> P680+ChlDf-> РбвО^еооГ .

Таким образом, из исследования РЦ ФС2 можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что динамика ион-радикальной полосы РЬео на 445 нм имеет две временные компоненты Т1=1,4±0,2 пс и т2=14,7±5,0 пс.

2. Кинетическая кривая на длине волны 685 нм также имеет две стадии, с характерными временами —1 пс и -15 пс.

3. Разделение заряда в изолированном РЦ ФС2 при возбуждении импульсом с несущей длиной волны 700 нм и длительностью 20 фс происходит за 0,9 пс с образованием первичной радикальной пары Р680+СЫО1~, а образование вторичной ион-радикальной пары Р680+РЬеоО1~ происходит за -14 пс.

Заключение

В заключении приведем в краткой форме основные выводы диссертационной работы:

1. Обнаружено быстрое разделение заряда в РЦ ФС1 за время <100 фс при возбуждении фемтосекундным импульсом с несущей длиной волны 720 нм и длительностью 22 фс. Предположено, что оно может происходить вследствие когерентного электронно-колебательного волнового пакета, создаваемого возбуждающим импульсом на энергетических уровнях Р700* и А0*.

2. Предложен механизм первичных процессов в РЦ ФС1; определены характерные времена передачи энергии от антенны на РЦ (~5 пс) и образования вторичной ион-радикальной пары Р700+А1 (26 пс).

3. Установлено, что точечная мутация аксиального лиганда к хлорофиллу Ао в ветви А цепи переноса электрона ФС1 приводит к большему замедлению процессов в РЦ, чем аналогичная мутация в ветви В, что указывает на их неэквивалентность.

4. Установлено влияние фазовых характеристик возбуждающего импульса как динамику антенного комплекса, так и на динамику процессов в РЦ ФС1.

5. Установлено, что разделение заряда в изолированном РЦ ФС2 (Б1/Г>2/Су1 Ь559) при возбуждении импульсом с несущей длиной волны 700 нм и длительностью 20 фс происходит за 0,9 пс с образованием первичной радикальной пары Р680+СЫоГ; образование вторичной ион-радикальной пары Р680+РЬеооГ происходит за -14 пс.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шелаев, Иван Викторович, 2010 год

1. Hill R., Bendall F. Function of the two cytochrome components in chloroplasts: a working hypothesis// Nature, 1960, 186, pp. 136-137.

2. Hauska G., Schiitz M., Biittner M. The cytochrome b6f complex composition, structure and function In: Advances in Photosynthesis, Oxygenic Photosynthesis!/ (Ort D.R. and Yokum C.F. eds.), Kluwer Acad. Publ., 1996, 4, pp. 377-398.

3. Malkin R., Niyogi K. Photosynthesis. In: Biochemistry and Molecular Biology of Plants// (Buchanan В., Gruissem W., Jones R. eds) Rockville MD: American Society of Plant Physiologists, 2000, pp. 568-628.

4. Hope A.B. The chloroplast cytochrome bf complex: A critical focus on function// Biochim Biophys Acta, 1993, 1143, pp. 1—22.

5. Shubin V.V., Bezsmertnaya I.N., Karapetyan N.V. Isolation from Spirulina membranes of two photosystem Itype complexes, one of which contains chlorophyll responsible for the 77 К fluorescence band at 760 nm/t FEBS Lett. 1992,309, pp. 340-342.

6. Jordan P., Fromme P., Witt H.T., Klukas O., Saenger W., Krauss N. Three-dimensional structure of cyanobacterial photosystem I at 2.5 A resolution// Nature, 2001, 411, pp. 909-917.

7. Brettel K., Leibl W. Electron transfer in photosystem I // Biochim. Biophys. Acta, 2001, 1507, pp. 100-114.

8. Карапетян H.B. Организация и функция пигментбелковых комплексов фотосистемы 1 цианобактерии Spirulina// Биол. Мембраны, 1998, 15, с. 461— 471.

9. Shuvalov V.A., Nuijs A.M., van Gorkom H.J., Smit H.W.J., Duysens L.N.M. Picosecond absorbance changes upon selective excitation of the primary electron donor P700 in photosystem /// Biochim. Biophys. Acta, 1986, 850, pp. 319-323.

10. Klukas O., Schubert W.-D., Jordan P., Kraufl N., Fromme P., Witt H.-T., Saenger W. Photosytem I, an improved model of the stromal subunits PsaC, PsaD and PsaEH J. Biol. Chem., 1999, 274, pp. 7351-7360.

11. Deisenhofer J., Epp O., Miki K., Huber R., Michel H. Structure of the protein subunits in the photosynthetic reaction center of Rhodopseudomonas viridis at 3Â resolution!! Nature, 1985, 318, pp. 618-624.

12. Guergova-Kuras M., Boudreaux B., Joliot A., Joliot P., Redding K. Evidence for two active branches for electron transfer in photosystem III Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2001, 98, pp. 4437^1442.

13. Chitnis V.P., Ke A., Chitnis P.R. The PsaD Subunit of Photosystem I. Mutations in the Basic Domain Reduce the Level of PsaD in the Membranes!! Plant Physiol., 1997, 1, 15, pp 1699-1705.

14. Golbeck, J.H. "Photosystem I and its Bacterial Counterparts" in CRC Handbook of Organic Photochemistry and Photobiologyl7 (Song P.S. and Horspool W. eds.) CRC Press, Bocca Raton, FL., 1995, pp. 1407-1419.

15. Golbeck, J.H. "Photosystem I in Cyanobacteria" in The Molecular Biology of CyanobacterialI (Biyant D.A. ed.) Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 1994, pp. 179-220.

16. Chitnis V.P., Chitnis P.R. PsaL subunit is required for the formation of photosystem I trimer s in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803// FEB S Lett, 1993, 336, pp. 330-334.

17. Jekow P., Schubert W.-D., Fromme P., Kruip J., Chitnis P.R., Roegner M., Saenger W. Crystallisation of intact and subunit L-deficient monomers from Synechocystis PCC 6803 Photosystem I// Z. Naturforsch., 1996, 51B, pp. 195-199.

18. Karapetyan N.V., Schlodder E., van Grondelle R., Dekker P. In Photosystem I. The Light-Driven Plastocyanin:Ferredoxin Oxidoreductase// (Golbeck J. ed) Springer, Dordrecht, 2006, pp. 177-192.

19. Hastings G., Kleinherenbrink F.A.M., Lin S., McHugh T.J., Blankenship R.E. Observation of the reduction and reoxidation of the primary electron acceptor in photosystem I // Biochemistry, 1994, 33, pp. 3193-3200.

20. Nuijs A.M., Shuvalov V.A., van Gorkom H.J., Plijter J.J., Duysens L.N.M. Picosecond absorbance difference spectroscopy on the primary reactions and the antenna-excited states in photosystem I particles// Biochim. Biophys. Acta, 1986, 850, pp. 310-318.

21. Savikhin S., Xu W., Chitnis P.R., Struve W.S. Ultrafast primary processes in PS I from Synechocystis sp. PCC 6803: roles ofP700 and A0 // Biophys. J., 2000, 79, pp. 1573-1586.

22. Savikhin S., Xu W., Martinsson P., Chitnis P.R., Struve W.S. Kinetics of charge separation and A0 —>Aj electron transfer in photosystem I reaction centers// Biochemistry, 2001, 40, pp. 9282-9290.

23. White N.T.H., Beddard G.S., Thorne J.R.G., Feehan T.M., Keyes T.E., Heathcote P. Primary charge separation and energy transfer in the photosystem I reaction center of higher plants// J. Phys. Chem., 1996, 100, pp. 12086-12099.

24. Melkozernov A.N., Lin S., Blankenship R.E. Excitation dynamics and heterogeneity of energy equilibration in the core antenna of Photosystem I from the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803H Biochemistry, 2000, 39, pp. 1489-1498.

25. Gibasiewich K., Ramesh V.M., Melkozernov A.N., Lin S., Woodbury N.W., Blankenship R.E., Webber A.N. Excitation dynamics in the core antenna of PS I from Chlamydomonas reinhardtii CC 2696 at room temperature// J. Chem., 2001, 105, pp. 11498-11506.

26. Gibasiewich K., Ramesh V.M., Lin S., Redding K., Woodbury N.W., Webber A.N. Excitonic interactions in wild-type and mutant PS I reaction centers!7 Biophys. J., 2003, 85, pp. 2547-2559.

27. Ramesh V.M., Gibasiewicz K., Lin S., Bingham S.E., Webber A.N. Replacement of the methionine axial ligand to the primary electron acceptor A0 slows the Ao~ reoxidation dynamics in Photosystem III Biochim. Biophys. Acta, 2007, 1767, pp. 151-160.

28. Guskov A., Kern J., Gabdulkhakov A., Broser M., Zouni A., Saenger W. Cyanobacterial photosystem II at 2.9-A° resolution and the role of quinones, lipids, channels and chloride!/ Nature, 2009, 16, pp. 334-342.

29. Zouni A., Witt H.-T., Kern J., Fromme P., Krauû N., Saenger W., Orth P. Crystal structure of photosystem II from Synechococcus elongatus at 3.8 A resolution!/ Nature, 2001, 409, pp. 739-743.

30. Summer E. J., Schmid V.H., Bruns B.U., Schmidt G.W. Requirement for the Hphosphoprotein in photosystem II of Chlamydomonas reinhardtii!7 Plant. Physiol., 1997, 113, pp. 1359-1368.

31. Zheleva D., Sharma J., Panico M., Morris H.R., Barber J. Isolation and characterization of monomeric and dimeric CP47-reaction center photosystem IIcomplexes//J. Biol. Chem., 1998, 273, pp. 16122-16127.\

32. Rhee K.-H., Morris E.P., Barber J., KuEhlbrandt W. Three-dimensional structure of photosystem II reaction centre at 8 A resolution!! Nature, 1998, 396, pp. 283-286.

33. Bricker T.M., Ghanotakis D.F. Introduction to Oxygen Evolution and the Oxygen-Evolving Complex. In: Advances in Photosynthesis, The Light Reactions!! (Ort D.R. and Yokum C.F. eds.), Kluwer Acad.Publ., 1996, 4, pp. 113-129.

34. Joliot P., Barbieri G., Chabaud R. Un nouveeau modele des centres photochimiques du systeme IIII Photohem. Photobiol., 1969, 10, pp. 309-329.

35. Kok B., Forbush B., McGloin M. Cooperation of centers in photosynthetic oxygen evolution: I. A linear four step mechanism// Photochem. Photobiol., 1970, 11, pp. 457-475.

36. Durrant J., Hastings H., Joseph D., Barrer J., Porter G., Klug D. Subpicosecond equilibration of excitation energy in isolated photosystem II reaction centersll Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1992, 89, pp. 11632-11636.

37. Shkuropatov A.Ya., Khatypov R.A., Volshchukova T.S., Shkuropatova V.A., Owens T.G., Shuvalov V.A. Spectral and photochemical properties of borohydride-treated D1-D2-cytochrome b-559 complex of photosystem II /! FEBS Letters, 1997, 420, pp. 171-174.

38. Raszewski G., Saenger W., Renger T. Theory of optical spectra od photosystem II reaction centers: Location of the triplet state and the identity of the primary electron donor!I Biophys. J., 2005, 88, pp. 986-998.

39. Prokhorenko V., Holzwarth A.R. Primary processes and structure of the photosystem II reaction center: a photon echo study!! J. Phys. Chem. B, 2000, 104, pp. 11563-11578.

40. Isgandarova S., Renger G., Messinger J. Functional Differences of Photosystem II from Synechococcus elongatus and Spinach Characterized by Flash Induced Oxygen Evolution Patterns!I Biochemistry, 2003, 42, pp. 89298938.

41. Fujita I., Davis M.S., Fajer J. Anion Radicals of Pheophytin and Chlorophyll a: Their Role in the Primary Charge Separations of Plant Photosynthesis II JACS, 1978, 100, 19, pp. 6280-6282.

42. Klimov V.V., Klevanik A.V., Shuvalov Y.A., Krasnovsky A.A. Reduction of pheophytin in the primary light reaction of photosystem //// FEBS Lett., 1977, 82, pp. 183-186.

43. Hastings G., Durrant J.R., Barber J., Porter G., Klug D.R. Observation of Pheophytin Reduction in Photosystem Two Reaction Centers Using Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy// Biochemistry, 1992, 31, pp. 7638-7647.

44. Durrant J.R., Hastings G., Hong Q., Barber J., Porter G., Klug D.R. Determination of P680 singlet state lifetimes in photosystem two reaction centres!/ Chem. Phys. Lett., 1992, 188, pp. 54-60.

45. Wiederrecht G.P., Seibert M., Govindjee, Wasielewski M.R. Femtosecond photodichroism studies of isolated photosystem II reaction centers// Proc. Nati. Acad. Sci. USA, 1994, 91, pp. 8999-9003.

46. Donovan B., Walker L.A., Yocum C.F., Sension R.J. Transient Absorption Studies of the Primary Charge Separation in Photosystem II /1 J. Phys. Chem., 1996, 100, pp. 1945-1949.

47. Rech T., Durrant J.R., Joseph D.M., Barber J., Porter G., Mug D.R. Does Slow Energy Transfer Limit the Observed Time Constant for Radical Pair Formation in Photosystem II Reaction Centers?// Biochemistry, 1994, 33, pp. 14768-14774.

48. Dekker J.P., Van Grondelle R. Primary charge separation in Photosystem II II Photosynth. Res., 2000, 63, pp. 195-208.

49. Pawlowicz N.P., Groot M.-L., van Stokkum I. H. M., Breton J., van Grondelle R. Charge Separation and Energy Transfer in the Photosystem II Core Complex Studied by Femtosecond Midinfrared Spectroscopy!7 Biophysical J., 2007, 93, pp. 2732-2742.

50. Саркисов O.M., Уманский С.Я. ФемтохимияН Успехи химии, 2001, 70, 6, с. 515-538.

51. Kohler В., Krause J.L., Raksi F., Wilson K.R., Yakovlev V.V., Whitnel R.M., Yan Y. Controlling the Future of Matter!! Acc. Chem. Res., 1995, 28, pp. 133140.

52. Wohlleben W., Buckup Т., Herek J.L., Motzkus M. Coherent Control for Spectroscopy and Manipulation of Biological Dynamics/! Chem. Phys. Chem., 2005, 6, pp. 850 857.

53. Collini E., Wong C.Y., Wilk K.E., Curmi P.M.G., Brumer P., Scholes G.D. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature// Nature, 2010, 463, pp. 644-648.

54. Kovalenko S.A., Dobryakov A.L., Ruthmann J., Ernsting N.P. Femtosecond spectroscopy of condensed phases with chirped supercontinuum probing!I Physical Review A., 1999, 59, 3, pp. 2369-2384.

55. Shank C.V., Yen R., Fork R.L., Orenstein J., Baker G.L. Picosecond Dynamics of Photoexcited Gap States in Polyacetylen!I Phys. Rev. Lett., 1982, 49, 22, pp. 1660-1663.

56. Weiner A.M., Leaird D.E., Wiederrecht G.P., Nelson K.A. Femtosecond Pulse Sequences Used for Optical Manipulation of Molecular Motion/! Science, 1990, 247, 4948, pp. 1317 1319.

57. Mi D., Lin S., Blankenship R.E. Picosecond transient absorption spectroscopy in the blue spectral region of photosystem I // Biochemistry, 1999,38, pp. 15231-15237.

58. Shuvalov V.A., Yakovlev A.G., Vasilieva L.G., Shkuropatov A.Ya. Photosystem I. The Light-Driven Plastocyanin:Ferredoxin OxidoreductaseH (Golbeck J. ed.) Springer, Dordrecht, 2006, pp. 291-300.

59. Ke B. The rise time of photoreduction difference spectrum and oxidation-reduction potential ofP430// Arch. Biochem. Biophys., 1972, 152, pp. 70-77.

60. Savikhin S., Photosystem I. The Light-Driven PI as to cyan in : Ferredoxin Oxidoreductase// (Golbeck J. ed.) Springer, Dordrecht, 2006, pp. 155-175.

61. Croce R., Dorra D., Holzwarth A.R., Jennings R.C. Fluorescence decay and spectral evolution in intact Photosystem I of higher plants// Biochemistry, 2000,39, pp. 6341-6348.

62. Golbeck J.H. The binding of cofactors to PS I analyzed by spectroscopic and mutagenic methodsII Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 2003, 32, pp. 237-256.

63. Macomber G.D. The dynamics of spectroscopic transition!I John Wiley and Sons, New York-London-Sydney-Toronto, 1976.

64. Shuvalov V.A. Main features of the primary charge separation in photosynthetic reaction centersII (Sybesma C. ed.) Nijhoff Martinus, Dr.W. Junk Publishers, Advances in Photosynthesis Research, The Hague/Boston/Lancaster, 1984, pp. 93-100.

65. Klimov V.V., Allakhverdiev S.I., Shutilova N.I., Krasnovsky A.A. The study of photoreduction of pheophytin and photooxidation of P680 in photosystem II preparations!I Plant. Physiol., 1980, 27, pp. 315-326.

66. Doring G., Stiehl H.H., Witt H.T. A second chlorophyll reaction in the electron chain of photosynthesis—registration by the repetitive excitation technique!IZ. Naturforsch B, 1967, 22, pp. 639-644.

67. Doring G., Renger G., Vater J., Witt H.T. Properties of the photoactive chlorophyll-a II in photosynthesis!IZ. Naturforsch B, 1969, 24, pp. 1139-1143.