Синтез и изучение физико-химических свойств молекулярных структур на основе порфиринов, аминокислот и хинонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.10, кандидат химических наук Ларкина, Екатерина Александровна

• Ларкина, Екатерина Александровна
• кандидат химических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат химических наук Ларкина, Екатерина Александровна

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

3. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

3.1. Строение реакционных центров пурпурных бактерий.

3.2. Роль аминокислотных остатков белковой матрицы, как аксиальных лигандов к иону Мд бактериохлорофиллов.

3.3. Участие аминокислот в образовании водородных связей с кофакторами.

3.4. Электростатические взаимодействия белка с пигментами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и изучение физико-химических свойств молекулярных структур на основе порфиринов, аминокислот и хинонов»

В связи с ростом потребности человечества в энергии и уменьшением запасов природных горючих ископаемых актуальной проблемой становится поиск новых источников энергии. Солнечная энергия представляет собой один из наиболее экологически чистых источников энергии, а ее резервы значительно превышают энергетические потребности общества, поэтому концепция ее использования вызывает в настоящее время все больший интерес [1, 2, 3].Зеленые растения и бактерии в ходе фотосинтеза поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в химическую форму. В основе этого явления лежат фотоиндуцируемые процессы переноса энергии между тетрапиррольными пигментами и последующего многостадийного переноса электрона от фотовозбужденных тетрапиррольных доноров к хиноновым акцепторам с образованием состояния с разделенными зарядами [2, 4]. Усилия многих исследовательских групп направлены на разработку и создание молекулярных фотокаталитических систем, способных, подобно растениям и фотосинтезирующим бактериям, преобразовывать энергию солнечного излучения в энергию химических связей [2, 5-12]. В искусственных системах в качестве фоточувствительных пигментов вместо хлоринов часто используют родственные им порфирины, что обусловлено их большей устойчивостью к физико-химическим воздействиям и синтетической доступностью.В природных фотосинтетических системах компоненты, участвующие в формировании состояния с разделенными зарядами, окружены молекулами белков. Современные исследования подтверждают участие полипептидных цепей в формировании оптимальных условий процесса первичного разделения зарядов [13, 14]. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что ароматические аминокислоты, такие как фенилаланин, тирозин и триптофан, осуществляют электронное взаимодействие л-орбиталей донора и акцептора, расположенных на достаточно большом расстоянии друг от друга, таким образом ускоряя реакции электронного переноса [13, 14]. Включение этих аминокислот в искусственные фотопреобразующие системы, способные давать состояние с разделением зарядов, позволяет выяснить факторы, влияющие на эффективность процессов переноса энергии и электрона. Поэтому синтез и исследование структурно-организованных комплексов, содержащих связанные с фотосинтетическими пигментами ароматические аминокислоты, имеет большой научный и практический интерес.Работа была выполнена в рамках программ научных исследований Министерства образования РФ, проводимых в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова на кафедре Химии и технологии тонких органических соединений по теме № 1Б-3-865 «Химический и микробиологический синтез биологически активных соединений, моделирующих процессы энергопереноса и биорегуляции», а также при поддержке грантов РФФИ (руководитель - чл.-корр. РАН Евстигнеева Р.П.) № 97-03-33158а, № 00-03-32872а, «Ведущие научные школы» № 96-15-97709, № 00-15-97866, НШ-2013^2003.3.

Заключение диссертации по теме «Биоорганическая химия», Ларкина, Екатерина Александровна

6. ВЫВОДЫ

1. Получен ряд новых аминокислотных производных дейтеропорфирина IX, содержащих один или два остатка фенилаланина, тирозина, триптофана и гистидина, присоединенных к порфирину непосредственно или через спейсер.

2. Осуществлен синтез трех новых триадных систем, содержащих дейтеропорфирин IX, остаток ароматической аминокислоты (тирозина, фенилаланина или триптофана) и производное нафтохинона.

3. Проведен конформационный анализ диад и триад. Показано, что расстояние между ароматическими системами достаточно для эффективного переноса энергии и электрона.

4. Проведены исследования спектрально-флуоресцентных характеристик полученных диад на основе дейтеропорфирина IX и ароматических аминокислот. Совокупность экспериментальных и расчетных данных свидетельствует о том, что в диадах, содержащих триптофан, реализуется эффективный перенос энергии синглетного возбужденного состояния от триптофана к порфирину.

5. Показано, что введение ароматической аминокислоты в триадах приводит к увеличению квантового выхода флуоресценции и времени жизни синглетного возбужденного состояния порфирина по сравнению с диадой, содержащей порфирин и хинон. Это вызвано взаимодействием между аминокислотной, порфириновой и хиноновой компонентами триады.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Ларкина, Екатерина Александровна, 2004 год

1. Холл Д., Рао К./Фотосинтез.//М.: Мир. 1983. - 134 с.

2. Балашев К.П./ Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии. // Соросовский образовательный журнал. -1996. №11. - С. 9 -12.

3. Климов В.В./ Окисление воды и выделение молекулярного кислорода при фотосинтезе. // Соросовский образовательный журнал. 1998. - №8. - С. 58 -64

4. Клейтон Р./ Фотосинтез. Физические механизмы и модели.// М.: Мир. -1984. 350 с.

5. Burrell А.К., Wasielewski M.R./ Porphyrin based nanostructures: routes to molecular electronics.// J. Porphyrins Phtalocyanines. - 2000. - V. 4, № 4. -P. 401 - 406.

6. Wasielewski. M.R. Photoinduced electron transfer in supramolecular systems for artificial photosynthesis. // Chem. ReV. 1992. V. 92. - - P. 435 - 461.

7. Hayes R.T., Wasielewski M.R., Gosztola D. Ultrafast Photoswitched Charge Transmission through the Bridge Molecule in a Donor Bridge - Acceptor System.// J. Am. Chem. Soc. - 2000. - V. 122. - - P. 5563 - 5567.

8. Коновалова H.B., Евстигнеева Р.П., Лузгина B.H. Синтетические молекулярные системы на основе порфиринов как модели для изучения переноса энергии при фотосинтезе.// Успехи химии. 2001. - Т. 70, № 11. -С.-1059-1093.

9. Коммисаров Г.Г./ Фотосинтез: физико-химический подход.// Химическаяфизика. 2003. - Т. 22, № 1. - С. 24-54.

10. Шувалов В.А./ Преобразование солнечной энергии в первичном акте разделения зарядов в реакционных центрах фотосинтеза.// М.: Наука. -2000. 50 с.

11. Ivancich A., Mattioli Т.А./ A comparative study of conserved protein interaction of the primary electron donor in photosynthetic purple bacterial reaction centers.// Photosynthesis Research. 1998. - V.55. - P. 207 - 215.

12. Lancaster C.D.R., Michel H./ Photosynthetic reaction centers of purple bacteria. In: "Handbook of Metalloproteins". A. Messerschmidt (Ed.). John Wiley and Sons. Ltd. Chichecter. 2001. - P. 119 -135.

13. Whitmarsh J., Govindjee./ The Photosynthetic process. In: "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis". G.S. Singhal (Ed). New Delphi and Kluwer Academic. Dordrecht. P. 11 - 51.

14. Michel H., Epp O., Deisenhofer J./ Pigment protein interaction in photosynthetic reaction centre from Rhodopseudomonas viridis.// EMBO J. - 1986. - V. 5. -P. 2445 - 2451.

15. Deisenhofer J., Michel. H./ The photosynthetic reaction centre from the purple bacterium Rhodopseudomonas viridis.// EMBO J. -1989. V. 8. - P. 2149 - 2169.

16. El Kabbani O., Chang С. - H., Tiede D., Norris J., Schiffer M./ Comparison of reaction centers from Rhodopseudomonas viridis: overall architecture and protein—pigment interactions.// Biochemistry. -1991. - V. 30. - P. 5361 - 5369.

17. Ermler U., Fritzsch G., Buchanan S., Michel. H./ Structure of photosyntetic reaction center from Rhodobacter sphaeroides at 2.65 A resolution, cofactors and protein—cofactor interactions.// Structure. -1994. V. - 2. - P. 925 - 936.

18. Rhee K.-H., Morris E.P., Zheleva D., Hankamer В., Kuhlbrane W., Barber J./Two dimensional structure of plant Photosystem II at 8 A resolution.// Nature. -1997.-V. 389.-P. 522.

19. Шувалов В.А./ Преобразование солнечной энергии в первичном акте разделения зарядов в реакционных центрах фотосинтеза.// М.: Наука. -2000. С. 50.

20. Allen J.P., Williams J.C./ Photosynthetic reaction centers.// FEBS Letters. -1998. V. 438. - P. 5 - 9

21. Michel. H. Deisenhofer J./ Relevance of the photosyntetic reaction center from purple bacteria to the structure of Photosystem II.// Biochemistry. 1988. - V. -27.-P. 1.

22. Blomberg M.R.A., Siegbahn P.E.M., Babcock G.T./ Modeling electron transfer in biochemistry, a quantum - chemical study of charge separation in Rhodobacter Sphaeroides and Photosystem II.//J. Amer. Chem. Soc. - 1998. - V. 120, №34. -P. 8812-8824.

23. Trebst A., Avron M./ Encyclopedia of Plant Physiology.// Springer Verlag Berlin. Heidelberg New York. -1977. - V.5.

24. Buchanan S.K., Fritzsch G., Ermler U.f Michel H./ New crystal form of the photosynthetic reaction center from Rhodobacter sphaeroides of improved diffraction quality. //J. Mol. Biol. -1993. V. - 230. - p. i311-1314.

25. Bylina E.J., Kolaczowski S.V., Norris S.V., Youvan D.S./ EPR characterization of genetically modified reaction centers of Rhodobacter capsulatus. // Biochemistry. -1990. V. - 29. - P. 6203 - 6210.

26. Mcauley R.T., Fyfe P.K., Cogdell R.J., Isaacs N.W., Jones M.R./ X - ray crystal structure of the YM210W mutant reaction center from Rhodobacter Sphaeroides.// FEBS Letters. - 2000. - V. 467, № 2 - 3. - P. 285 - 290.

27. Kirmaer C., Weems D., Holten D./ M Side electron transfer in reaction center mutants with a lysin near the nonphotoactive bacteriochlorophyl.// Biochemistry. -1999. - V. 38. Iss. 35. - P. 11516 -11530.

28. Hasagawa J., Nakatsuji H./ Mechanism and unidirectionality of the electron transfer in the photosynthetic reaction center of Rhodopseudomonas viridis: SAC-CI theoretical study. // J. Chem Phys. B. 1998. - V. 102. - P. 10420 -10430.

29. Mc. Dowell L.M., Gaul D., Kirmaier C., Holten D., Schenck C.C.I Investigation into the source of electron transfer asymmetry in bacterial reaction centers.// Biochemistry. -1991. V.30, №34. - P. 8315 - 8322.

30. Mc. Dowell L.M., Kirmaier C., Holten D.I Charge transfer and charge resonance states of the primary electron donor in wild type and mutant bacterial reaction centers.// Biochim. Biophys. Acta. -1990. V.1020, №3. - P. 239 - 246.

31. Bylina E.J., Youvan D.C./ Directed mutations affecting spectroscopic and electron transfer properties of the primary donor in the photosynthetic reaction center.// Proc. Natl. Acad. Sci USA. -1988. V.85. - P. 7226 - 7230.

32. Kirmaier C., Holten D., BylinaE. J., Youvan D.C./ Electron transfer in a genetically modified bacterial reaction center containing a heterodimer.// Proc. Natl. Acad. Sci USA. 1988. - V.85. - P. 7562 - 7566.

33. Ivancich A., Artz K., Williams J.C., Allen J.P., and Mattioli Т.А./ Effect of hydrogen bonds on the redox potential and electronic structure of the bacterial primary electron donor. // Biochemistry. -1998. V.37, №34. - P. 11812 -11820.

34. Czarnecki K., Scenck C.C., Bocian D.F./ Resonance Raman characterization of reaction centers in which bacteriochlorophyll replaces the photoactive bacteriopheophytin.// Biochemistry. -1997. V.36, № 48. - P. 14697 -14704.

35. Roberts J.A., Holten D., Kirmaier C.I Primary events in photosynthetic reactioncenter with multiple mutations near the photoactive electron carries.// Journal of Physical Chemistry. B. 2001. - V.105, №23. - P. 5575 - 5584.

36. Goldsmith J.O., King В., Boxer S.G./ Mg coordination by amino acid side chains is not required for assembly and function of the special pair in bacterial photosynthetic reaction centers. // Biochemistry. 1996. - V.35, №7. - P. 2421 -2428.

37. Finkele U., Lauterwasser C., Struck A., Scheer A., Zinth W. /Primary electron transfer kinetics in bacterial reaction centers with modified bacteriochlorophylls at the monomeric sites ВА.в- // Proc. Natl. Acad. Sci USA. 1992. - V. 89. - P. 9514 -9518.

38. Palaniappan V, Aldema M.A., Frank H.A., Bochian D.F./ Qy-Excitation resonance Raman scattering from the special pair in Rhodobacter sphaeroides reaction centers. Implications for primary charge separation.// Biochemistry. 1992. - V. 31.-P. 11050-11058.

39. Williams J.C., Alden R.G., Murchison H.A., Peloquin J.M., Woodbury, and Allen J.P./ Effects of mutations near the bacteriochlorophylls in reaction centers from Rhodobacter sphaeroides.// Biochemistry. 1992. - V.31, №45. - P. 11029 -11037.

40. Allen J.P., Artz К., Lin X., Williams J.C./ Effects of hydrogen bonding to a bactiriochlorophyll bacteriophephytin dimer in reaction centers from Rhodobacter sphaeroides. // Biochemistry. -1996. - V. 35. - P. 6612 - 6619.

41. Heller B.A., Holten D. Kirmaier С./ Characterization of bacterial reaction centers having mutations of aromatic residues in the binding site of the bacteriopheophytin intermediary electron carrier.// Biochemistry. 1995. - V. 34. -P. 5294 - 5302.

42. Cuai A., Kirmaier C„ Holten D., Bocian D.F. /Resonance Raman characterization of reaction centers with an asp residue near the photoactive bacteriopheophytin. // Biochemistry. -1998. V. 37. - P. 6394 - 6401.

43. Tiede D.M., Vashishta A. C., Gunner M.R./ Electron transfer kinetics and electrostatic properties of Rhodobacter sphaeroides reaction center and soluble с - cytochromes.// Biochemistry. -1993. - V. 32. - P. 4515 - 4531.

44. Moser C.C., Keske J.V., Warncke K., Farid R.S., and Dutton P.L./ Nature of biological electron transfer. // Nature. -1992. - V.355. - P. 796 - 802.

45. Chan C.K., Cher L.X. Q.f Di Magno T.J., Hanson D.K., Nance S.L., Schiffer M.,

46. Norris J.К., and Fleming G.R./ Initial electron transfer in photosynthetic reaction centers of Rhodobacter capsulatus mutants. // Chemical Physics Letters. 1991.- V.176, №3-4.-P. 366-372.

47. Alden R.G., Parson W.W., Chu Z.T., Warshel A./ Orientation of the OH dipole of tyrosine (M)210 and its effect on electrostatic energies in photosinthetic bacterial reaction centers.// Journal of Physical Chemistry. 1996. - V. 100. - P. 16761 -16770.

48. Tamiaki H., Suzuki S., Maruyama К./ Intramolecular interaction of porphyrin moeties in 2,5-piperazinedion-bridged porphyrin dimers.// Bull. Chem. Soc. Jpn.- 1993. V. 66. - P. 2633 - 2637.

49. Tamiaki H., Nomura K., Maruyama K. / Energy and electron transfer in synthetic oligoprolin-bridged porphyrin donor-acceptor molecules.// Bull. Chem. Soc. Jpn. -1994. — V. 67. P. 1863-1871.

50. Tamiaki H., Nomura K., Maruyama К./ Energy transfer in P-turned peptide-bridged porphyrin dimer.// Bull. Chem. Soc. Jpn. 1993. -V. 66. P. 3062-3068.

51. Hayashi Т., Takimura Т., Hitomi Y., Ohara Т., Ogoshi H./ Relationship between electron transfer and the structure of a quinon-linked Zinc porphyrin with a flexible peptide spacer. // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995. - P. 545 -546.

52. Tamiaki H., Maruyama К./ Synthesis quinone-bearihg peptides. Photoinduced electron transfer of peptide-bridged porphyrin-quinone molecules. // Chem Lett.1993.-P. 1499-1502.

53. Williamson D.A., Bowler В.Е./ Electron transfer throught the hydrogen-bonded interface of a beta-turn forming depsipeptide.// J. Am. Chem. Soc. 1998. - V. 120.-P. 10902-10911.

54. Ushiyama M., Yoshino A., Yamamura Т., Shida Y., Arisaka F./ A 12-porphyrin system: synthesis of peptide porphyrins with multiple histidines and the aggregation behavior in the presence of hemin./ Bull. Chem. Soc. Jpn. 1999.-V. 6.-P. 1351-1364.

55. Евстигнеева Р.П., Лузгина B.H., Киселева Н.Ю., Коновалова Н.В., Ракитина И.В. Синтез и физико-химические свойства моно- и дипорфириновых конъюгатов производных тетрафенилпорфирина с аминокислотами.// Биоорган, химия.-1998. Т. 24, №3. - С. 229-235.

56. Коновалова Н.В., Караваева Н.А., Грибков А.А., Лузгина В.Н., Евстигнеева Р.П. Синтез дипорфириновых систем на • основе производных тетрафенилпорфирина, соединенных пептидными спейсерами.// Биоорган, химия.- 2000.- Т. 26, № 2.- С. 112-117.

57. Falk J.E. Porphyrins and metaloporphyrins. // Elsevier Publishing Company. Amsterdam London - New York. -1964. - V. 2. - P. 266.

58. ЮЭ.Семейкин A.C., Березин Б.Д., Койфман А.И., Криспов Р.А. / Синтез и свойства порфиринов группы протопорфирина IX.// Химия и хим. технология. Изв. вузов. -1987. Т.ЗО. Вып. 1. - С. 48-51.

59. Гринштейн Дж., Виниц М. Химия аминокислот и пептидов. // Пер. с англ. М.: Мир.-1965.-821 с.

60. Ш.Гершкович А.А., Кибирев В.К. Химический синтез пептидов. // Киев: Наукова думка.-1992.-360 с.

61. Евстигнеева Р.П, Боровков В.В., Филиппович Е.И., Свиридов С.И. Синтездихиноновых производных порфиринов. // Докл. АН СССР. 1987. - Т.293, №5.-С. 1130-1132.

62. Borovkov V.V., Gribkov А.А., Kozyrev A.N., Brandis A.S., Ishida A., Sakata Y. Synthesis and properties of pheophorbid-quinone compounds. // Bull. Chem. Soc. Jpn. -1992. V.65, №6. - P.1533-1537.

63. Евстигнеева Р.П., Лузгина B.H., Луцкова Л.И., Киселева Н.Ю. Синтез молекулярных диадных систем на основе медного комплекса 2-оксиметил-5,10,15,20-тетрафенилпорфирина.// Биоорган, химия. -1996. Т.22, №10-11. - С. 795 - 798.

64. Евстигнеева Р.П., Грибкова С.Е., Лузгина В.Н. Синтез триады D-P-Q на основе дейтеропорфирина IX.//Докл. АН. -1994. Т. 339, №2. - С.207-209.

65. Liu D., Williamson D.A., Kennedy M.L., Williams T.D., Morton M.M., Benson D.R./ Aromatic side chain-porphyrin interactions in designed hemoproteins.// J. Amer. Chem. Soc. -1999. V.121. - P. 11798 -11812.

66. Боровков В.В., Евстигнеева Р.П., Филиппович Е.Й., Розынов Б.В./ Синтез донорно-акцепторных молекул на основе мезопорфирина II, способных к фотоиндуцируемому переносу электрона.// Докл. АН СССР. -1989. Т.308. -С. 874 - 878.

67. Боровков В.В., Филиппович Е.И., Евстигнеева Р.П./ Синтез и изучение спектральных свойств порфиринхиноновых производных на основе дейтеропорфирина IX.// Хим. гетероцикл. соединен. 1988, №5. - С. 608 -616.

68. Speck M., Kurreck H., Senge М.О./ Porphyrin-o-quinones as model systems for electron transfer and catecholase reactions.// Eur. J. Org. Chem. 2000. -P. 2303-2314.

69. Грибкова C.E., Лузгина. B.H., Евстигнеева Р.П, Синтез молекулярныхкомплексов на основе порфиринов для изучения переноса энергии и первичного разделения зарядов при фотосинтезе.// Успехи химии. 1993. Т.62, №10.-С. 1020-1036.

70. Евстигнеева Р.П., Грибков А.А./ Синтез и фотохимические свойства порфирин-хинонов.// Известия АН. Серия химическая. 1996. - № 1. -С. 9 - 24.

71. Kang Y.K., Rubtsov I.V., lovine P.M., Chen J., Therien M.J./ Distance dependence of electron transfer in rigid, cofasially compressed, тт-stacked porphyrin-bridge-quinone systems.// J. Amer. Chem. Soc. 2002. - V.124. -P. 8275 - 8279

72. Katz E.Y., Borovkov V.V., Evstigneeva R.P./ Application of quinone thio derivatives as a basis for assembling complex molecular systems at an electrode surface.//J. Electroanal. Chem. 1992. -V. 326. - P. 197-212.

73. Филиппович Е.И., Лузгина В.Н., Токарева Т.Г., Евстигнеева Р.П./ Способполучения моноэфиров протогемина IX.// Авторское свидетельство 36720аз/23-04,1983.

74. Беллами Л. Инфракрасные спектры молекул.// Пер. с англ. М.: Издательство иностранной литературы. 1957. - 444 с.

75. Ларкина Е.А., Лузгина В.Н., Евстигнеева Р.П./ Синтез триад на основе дейтеропорфирина IX и ароматических аминокислот.// Биоорган, химия.-2002.- Т. 28, № 4.- С. 357-361.

76. Д. Лакович. Основы флуоресцентной спектроскопии.// М.: Мир. 1986.

77. Паркер С. Фотолюминесценция растворов.//М.: Мир. -1971.

78. Murrov S.L., Carmichael I., Hug G.L. Handbook of Photochemistry.// New-York-Basel-Hong Kong: Marcel Deccer, Inc. 1993. - P. 269-278.

79. Боровков В.В. Синтез порфирин-хиноновых соединений и изучение их физико-химических свойств.// Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. М.: МИТХТ. 1988. -105 с.