Наноразмерные синтетические энергопреобразующие системы
Базовые принципы высокоэффективного преобразования световой энергии при фотосинтезе легли в основу создания синтетических энергопреобразующих структур на основе порфиринов. Сконструированы различные химические структуры, способные к 1% межмолекулярному (диады) и внутримолекулярному (димеры) переносу энергии электронного возбуждения от донора к акцептору. В этих синтетических трехкомпонентных системах (безметалльный порфирин — Zn порфирин — хинон) осуществлена последовательность событий, реализуемых в фотосинтезирующих организмах: поглощение света → миграция энергии → разделение зарядов. Такие синтетические структуры могут стать прообразом искусственных энергопреобразующих устройств будущего.
Перспективы (как в фундаментальном, так и в прикладном аспекте) связаны с возможностью создания гибридных наноразмерных биоэнергетических и биосенсорных устройств. Фотосинтетический реакционный центр является природным наноструктурным образованием. Именно специфика протекания фотофизических и фотохимических процессов в наноразмерных структурах объясняет уникальные энергопреобразующие свойства фотосинтетических РЦ. Гибридные устройства типа: РЦ — нанотрубка или молекулярный провод — электрод — внешняя электрическая цепь могут стать прообразом биоэлектрических генераторов энергии.
Бактериородопсин
Эволюционно наиболее ранним фотопреобразующим комплексом является белок бактериородопсин, осуществляющий светоиндуцированный трансмембранный перенос протонов, создающих «движущую силу» для последующего синтеза АТФ. Этот белок, выполняющий в настоящее время функцию так называемого «бесхлорофильного» фотосинтеза у некоторых видов архебактерий, чрезвычайно устойчив к различным воздействиям. Физические механизмы функционирования данного фотопреобразующего комплекса привлекают самое пристальное внимание исследователей в течение последних десятилетий.
В проводимых на кафедре биофизики работах было показано, что конформационная подвижность фототрансформирующих белков, как и в случае классических ферментов, играет ключевую роль в их функционировании. Ее роль проявляется, начиная с пикосекундных стадий переноса электрона, в которых микроконформационная динамика обеспечивает быстрые релаксационные процессы, сопровождающие эффективную временную стабилизацию первичного разделения заряда. Гораздо более медленные конформационные изменения, приводящие к формированию выделенных структурных состояний макромолекулярного комплекса, контролируют направленность и скорость дальнейшего переноса зарядов. Была показана важнейшая роль состояния внутримолекулярных водородных связей в указанных процессах.
Детальное изучение влияния температурного фактора на первичные фотофизические процессы превращения световой энергии позволило сформулировать концепцию фотоконформационного перехода как эффективного механизма регуляции скорости переноса электронов в фоточувствительной макромолекулярной структуре.
Иммобилизация этих белков в полимерных матрицах, формирование на их основе тонких ориентированных пленочных структур, включение полупроводниковых и других электропроводящих компонентов в создаваемые конструкции открывает широкие возможности изучения практического применения белков РЦ и бактериородопсина. Имеется приборная база для формирования и изучения свойств упорядоченных моно- и мультислойных многокомпонентных пленочных конструкций с участием фоточувствительных белков (техника Ленгмюра- Блоджетт, атомно-силовая и туннельная микроскопия, электрохимический анализатор).
Кислород-выделяющий комплекс хлоропластов (КВК)
Фотохимическое разделение зарядов в РЦ фотосистем индуцирует транспорт электронов в ЭТЦ фотосинтеза. У высших растений и водорослей донором электронов является вода. Побочный продукт окисления воды, кислород, выбрасывается в атмосферу, его накопление в атмосфере привело к ее радикальной трансформации и послужило фундаментом для развития многочисленных форм животных. Процесс, сопровождающийся фотоокислением воды с выделением кислорода, называется оксигенным фотосинтезом, и начальные его стадии (окисление воды) осуществляются в пигмент-белковом комплексе фотосистемы II. Поглощение света ФС II сопряжено с работой каталитического центра — кислород выделяющего комплекса. КВК состоит из 4 катионов марганца и 1 катиона кальция. Фундаментальная роль данного металлофермента в функционировании биосферы определяет высокую интенсивность исследований механизмов работы КВК и ФС II. Однако, несмотря на значительные успехи в понимании основ функционирования ФС II, работа ее ключевого звена, КВК, все еще остается неясной.
В проводимых в настоящее время исследованиях ФС II широко используются новейшие методы, применяемые в передовых областях биофизики, биохимии, молекулярной биологии, нанотехнологии для изучения каталитических центров металлоферментов, механизмов внутри- и межмолекулярного переноса электрона, структурной организации и функционирования наноструктур. К ним можно отнести различные методы регистрации флуоресценции, рентгеноструктурный анализ, точечный мутагенез, компьютерное моделирование структуры, рентгеновскую спектроскопию, ЭПР, инфракрасную спектроскопию с Фурье разложением и т.д. Исследования КВК, проводимые на кафедре биофизики, направлены на выяснение структурной организации КВК с использованием разработанного метода замещения катионов марганца на катионы железа, а также роли кофакторов КВК — катионов кальция и анионов хлора — в окислении воды.
Проблемы регуляции первичных процессов фотосинтеза
Фотосинтетический аппарат имеет сложную многоуровневую систему регуляции, которая должна обеспечивать эффективное использование энергии света, а также сопряжение световых и темновых процессов фотосинтеза. Существует целая иерархия регуляционных механизмов, зависящих от физиологического состояния и изменений среды, которые условно можно разделить на «медленные» и «быстрые». «Медленные» предполагают перестройку и изменение структуры хлоропласта и его компонентов, их действие связано с включением генетического аппарата и синтезом новых белков, для чего требуется определенное время (минуты, часы). Эти процессы зависят от работы регуляторных белков, которые активируются под действием света.
Механизмы «быстрой» регуляции, ответственные за динамические изменения в функционировании отдельных участков фотосинтетической цепи, с синтезом белка не связаны. Они основаны на изменениях констант взаимодействия переносчиков, например, вследствие изменения их конформации, и направлены на недопущение перевосстановленности ЭТЦ при высоких освещенностях. Из результатов исследований последних лет, проводимых на кафедре биофизики, можно предполагать, что следствием наличия гибкой системы регуляции является защита от окислительных повреждений, а целью быстрой регуляции электронтранспортных процессов фотосинтеза — создание оптимального состояния ЭТЦ, когда нет избытка или недостатка электронов на определенных ее участках, что позволяет защитить фотосинтетические мембраны от фотодеструкции.
Наличие большого числа акцепторов электронов открывает дополнительные возможности для регуляции электронного потока и систем ассимиляции СО2 и азота, что необходимо для обеспечения процессов синтеза белка в хлоропласте. Кроме того, существование альтернативных путей сброса электронов препятствует «перевосстановлению» компонентов, поддерживая их в определенном редокс-состоянии.
Существует несколько механизмов, защищающих фотосинтетические мембраны от фотоповреждения. Важную роль играет нефотохимическое тушение возбужденных состояний хлорофилла, этот механизм связан с образованием трансмембранного ΔрН, а также работой виолоксантинового цикла. Вся не использованная в фотосинтезе энергия поглощенных квантов света рассеивается в виде тепла или излучается в виде флуоресценции. Увеличение рассеивания энергии в виде тепла уменьшает количество актов разделения зарядов в РЦ и, соответственно, приводит к уменьшению потока электронов в ЭТЦ. Подавляющая часть флуоресценции, наблюдаемой при изучении листьев высших растений или суспензий зеленых водорослей, генерируется в ФС II. В настоящее время параметры флуоресценции широко используются в фундаментальных и прикладных исследованиях как показатель состояния и эффективности функционирования фотосинтетического аппарата. Основная идея состоит в том, что уменьшение эффективности запасания света в фотосинтезе приводит к увеличению интенсивности флуоресценции. Изменения состояния фотосинтетического аппарата сопровождаются изменением вероятности тушения энергии электронного возбуждения молекул хлорофилла, что и проявляется в изменении квантового выхода и времени затухания флуоресценции.
Фотоиндуцированное выделение водорода
Перспективным направлением исследований является фотоиндуцированное выделение водорода эукариотическими микроводорослями — еще один механизм регуляции первичных процессов фотосинтеза. Этот удивительный процесс был открыт более 60 лет назад и активно используется в биотехнологических целях, однако в понимании молекулярных механизмов и принципов регуляции процесса есть еще много белых пятен. Водород выделяется гидрогеназой — ферментом, восстанавливающим протоны до молекулярного водорода. Непосредственными донорами электронов в гидрогеназной реакции являются ферредоксин или НАДФ. Таким образом, фотоиндуцированное выделение водорода тесно связано с работой фотосинтетической ЭТЦ, но непременным условием этого процесса является отсутствие кислорода, который ингибирует активность фермента даже при очень низких концентрациях.