1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Химическая физика
  4. T. 42, № 6, 2023

Химическая физика, 2023, T. 42, № 6, стр. 77-87

Дипольный момент перехода S0 → S1 хлорофилла a в растворителях с различным индексом рефракции

Д. А. Черепанов 1, 2, *, Г. Е. Милановский 2, А. В. Айбуш 1, В. А. Надточенко 1, 3

1 Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Москва, Россия

2 Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Москва, Россия

3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Москва, Россия

* E-mail: cherepanov@belozersky.msu.ru

Поступила в редакцию 11.01.2023
После доработки 18.01.2023
Принята к публикации 20.01.2023

Аннотация

Проведен расчет зависимости дипольного момента перехода S0 → S1 хлорофилла a от величины индекса рефракции n растворителя. Проанализированы взаимодействия между электрическим полем световой волны, электронным переходом пигмента в возбужденное состояние и диэлектрической поляризацией оптической среды. Эффект реактивного увеличения переходного дипольного момента молекулы хлорофилла a в растворителях с различной величиной индекса рефракции рассчитан в рамках нестационарной теории функционала плотности (TD–DFT) с использованием гибридного функционала LC-ωPBE и модели поляризуемого континуума. Расчеты ab initio аппроксимированы моделью реактивного поля Онзагера с эффективной поляризуемостью хлорофилла равной 21 Å3. Модель количественно описывает экспериментальную зависимость коэффициента экстинкции хлорофилла a в растворителях с индексом рефракции 1.3 < n < 1.7. В белковом окружении с индексом рефракции n = 1.4 величина дипольного момента перехода хлорофилла составляет 5.5 Д. Для этого окружения было рассчитано распределение электростатического потенциала в основном и возбужденном состояниях хлорофилла; расчеты ab initio аппроксимированы набором парциальных переходных зарядов, расположенных на тяжелых атомах π-сопряженной системы молекулы хлорофилла.

Ключевые слова: хлорофилл a, реактивное поле, сила осциллятора, дипольный момент перехода, модель континуальной поляризуемой среды, переходные парциальные заряды.

Список литературы

  1. Mirkovic T., Ostroumov E.E., Anna J.M. et al. // Chem. Rev. 2017. V. 117. № 2. P. 249; https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00002

  2. Zucchelli G., Jennings R.C., Garlaschi F.M. et al. // Biophys. J. 2002. V. 82. № 1. P. 378; https://doi.org/10.1016/S0006-3495(02)75402-7

  3. Madjet M.E., Abdurahman A., Renger T. // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. № 34. P. 17268;. https://doi.org/10.1021/jp0615398

  4. Seely G.R., Jensen R.G. // Spectrochim. Acta. 1965. V. 21. № 10. P. 1835; https://doi.org/10.1016/0371-1951(65)80095-9

  5. Houssier C., Sauer K. // J. Amer. Chem. Soc. 1970. V. 92. № 4. P. 779; https://doi.org/10.1021/ja00707a007

  6. Colbow K. // BBA – Bioenerg. 1973. V. 314. № 3. P. 320; https://doi.org/10.1016/0005-2728(73)90116-3

  7. Shipman L.L., Cotton T.M., Norris J.R., Katz J.J. // J. Amer. Chem. Soc. 1976. V. 98. № 25. P. 8222; https://doi.org/10.1021/ja00441a056

  8. Linke M., Lauer A., Von Haimberger T. et al. // Ibid. 2008. V. 130. № 45. P. 14904; https://doi.org/10.1021/ja804096s

  9. Shipman L.L. // Photochem. Photobiol. 1977. V. 26. № 3. P. 287; https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1977.tb07486.x

  10. Knox R.S. // Ibid. 2003. V. 77. № 5. P. 492; https://doi.org/10.1562/0031-8655(2003)0770492-daosoc2.0.co2

  11. Oviedo M.B., Sánchez C.G. // J. Phys. Chem. A. 2011. V. 115. № 44. P. 12280; https://doi.org/10.1021/jp203826q

  12. Khokhlov D., Belov A. // Biophys. Chem. 2019. V. 246. P. 16; https://doi.org/10.1016/j.bpc.2019.01.001

  13. Birge R.R., Sullivan M.J., Kohler B.E. // J. Amer. Chem. Soc. 1976. V. 98. № 2. P. 358; https://doi.org/10.1021/ja00418a007

  14. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Petersson G.A., Nakatsuji H., Li X., Caricato M., Marenich A.V., Bloino J., Janesko B.G., Gomperts R., Mennucci B., Hratchian H.P., Ortiz J.V., Izmaylov A.F., Sonnenberg J.L., Williams-Young D., Ding F., Lipparini F., Egidi F., Goings J., Peng B., Petrone A., Henderson T. // Gaussian 16. Rev. C. 01. Wallingford CT: Gaussian Inc., 2016.

  15. Yanai T., Tew D.P., Handy N.C. // Chem. Phys. Lett. 2004. V. 393. № 1–3. P. 51; https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.06.011

  16. Henderson T.M., Izmaylov A.F., Scalmani G., Scuseria G.E. // J. Chem. Phys. 2009. V. 131. № 4. P. 044108; https://doi.org/10.1063/1.3185673

  17. Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. // Chem. Rev. 2005. V. 105. № 8. P. 2999; https://doi.org/10.1021/cr9904009

  18. Marenich A. V., Cramer C.J., Truhlar D.G. // J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. № 18. P. 6378; https://doi.org/10.1021/jp810292n

  19. Lu T., Chen F. // J. Comput. Chem. 2012. V. 33. № 5. P. 580; https://doi.org/10.1002/jcc.22885

  20. Черепанов Д.А., Милановский Г.Е., Надточенко В.А., Семёнов А.Ю. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 5.

  21. Chako N.Q. // J. Chem. Phys. 1934. V. 2. № 10. P. 644; https://doi.org/10.1063/1.1749368

  22. Lorentz H.A. The Theory of Electrons. 2nd edn. Leipzig, New York: Dover, 1952.

  23. Onsagbr L. // J. Amer. Chem. Soc. 1936. V. 58. № 8. P. 1486; https://doi.org/10.1021/ja01299a050

  24. Fröhlich H. Theory of Dielectrics: Dielectric Constant and Dielectric Loss. Oxford: Clarendon Press, 1949.

  25. Böttcher C.J.F., van Belle O.C., Bordewijk P., Rip A. Theory of electric polarization. 2nd ed. V. 1. Dielectrics in static fields. Amsterdam, New York: Elsevier Scientific Pub. Co, 1974.

  26. Mulliken R.S., Rieke C.A. // Rep. Prog. Phys. 1941. V. 8. № 1. P. 231; https://doi.org/10.1088/0034-4885/8/1/312

  27. Pickett L.W., Paddock E., Sackter E. // J. Amer. Chem. Soc. 1941. V. 63. № 4. P. 1073; https://doi.org/10.1021/JA01849A051/ASSET/JA01849-A051.FP.PNG_V03

  28. Jacobs L.E., Platt J.R. // J. Chem. Phys. 1948. V. 16. № 12. P. 1137; https://doi.org/10.1063/1.1746745

  29. Neporent B.S., Bakhshiev N.G. // Opt. Spectrosc. 1958. V. 5. № 634. P. 1954.

  30. Moffitt W., Moscownz A. // J. Chem. Phys. 1959. V. 30. № 3. P. 648; https://doi.org/10.1063/1.1730025

  31. Bakhshiev N.G., Girin O.P., Libov V.S. // Opt. Spectrosc. 1963. V. 14. P. 255.

  32. Lorenz L. // Ann. Phys. 1880. V. 247. № 9. P. 70; https://doi.org/10.1002/andp.18802470905

  33. Pacak P. // J. Solut. Chem. 1987. V. 16. № 1. P. 71; https://doi.org/10.1007/BF00647016

  34. Bakhshiev N.G. // Opt. Spectrosc. 1958. V. 5. № 646. P. 1954.

  35. Schuyer J. // Recl. des Trav. Chim. des Pays-Bas. 1953. V. 72. № 11. P. 933; https://doi.org/10.1002/recl.19530721104

  36. Bakhshiev N.G., Girin O.P., Libov V.S. // Opt. Spectrosc. 1963. V. 14. P. 395.

  37. Liptay W. // Z. Naturforschg. A. 1966. V. 21. № 10. P. 1605; https://doi.org/10.1515/zna-1966-1010

  38. Weigang O.E. // J. Chem. Phys. 1964. V. 41. № 5. P. 1435; https://doi.org/10.1063/1.1726086

  39. Хохлова С.С., Михайлова В.А., Иванов А.И. // Хим. физика. 2007. Т. 26. № 7. С. 27.

  40. Karakas A., Ceylan Y., Karakaya M. et al. // Open Chem. 2018. V. 16. № 1. P. 1242; https://doi.org/10.1515/chem-2018-0134

  41. Knox R.S., van Amerongen H. // J. Phys. Chem. B. 2002. V. 106. № 20. P. 5289; https://doi.org/10.1021/jp013927+

  42. Knox R.S., Spring B.Q. // Photochem. Photobiol. 2003. V. 77. № 5. P. 497; https://doi.org/10.1562/0031-8655(2003)0770497-dsitc2.0.co2

  43. Adolphs J., Müh F., Madjet M.E.A. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 2010. V. 132. № 10. P. 3331; https://doi.org/10.1021/ja9072222

  44. Novoderezhkin V.I., Palacios M.A., Van Amerongen H., Van Grondelle R. // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. № 20. P. 10493; https://doi.org/10.1021/jp044082f

  45. Adolphs J., Müh F., Madjet M.E.A., Renger T. // Photosynth. Res. 2008. V. 95. № 2–3. P. 197; https://doi.org/10.1007/s11120-007-9248-z

  46. Krawczyk S. // BBA – Bioenerg. 1991. V. 1056. № 1. P. 64; https://doi.org/10.1016/S0005-2728(05)80073-8

  47. Altmann R.B., Haarer D., Renge I. // Chem. Phys. Lett. 1993. V. 216. № 3–6. P. 281; https://doi.org/10.1016/0009-2614(93)90095-I

  48. Хохлова С.С., Михайлова В.А., Иванов А.И. // ЖФХ. 2008. Т. 82. № 6. С. 1161.

  49. Van Manen H.J., Verkuijlen P., Wittendorp P. et al. // Biophys. J. 2008. V. 94. № 8. P. L67; https://doi.org/10.1529/biophysj.107.127837

  50. Vörös J. // Biophys. J. 2004. V. 87. № 1. P. 553; https://doi.org/10.1529/biophysj.103.030072

  51. Zölls S., Gregoritza M., Tantipolphan R. et al. // J. Pharm. Sci. 2013. V. 102. № 5. P. 1434; https://doi.org/10.1002/jps.23479

  52. Byrdin M., Jordan P., Krauss N. et al. // Biophys. J. 2002. V. 83. № 1. P. 433; https://doi.org/10.1016/S0006-3495(02)75181-3

  53. Yang M., Damjanović A., Vaswani H.M., Fleming G.R. // Ibid. 2003. V. 85. № 1. P. 140; https://doi.org/10.1016/S0006-3495(03)74461-0

  54. Akhtar P., Caspy I., Nowakowski P.J. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 2021. V. 143. № 36. P. 14601; https://doi.org/10.1021/jacs.1c05010

  55. Kimura A., Kitoh-Nishioka H., Aota T., et al. // J. Phys. Chem. B. 2022. V. 126. № 22. P. 4009; https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c00869

  56. Philipson K.D., Cheng Tsai S., Sauer K. // J. Phys. Chem. 1971. V. 75. № 10. P. 1440; https://doi.org/10.1021/J100680A013/ASSET/J100-680A013.FP.PNG_V03

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Химическая физика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал