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

Химическая физика, 2023, T. 42, № 6, стр. 88-94

Энергетический барьер фотоиндуцированного разделения зарядов в реакционных центрах фотосистем 1 и 2

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

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: tscherepanov@gmail.com

Поступила в редакцию 11.01.2023
После доработки 18.01.2023
Принята к публикации 20.01.2023

Аннотация

В работе анализируется энергетика реакций фотоиндуцированного разделения зарядов между близкорасположенными молекулами хлорофилла (Хл) и феофитина (Фео). Реакционные центры фотосистем (ФС) 1 и 2 включают в себя три пары спектрально-сходных порфириновых кофакторов, структура которых допускает возможность реализации альтернативных механизмов первичного разделения зарядов. Рассматривается континуальная модель образования ион-радикальных пар в диэлектрическом окружении, основанная на рассчитанных ab initio парциальных зарядах. Модель описывает экспериментальную зависимость среднеточечных редокс-потенциалов Хл и Фео в растворах с различной диэлектрической проницаемостью. В рамках этой модели определена энергия образования первичных ион-радикальных пар для обсуждаемых в литературе альтернативных механизмов разделения зарядов в ФС 1 и ФС 2. В рассматриваемом приближении в ФС 2 первичное разделение зарядов между мономером Хл (ХлD1) и Фео (ФеоD1) является единственным энергетически допустимым механизмом. Отсутствие Фео в аналогичной позиции в реакционном центре ФС 1 приводит к тому, что в этом комплексе мономер Хл не может выступать в качестве первичного донора электрона. Стабилизация первичной ион-радикальной пары в ФС 1 может происходить за счет делокализации электронной плотности в димере специальной пары молекул Хл (Р700) и гетеродимере молекул Хл, образующих первичный акцептор А0.

Ключевые слова: фотосистема 1, фотосистема 2, хлорофилл а, феофитин а, ион-радикальная пара, первичное разделение зарядов.

Список литературы

  1. Медведев Э.С., Котельников А.И., Горячев Н.С. и др. // Хим. физика. 2011. Т. 30. № 3. С. 71.

  2. Schenderlein M., Çetin M., Barber J. et al. // Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg. 2008. V. 1777. № 11. P. 1400; https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2008.08.008

  3. Gorka M., Charles P., Kalendra V. et al. // iScience. 2021. V. 24. № 7. P. 102719; https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102719

  4. Chauvet A., Dashdorj N., Golbeck J.H. et al. // J. Phys. Chem. B. 2012. V. 116. № 10. P. 3380; https://doi.org/10.1021/jp211246a

  5. Cherepanov D.A., Shelaev I. V., Gostev F.E. et al. // Photochem. Photobiol. Sci. 2021. V. 20. № 9. P. 1209; https://doi.org/10.1007/s43630-021-00094-y

  6. Shuvalov V.A. // Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg. 1976. V. 430. № 1. P. 113; https://doi.org/10.1016/0005-2728(76)90227-9

  7. Savikhin S. Photosystem I. Advances in Photosynthesis and Respiration. V. 24 / Ed. Golbeck J.H. Dordrecht: Springer, 2006. P. 155; https://doi.org/10.1007/978-1-4020-4256-0_12

  8. Shelaev I.V., Gostev F.E., Mamedov M.D. et al. // Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg. 2010. V. 1797. № 8. P. 1410; https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2010.02.026

  9. Gorka M., Baldansuren A., Malnati A. et al. // Front. Microbiol. 2021. V. 12. P. 2776; https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.735666

  10. Cherepanov D.A., Shelaev I. V., Gostev F.E. et al. // Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg. 2017. V. 1858. № 11. P. 895; https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2017.08.008

  11. Plato M., Krauß N., Fromme P., Lubitz W. // Chem. Phys. 2003. V. 294. № 3. P. 483; https://doi.org/10.1016/S0301-0104(03)00378-1

  12. Artiukhin D.G., Eschenbach P., Neugebauer J. // J. Phys. Chem. B. 2020. V. 124. № 24. P. 4873; https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.0c02827

  13. Müller M.G., Niklas J., Lubitz W., Holzwarth A.R. // Biophys. J. 2003. V. 85. № 6. P. 3899; https://doi.org/10.1016/s0006-3495(03)74804-8

  14. Molotokaite E., Remelli W., Casazza A.P. et al. // J. Phys. Chem. B. 2017. V. 121. № 42. P. 9816; https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b07064

  15. Климов В.В., Аллахвердиев С.И., Деметер Ш., Красновский А.А. // Докл. АН СССР. 1979. Т. 49. С. 227.

  16. Tomo T., Allakhverdiev S.I., Mimuro M. // J. Photochem. Photobiol., B. 2011. V. 104. № 1–2. P. 333; https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2011.02.017

  17. Кувыкин И.В., Вершубский А.В., Тихонов А.Н. // Хим. физика. 2009. Т. 28. № 4. С. 63.

  18. Nadtochenko V.A., Shelaev I. V., Mamedov M.D. et al. // Biochem. 2014. V. 79. № 3. P. 197; https://doi.org/10.1134/S0006297914030043

  19. Raszewski G., Saenger W., Renger T. // Biophys. J. 2005. V. 88. № 2. P. 986; https://doi.org/10.1529/biophysj.104.050294

  20. Novoderezhkin V.I., Romero E., Dekker J.P., Van Grondelle R. // Chem. Phys. Chem. 2011. V. 12. № 3. P. 681; https://doi.org/10.1002/cphc.201000830

  21. 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.

  22. Parr R.G., Weitao Y. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules. N.Y.: Oxford Academic, 1995; https://doi.org/10.1093/OSO/9780195092769.003.0005

  23. Jordan P., Fromme P., Witt H.T. et al. // Nature. 2001. V. 411. № 6840. P. 909; https://doi.org/10.1038/35082000

  24. Britt R.D., Marchiori D.A. // Science. 2019. V. 366. № 6463. P. 305; https://doi.org/10.1126/science.aaz4522

  25. Henderson T.M., Izmaylov A.F., Scalmani G., Scuseria G.E. // J. Chem. Phys. 2009. V. 131. № 4. P. 044 108; https://doi.org/10.1063/1.3185673

  26. Черепанов Д.А., Милановский Г.Е., Айбуш А.В., Надточенко В.А. // Хим. физика. 2023.

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

  28. Rocchia W., Alexov E., Honig B. // J. Phys. Chem. B. 2001. V. 105. № 28. P. 6507; https://doi.org/10.1021/jp010454y

  29. Vauthey E. // Chem. Phys. Chem. 2012. V. 13. № 8. P. 2001; https://doi.org/10.1002/cphc.201200106

  30. Kellogg M., Akil A., Muthiah Ravinson D.S. et al. // Faraday Discuss. 2019. V. 216. P. 379; https://doi.org/10.1039/c8fd00201k

  31. Krishtalik L.I. // Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg. 2011. V. 1807. № 11. P. 1444; https://doi.org/10.1016/J.BBABIO.2011.07.002

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

  33. Ptushenko V.V., Cherepanov D.A., Krishtalik L.I., Semenov A.Y. // Photosynth. Res. 2008. V. 97. № 1. P. 55; https://doi.org/10.1007/s11120-008-9309-y

  34. Lebedev A.Y., Filatov M.A., Cheprakov A.V., Vinogradov S.A. // J. Phys. Chem. A. 2008. V. 112. № 33. P. 7723; https://doi.org/10.1021/jp8043626

  35. Sazanovich I.V., Galievsky V.A., Van Hoek A. et al. // J. Phys. Chem. B. 2001. V. 105. № 32. P. 7818; https://doi.org/10.1021/jp010274o

  36. Röder B., Büchner M., Rückmann I., Senge M.O. // Photochem. Photobiol. Sci. 2010. V. 9. № 8. P. 1152; https://doi.org/10.1039/c0pp00107d

  37. Wasielewski M.R., Smith R.L., Kostka A.G. // J. Amer. Chem. Soc. 1981. V. 102. № 23. P. 358; https://doi.org/10.1021/JA00543A004/ASSET/JA00-543A004.FP.PNG_V03

  38. Kobayashi M., Ohashi S., Iwamoto K. et al. // Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg. 2007. V. 1767. № 6. P. 596; https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2007.02.015

  39. Saji T., Bard A.J. // J. Amer. Chem. Soc. 1977. V. 99. № 7. P. 2235; https://doi.org/10.1021/ja00449a034

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Химическая физика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал