Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:О роли когерентности в сверхслабых взаимодействиях в биосистемах и биосфере. Монография.pdf
ральных структурах, соединяющих домены, а также посредством
внутренней динамики [Там же].
2. В других фоторецепторах (криптохромы и родопсины) хро-
мофор входит в ту же единицу, что и активный центр или ионный канал, хотя в ряде случаев они также демонстрируют модульную структуру (например, энзимеродопсины) [Там же]. В фотоферментах
(ДНК-фотолиазах) кофактор находится в активном центре белка, и
его возбуждение является условием каталитического акта. Но в случае криптохромов и ДНК-фотолиаз также имеется доменная структура: антенный хромофор, поглощающий фотон, и хромофор в активном центре, на который переносится энергия возбуждения с антенного домена (флуоресцентный резонансный перенос энергии).
В традиционных фоторецепторах: родописинах, фитохромах и
ксантоопсинах (фотоактивные желтые протеины), кофакторы претерпевают изомеризацию. Флавиновые же кофакторы нуждаются в молекулах-партнерах [Kennis and Groot, 2007]. Флавины часто участвуют в энзиматическом катализе с формированием ковалентных интермедиатов флавина и субстратов. Возбужденный флавин является
очень сильным окислителем. Синглетные и триплетные состояния
флавинов в апобелках индуцируют электронный перенос с соседних
триптофана или тирозина. Изменение электронных свойств флавина
индуцирует локальные химические реакции и перестройку сети водородных связей [Zoltovsky and Gardner, 2011]. Присоединение электрона формирует свободнорадикальную форму, к которой ковалентно
присоединяется остаток окисляемого субстрата с образованием фотоаддукта. Флавиновые и птериновые фоторецепторы способны к фотокатализу реакций, запасающих свободную энергию, но вопрос об участии этих коферментов в энергопреобразующих системах остается открытым [Крицкий и др., 2010].
Сделаем пару замечаний. Некоторые фоторецепторы, содержащие два и более хромофоров, способны сопрягать сигналы разной
природы [Möglich et al., 2010], например световой и химический (Ary-
sa sativa протеин HAL3), ожидается, что в ближайшем будущем будут
открыты новые фоторецепторы с подобными свойствами. Также различные фоторецепторы (криптохромы и фитохромы) могут светозависимо взаимодействовать между собой [Huges et al., 2012].
Перейдем к рассмотрению конкретных классов фоторецепторов.
Мы будем акцентировать внимание на элементах согласованной динамики в их фотоциклах. Во флавиновых и птериновых рецепторах
первичный механизм фоторецепции включает в себя согласованную
51
перестройку водородных связей, упорядоченную, коррелированную
A
динамику. Для ретиноидов установлена долгоживущая колебательная
когерентность.
А. Криптохромы и ДНК-фотолиазы
Структура криптохромов, обнаруженных в растениях и животных, похожа на структуру ДНК-фотолиаз, восстанавливающих поврежденные ДНК. Считалось, что криптохромы не обладают этим
свойством, но обнаружены исключения [Bayram et al., 2008]. Это свидетельствует о том, что различные механизмы световой регуляции
тесно связны и имеют общее древнее происхождение.
Фотосенсорные домены криптохромов ассоциированы с ДНКфотолиазами. Апобелки криптохромов и ДНК-фотолиаз нековалентно
связывают два хромофора [Крицкий, 2010]. В окрестности ФАДхромофора находится антенный хромофор (5,10-метенилтетрагидрофолат — MTHF, 7,8-дидеметил-8-гидрокси-5-дезазарибовлавин
— 8-HDF или флавин), поглощающий фотон, энергия которого посредством резонансного диполь-дипольного механизма переносится
на хромофор ФАД. Кроме того, в окрестности FAD-хромофора находится цепочка триптофановых остатков, участвующая в переносе
электронов на ФАД [Möglich et al., 2010]. В фотолиазах расстояние от
D
антенного домена до флавина около 17
, эффективность межхромо-
форного переноса энергии для случая 8-HDF антенны составляет почти 100 %. Флавиновый хромофор расположен в глубине протеина, а
антенный хромофор утоплен в междоменную щель.
Фотолиазы активируются полностью восстановленным флавином, который почти не поглощает видимый свет (максимум поглощения – 360 нм) [Ahmad et al., 2002], поэтому возбуждение на восстановленный флавин передается с антенного пигмента
с последующим
переносом электрона на поврежденную ДНК.
В криптохромах фотон поглощается антенным доменом, и далее
энергия синглетно возбужденного антенного хромофора переносится на
хромофор ФАД. Внутримолекулярный перенос электронов с триады остатков триптофана в апобелке на ФАД приводит к возникновению его семихинонной формы – сигнального состояния [Крицкий и др., 2010]. В этом
процессе возникают свободнорадикальные формы флавина, в частности
радикальная пара ФАД — остаток триптофана [Там же]. Передача сигнала
на эффекторную область приводит к автофосфорилированию и активации
криптохрома как протеинкиназы или фактора транскрипции [Там же].
52
Имеется некоторая интегрированность в рецепции сигналов различной природы с рецепцией электромагнитных сигналов. Так, чувствительность растений к слабому магнитному полю такому, как геомагнитное, связана с сигнальными путями криптохрома [Ahmad, 2007].
При облучении синим светом магнитная чувствительность организмов
имеет место, при облучении красным — теряется [Там же]. Предполагают, что магниточувствительность животных (магнитный компас
птиц) также связана с этим фоторецептором [Wiltschko and Wiltschko,
2006]. Эту магниточувствительность биосистем объясняют возникновением радикальной пары в возбужденном криптохроме [Wiltschko and
Wiltschko, 2006; Ahmad et al., 2007]. Как отмечено выше, в фотоцикле
криптохрома образуется радикальная пара, состоящая из ФАД и остатка триптофана. Внешнее магнитное поле может привести к интерконверсии между триплетными и синглетными состояниями и тем самым
повлиять на выход реакции [Wiltschko and Wiltschko, 2006]. Поэтому
магнитную чувствительность растений и животных можно объяснить
фотовозбуждением криптохрома и модуляцию его сигнала магнитным
полем. Также гравичувствительность растений и грибов связана с системой фоторецепторов синего света, так что гравитационные сигналы
модулируют фоторецепторы синего света [Schmidt and Galland, 2004].
Б. Белки, содержащие LOV-домены
В класс белков, содержащих LOV-домены, входят фототропины
1 и 2, ZEITLUPE-семейство (ZEITLUPE, FKF1, LKP2), аурохромы
(транскрипционные факторы), PAS-LOV-протеин. LOV-домены при-
сутствуют в прокариотических и эукариотических организмах.
В LOV-доменах хромофором выступает флавиновый кофактор
ФАД или ФМН, нековалентно связанный с протеином посредством
водородных связей и гидрофобных взаимодействий. При поглощении
фотона с длиной волны примерно 450 нм π-электронная система флавинового кофактора переходит в (химически инертное) синглетное
состояние, в котором поляризация формирует слабые положительный
и отрицательный заряды на атомы C(4a) и N5 ФМН соответственно.
Далее посредством интеркомбинационной конверсии осуществляется
переход в триплетное состояние (на пикосекундном — наносекундном масштабе), при этом поляризация усиливается и атом N5 формирует водородную связь с S-H
соседнего цистеина. Это приводит к переносу электрона с цистеина на ФМН и формированию промежуточной радикальной пары, через которую формируется ковалентная связь
между атомом углерода флавинового кольца и остатком цистеина (на
53
микросекундном масштабе) [Kennis and Groot, 2007; Matsuoka et al.,
α
−
α
−
α
2007].
Это промежуточное состояние является сигнальным. Конформационные и динамические изменения, вызванные образованием ковалентной связи, приводят к развертыванию α-спирали, внешней по отношению к этому домену, называемой
J
-спиралью. Сигнал передается и через другие структуры на эффекторную область. Окончательно цистеин-флавиновый аддукт формируется на миллисекундном
масштабе на фоне изменений β-структур. Возвращение к основному
состоянию происходит на масштабе секунды или много больше [Bauer et al., 2011; Pfeifer et al., 2009]. В сигнальном состоянии имеют место небольшие структурные изменения (в том числе вторичной структуры) в непосредственной окрестности флавинового кофактора и изменения в динамике, но при этом развертывается
вертывание
−J
-спирали играет важную роль в регуляции киназной
J
-спираль. Раз-
активности фоторецептора, являясь достаточным для активации киназы [Harper et al., 2004], хотя, по-видимому, не необходимым. Эти
взаимодействия определяют последующие события в клеточной сигнализации. Длинные междоменные связывающие спирали найдены у
многих сигнальных протеинов, и изменения этих спиралей могут играть важную роль в передаче сигнала [Möglich et al., 2010].
Возбуждение хромофора, связанного в сенсорном домене, активирует эффекторный домен, запускающий последующие реакции. В
фототропинах – серин-треониновых киназах, содержащих два LOVдомена (LOV1, LOV2), осуществляется автофосфорилирование в нескольких сериновых и треониновых остатках. Кроме того, фототропины взаимодействуют с другими протеинами. В гистидинкиназах
происходит фосфорилирование гистидинового остатка киназы [Swartz
et al., 2007]. Эффекторные домены других LOV-фоторецепторов содержат «цинковые пальцы», будучи, по-видимому, факторами транскрипции. Помимо регуляции генной экспрессии эффекторные модули
могут быть фосфатазами и фосфодиэстеразами [Losi and Gärtner,
2011].
В. Белки, содержащие BLUF-домены
В белках, содержащих BLUF-домены, кофактором является
нековалентно связанный с протеином полностью окисленный FAD.
Синглетное возбуждение индуцирует перенос электрона с остатка
тирозина на флавиновое кольцо, что сопровождается возникновением радикальной пары, вследствие чего боковая цепь остатка глу-
54
тамина, расположенного поблизости, поворачивается, далее электрон возвращается на тирозин. При этом реорганизуется система
водородных связей [Kennis and Groot, 2007]. Происходит согласованная перестройка водородных связей, как и в вышеописанных
случаях. Сигнальное состояние формируется с высоким квантовым
выходом на субнаносекундном масштабе. Возвращение к основному состоянию происходит на секундном масштабе. Индуцируемые
светом изменения в четвертичной структуре и динамике сопровождают перенос сигнала на эффекторную область, как и для LOVпротеинов.
Г. Фитохромы
Фитохромы и бактериофитохромы содержат билиновый хромофор, линейный тетрапиррол. Поглощение фотона вызывает переход
состояния, в котором поглощается красный свет, в состояние, в котором поглощается дальний красный свет, и наоборот. Любое из этих
состояний может быть основным. Этот переход начинается с быстрой
(Z/E) изомеризации вокруг C15=C16 двойной связи между кольцами
C и D в билиновом хромофоре, соответствующей вращению кольца D
[Kennis and Groot, 2007]. Последующие шаги происходят на миллисе-
кундном — секундном масштабе [Dasgupta et al., 2009]. Изменения в
конформации и динамике в окрестности хромофора передаются на
эффекторный домен междоменными взаимодействиями или изменениями в междоменных связывающих спиралях.
Д. Родопсины
Родопсины являются интегральными мембранными белками.
Однако помимо того, что родопсины функционируют как светорегулируемые мембранные каналы, родопсиновые сенсорные домены могут быть связаны с теми же эффекторными областями, что и цитоплазматические фоторецепторы (например, в энзимеродопсинах). Наряду с тем, что родопсины – специализированные фоторецепторы в
органах зрения животных, они идентифицированы как фоторецепторы в микроорганизмах и водорослях. Родопсины считаются одними
из самых древних белков. В качестве хромофора здесь выступают ретинали. При поглощении фотона ретиналь в родопсине претерпевает
быструю изомеризацию (200 фс с квантовым выходом 0,65) из 11цис-формы в полностью транс-форму, что меняет конформацию апобелка опсина, приводит к разрыву ковалентной связи между ретина-
55
лем и опсином и к запуску сигнализации [Смитиенко и др., 2010]. Подобным образом дело обстоит для бактериородопсинов и родопсинов
водорослей.
Фотореакция родопсина и бактериородопсина носит нестатистический когерентный характер: в процессе реакции имеет место колебательная когерентность — фазированные движения ядер ретиналя на
пикосекундном масштабе, так что возможно управление реакцией посредством изменения фаз волновых пакетов, соответствующих реакционным колебательным модам [Смитиенко и др., 2010; Kraak et al.,
2011, 2012]. Изменение энергии возбуждающего фотона на 2000 см1−
меняет соотношение амплитуд различных реакционных колебательных мод [Смитиенко и др., 2010], что дает один из возможных механизмов управления динамикой фотореакции.
Наличие долгоживущих когерентных колебаний, относящихся к
возбужденному электронному состоянию в бактериородопсине в течение всего времени его существования, свидетельствует, что изомеризация этого фоторецептора — глубоко когерентный процесс [Groma et
al., 2011]. Вообще, в ретиноидах эволюция низкочастотных колебательных когерентностей может иметь критическое значение в эволюции населенностей возбужденных состояний, а значит, в эффективности фотореакции. Управление когерентностями в ретиноидах с помощью внешних световых сигналов может быть основано на квантовой
интерференции [Buckup et al., 2011]. Управление биологической функцией фоторецептора с помощью слабого возбуждения, так что динамика протеина соответствует его поведению в нормальных биологических условиях, осуществлено в [Prokhorenko et al., 2006, 2011]: фотоизомеризация ретиналя бактериородопсина может быть усилена или
уменьшена на 20 % в обоих направлениях [Prokhorenko et al., 2006;
Nagy et al., 2006]. Другой сценарий квантового управления фотоизомеризацией ретиналя в бактериородопсине реализован в [Vogt et al., 2006;
Florean et al., 2009].
3.1.3. Фотосинтетические комплексы
и реакционные центры
Поглощение фотонов связано с двумя основными биологическими функциями: регуляторной и конверсией энергии. Впрочем, эти
функции часто совмещаются. В настоящем разделе мы обратимся к
фотосинтетическим комплексам и реакционным центрам, традиционно считающимся преобразователями энергии. Нас, однако, будут интересовать когерентные механизмы переноса энергии возбуждения.
56
В процессе фотосинтеза светособирающие комплексы поглощают фотоны и переносят энергию возникшего электронного возбуждения между молекулами к реакционному центру, где происходит ее
преобразование в энергию состояний с разделенными зарядами. Почти каждый поглощенный светособирающим комплексом фотон переносится к реакционному центру.
Фотосинтезирующие пигментпротеиновые комплексы включают
в себя пигменты (хромофоры) (хлорофилл в высших растениях, бактериохлорофилл в фотосинтезирующих бактериях, билины в морских
водорослях, каротеноиды и др.), связанные с протеинами. Их пространственные структуры характеризуются четким порядком и разнообразны по типам: от кольцеобразных до несимметричных и нерегулярных [Renger et al., 2001]. Межмолекулярные расстояния в кластерах хромофоров обычно сравнимы с размерами самих хромофоров
(малых молекул). Среднее расстояние между ближайшими пигмента-
D
ми в большинстве комплексов 9-12
A , что порождает сильные пиг-
мент-пигментные взаимодействия – взаимодействия, формирующие
существенное смешивание возбужденных состояний индивидуальных
пигментов. В результате комплексы характеризуются сложным многообразием возбужденных состояний, включающим в себя коллективные электронные возбуждения (экситоны) с высокой степенью делокализации в сочетании с более локализованными возбуждениями,
возникающими вследствие присутствия слабо связанных пигментов
[Novoderezhkin and Van Grondelle, 2010]. Обычно в ансамблях хромофоров распределения зарядов не перекрываются, так что межмолекулярная связь чисто электростатическая. Кулоновские взаимодействия
таким образом стабилизируют структуру комплексов, определяют их
оптические свойства и делают возможной миграцию энергии нейтрального электрического возбуждения по комплексу. Оптические
возбуждения комплексов являются экситонами Френкеля (молекулярными экситонами). Электронные возбуждения пигментов связаны
с коллективными ядерными модами пигмент-протеинового комплекса.
Долгоживущая колебательная когерентность
В процессе первичного переноса энергии или заряда возбужденные электронные (экситонные) состояния связаны с коллективными
ядерными внутримолекулярными и межмолекулярными движениями
хромофоров, а также с движениями протеинового окружения. Счита-
57
лось, что колебательная релаксация происходит быстрее, чем перенос
электрона или энергии. Но для ультрабыстрых процессов это не так
[Vos et al., 1991]. Например, при первичном разделении зарядов, переносе электрона в реакционном центре пурпурной бактерии Rhodo-
bacter Sphaeroides
ядерные движения не термализуются в течение
электронного переноса, но имеют место низкочастотные колебания в
электронно-возбужденном состоянии с сохранением фазы в течение
этого переноса, так что эти когерентные колебания интерферируют с
переносом электрона [Vos et al, 1994, 1991]. Иначе говоря, низкочастотные моды сохраняют фазовые корреляции на масштабе времени
депопуляции возбужденного состояния электронным переносом [Vos
et al., 1994]. Когерентности
связаны с населенностями вибронных
уровней: когерентность одной моды может быть создана при некогерентном возбуждении другой моды [Новодережкин и др., 2005].
Считалось, что скорость переноса электрона определяется термоактивированными колебаниями, сопровождающими приближение
к пересечению поверхностей потенциальной энергии донора и акцептора. В модели [Новодережкин и др., 2005] для реакционного центра
пурпурной бактерии
Rhodobacter Sphaeroides ведущую роль в дости-
жении пересечения поверхностей потенциальной энергии донора и
акцептора играет динамика коллективной ядерной моды с частотой
130 см1−, а не термоактивированные колебания. Колебательный волновой пакет, будучи внутри потенциальной поверхности акцептора,
смещается вдоль второй координаты, соответствующей другой моде
32 см1− (вращение молекулы кристаллографической воды HOH55,
расположенной между субъединицами реакционного центра [Яковлев
и др., 2012]), что дает необратимость разделения зарядов. Эта удивительная согласованная динамика коллективных ядерных мод увеличивает скорость переноса электрона и уменьшает скорость обратного
процесса [Новодережкин и др., 2005]. Такая динамика сохраняется и
при некогерентном возбуждении [Novoderezhkin et al., 2004]. Таким
образом, на фоне стохастической динамики когерентные колебательные моды обусловливают согласованное приближение к пересечению
поверхностей потенциальной энергии донора и акцептора, более того,
сами моды оказываются согласованными.
Колебательная когерентность имеет место в бактериальных реакционных центрах, бактериальных антенных комплексах, хлоросомах,
главном светособирающем комплексе высших растений II и др. [Novoderezhkin et al., 2000]. Также в каротеноидах низкочастотные колебательные когерентности могут критически влиять на населенности возбуж-
58
денных состояний, определяя эффективность фотореакции [Buckup et al.,
2011]. Колебательная когерентность в реакционных центрах и антенных
комплексах длится обычно несколько пикосекунд.
Колебательными когерентностями в каротениодах и, следовательно, эффективностью фотореакции можно управлять с помощью
внешних световых сигналов с помощью механизма квантовой интерференции [Bukup et al., 2011] (см. пп. 1.3.3). Управление внешними
оптическими сигналами путем изменения спектральной фазы управляющего импульса способно существенно изменять перенос энергии
даже в таких больших системах, как фотосинтетический светособирающий комплекс LH2. Управление в таких случаях может осуществляться серией импульсов с временными промежутками, соответствующими резонансам с важными для управляемого процесса модами
[Nagy et al., 2006].
Долгоживущая экситонная когерентность
Колебательная когерентность в реакционных центрах и антенных комплексах длится обычно несколько пикосекунд. Можно было
предположить, что электронная когерентность затухает намного быстрее, поскольку электронное возбуждение связано с большим перераспределением заряда и, следовательно, более чувствительно к
флуктуирующим полям окружения [Parson 2007]. Однако экспериментальные данные свидетельствуют об ином.
Результаты экспериментов [Engel et al., 2007; Lee et al., 2007; Pa-
nitchayangkoon et al., 2010, 2011; Collini et al., 2010; Turner et al., 2012],
основанных на двумерной электронной спектроскопии, позволяют утверждать, что в фотосинтетических системах перенос возбуждения
сопровождается суперпозицией квантовых состояний с фазовыми соотношениями, сохраняемыми в течение времени, достаточного для того,
чтобы повлиять на перенос энергии [Scholes, 2010; Olaya - Castro et al.,
2012]. Мы остановимся сначала на природе экситонов и квантовой когерентности, методологии исследований, затем приведем соответствующие результаты экспериментов и опишем теоретические модели и
подходы к проблеме возникновения долгоживущей электронной когерентности в биосистемах.
Экситоны и квантовая когерентность
Остановимся на вопросе о природе экситонов и квантовой когерентности. При возбуждении системы, содержащей достаточно сильно связанные хромофоры, возбужденное состояние не может быть
описано возбуждением только одного хромофора, но возбуждение
59
распространяется одновременно на более чем одну молекулу (делока-
H
E
H
лизация). Пусть элементарное возбуждение пигментпротеинового
комплекса описывается волновой функцией n , соответствующей
возбуждению n -го пигмента. Согласно квантовой механике [Novoderezhkin and Van Grondelle, 2010], если пигменты связаны (будучи расположены рядом), возбужденное состояние комплекса определяется
...cn c n++
суперпозицией этих волновых функций
11 2 2
. Здесь одно
элементарное возбуждение поделено между несколькими молекулами. Такое коллективное возбуждение (называемое экситоном) отличается от независимо возбужденных молекул
n , 2n вследствие кор-
1
реляций (когерентностей) между ними, определяемых величинами
*
cc. Эти когерентности возникают, если гамильтониан содержит
12
внедиагональные члены (
~Hnn). В этом когерентном состоянии
21
одна молекула «знает» о возбуждении ее соседей. Это существенно
преобразует спектр комплекса пигментов и динамику переноса энергии, улучшая эффективность поглощения света и быстроту конверсии
от коротковолновых к длинноволновым спектральным областям.
Экситоны можно описать следующим образом. Гамильтониан
комплекса в базисе локальных волновых функций (возбужденных состояний) имеет вид
NN
где N – число молекул пигментов,
n-й молекулы,
да
U – энергия взаимодействия между n-й и m-й мо-
nm
лекулами. Внедиагональные связи
Enn U nm
=+
∑∑
nnm
1
nnm
=≠
– энергия электронного перехо-
n
U
порождают новые (коллектив-
nm
, (1)
ные) собственные состояния, делокализованные над несколькими сайтами, вместо возбуждений индивидуальных пигментов. Диагонализация гамильтониана (1)
дает энергии
N
1
kk
k
,
kcn
=ω
∑
k
=
ω
и волновые функции k экситонных собственных
k
=
N
∑
n
=
k
1
n
состояний. Коллективное экситонное состояние является когерентной
суперпозицией индивидуальных молекулярных возбуждений
Энергии
60
ω экситонных состояний сдвинуты относительно энергий
k
n .