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
нов окружения [Ishizaki et al., 2010b]. Ультракороткие временные
масштабы процессов переноса электронной энергии в пигментпротеиновых комплексах приводят к необходимости учитывать все
временные масштабы. Строгая теория процесса переноса электронной энергии в фотосинтетических комплексах может строиться только на основе эффектов конечных временных масштабов
флуктуационно-диссипативных процессов, порожденных протеинами, т.е. немарковского взаимодействия между электронным возбуждением и протеиновым окружением [Там же].
Другие аспекты механизма формирования долгоживущей квантовой когерентности, в особенности связанные с водным окружением,
рассмотрены в главе 4.
Квантовое запутывание
Для случая одноэкситонного возбуждения квантовая делокализация, вызванная экситонной связью, и квантовое запутывание концептуально одно и то же [Ishizaki and Fleming, 2010a]. Другими словами, наличие когерентности между сайтами означает наличие нелокальных квантово-механических корреляций (запутывания) между
сайтами; запутывание может пониматься как мера когерентности между сайтами [Hossein-Nejad and Scholes, 2010]. Однако величины, характеризующие запутывание, дают дополнительную информацию о
взаимодействии между квантовой делокализацией и окружением.
В качестве количественной меры запутывания в [Sarovar et al.,
N
2010] была предложена величина
−
∑
=i
1
iiii
ρtrρ+ρρ=E
lnln
, где
– мат-
ρ(t)
рица плотности. Численные расчеты [Там же] на основе модели
[Ishizaki and Fleming, 2009c] для комплекса ФМО показывают на-
личие запутывания на временных масштабах порядка 5 пс при 70 К
и порядка 2 пс при 300 К. Все сайты, вовлеченные в перенос возбуждения, участвуют в запутывании. При этом наблюдается значительная степень запутывания между хромофорами, наиболее уда
D
ленными друг от друга (расстояние
28~
A ) и очень слабо связан-
-
ными. Такое запутывание осуществляется с помощью хромофоров,
соединяющих эти сайты.
Таким образом, запутывание электронных возбуждений осуществляется среди сайтов, разделенных расстояниями порядка нескольких нанометров, и длится на пикосекундном временном масштабе.
Более того, запутанные возбуждения чувствительны к процессам переноса энергии, а не являются просто сформированными начальным
фотовозбуждением [Scholes, 2010].
81
Повышение эффективности переноса энергии
Фотовозбуждение формирует частично делокализованное состояние, и возбуждение в данный момент времени может быть одновременно на доноре и акцепторе. Интерференция между путями,
дающими вклад в перенос энергии, может приводить к повышению
его эффективности. В классическом же механизме возбуждение, находясь в каждый момент времени ровно на одном хромофоре, движется как бы последовательностью случайных прыжков.
Пути переноса энергии зависят от пространственных свойств
волновых функций возбужденных состояний всего комплекса. Эти
волновые характеристики переноса энергии в фотосинтетическом
комплексе могут объяснить его крайнюю эффективность, так как они
позволяют комплексам опробовать широкие объемы фазового пространства, чтобы найти наиболее эффективный путь переноса энергии
[Scholes, 2010].
Когерентное, коррелированное, коллективное поведение, волнообразное движение возбуждения, квантовая когерентность позволяют
возбуждению помнить свое более раннее местоположение. Это в корне
отличается от случайного прыжкообразного движения возбуждения,
соответствующего классическим механизмам переноса энергии. Квантовая когерентность в процессе переноса энергии дает возможность
искать наинизшее энергетическое состояние комплекса более эффективно (и, следовательно, усиливать эффективность переноса энергии в
реакционный центр), чем в случае действия классических механизмов.
Также квантовая когерентность позволяет избегать локальных энергетических минимумов (ловушек), что увеличивает эффективность переноса [van Grondelle and Novoderezhkin, 2010].
Квантовая когерентность помогает преодолевать энергетические
барьеры, способствует быстрому и обратимому движению возбуждения в пространстве, а последующая дефазировка помогает поймать
возбуждение в нужном сайте.
При повышении температуры термически возбуждаемые колебательные моды протеина дают более значительные флуктуации энергии,
ускоряя, следовательно, дефазировку. Хотя дефазировка разрушает когерентность, тонкое взаимодействие когерентности и дефазировки может
сформировать быстрый и однонаправленный перенос электронной энергии [Panitchayangkoon et al., 2010]. Расчеты показывают, что именно комнатная температура соответствует оптимальному переносу энергии. Дефазировка ловит возбуждение в локальном энергетическом минимуме, но не
успевает разрушить когерентность до того, как она совершит по крайней
82
мере один период квантовых биений и преодолеет энергетический барьер.
Когерентность предотвращает застревание возбуждения в локальных минимумах. Дефазировка же предотвращает потери в передаче энергии
вследствие экситонной рекомбинации и безызлучательного затухания
[Там же]. Когерентность в ФМО сохраняется примерно два цикла [Там
же], что соответствует оптимальной эффективности переноса.
Квантовая когерентность в естественных условиях
Этот вопрос рассмотрен в пп. 1.3.2 и главе 4.
3.1.4. «Фоторецепторный протеин» UVR8
Фоторецептор UVR8, регулирующий экспрессию генов в ответ
на УФ-B-излучение (низкого уровня), функционирует без простетического хромофора [Jenkins, 2009]. Этот фоторецептор представляет собой гомодимер, диссоциирующий на мономеры при поглощении
длинноволнового УФ-B-излучения. В нем содержится много ароматических остатков с поглощающими УФ-излучение боковыми цепями, но отсутствует какой-либо связанный кофактор, и фоторецепция
UVR8 полностью связана с протеином, с обычными аминокислотными боковыми цепями. Недавно установлено [Christie et al., 2012], что
свет в UVR8 воспринимает экситонно связанная триада плотно упа-
D
кованных (расстояния менее чем 4,5
A ) остатков триптофана, изоли-
рованных от растворителя. Плотность упаковки обеспечивает экситонную связь триптофанов. Эта связь, а также сам димер поддерживаются соляными мостиками с участием остатков аргинина. Фоторецепция триптофановым хромофором приводит к возбуждению экситонно связанной триптофановой «пирамиды» и далее к переносу
электрона с нее на аргинин, нейтрализацию заряда с разрушением соляных мостиков, стабилизирующих димер, что вызывает диссоциацию димера и запуск каскадов сигнализации.
Можно ожидать, что класс фоточувствительных рецепторов, содержащих только аминокислотные боковые цепи, характеризующийся простотой структуры, обеспечивающей фоторецепцию, достаточно
широк. В известном смысле данный фоторецептор напоминает флуоресцентные протеины, способные автокаталитически формировать
хромофор-излучатель и спонтанно флуоресцировать без кофакторов,
так что его можно было бы назвать фоторецепторным протеином.
Однако сам механизм фоторецепции тонок – в UVR8 восприятие
фотона происходит по экситонному механизму, используемому в фотосинтетических комплексах (см. пп. 3.1.3).
83
На основании этих фактов мы можем предположить, что экси-
K
тонная когерентность, обнаруженная при физиологических температурах в фотосинтетических системах, может осуществляться и иметь
функциональное значение и для этого фоторецептора.
3.1.5. Изменения в редокс-свойствах
компонентов редокс-цепей
Электронное возбуждение изменяет редокс-свойства поглощающих молекул. Вследствие облучения в ряде случаев цитохром-соксидаза, терминальный фермент дыхательных цепей эукариотических
клеток, становится более окисленной, для прокариотических клеток
E. Coli обнаружено частичное окисление терминального цитохромного комплекса bd, в то время как флавопротеины являются частично
восстановленными [Karu, 1999]. Изменения в степени окисленности
компонентов дыхательной цепи соизмеримы со временем облучения
и обратимы.
Полагают, что изменения редокс-состояния фермента обусловлены электронным возбуждением хромофоров
Cu и BCu в молекуле ци-
A
тохром-с-оксидазы под действием низкоинтенсивного (нетеплового)
излучения видимого и ближнего ИК-диапазонов. Полагают также, что
благодаря изменениям в редокс-свойствах компонентов дыхательной
цепи при фотовозбуждении их электронных состояний облучение
приводит к ускорению переноса электронов в дыхательной цепи в каталитический центр фермента [Там же]. Возможно, ускоряется перенос электронов и внутри молекулы цитохром-с-оксидазы и цитохром-
bd
ного комплекса
E. Coli [Там же]. Этот первичный фотосигнал вы-
зывает каскад вторичных биохимических реакций, в том числе на генетическом уровне [Karu, 1999, 2008]. Дыхательная цепь способна
контролировать концентрацию АТФ, даже незначительные изменения
которой могут существенно изменять клеточный метаболизм. Более
важно, что активация дыхательной цепи вызывает окисление пула
НАДН в митохондриях, что ведет к изменениям в редокс-состоянии и
митохондрий, и цитоплазмы. Последнее вызывает изменение параметров клеточного гомеостаза, которые регулируют функционирование клетки, в том числе функционирование факторов транскрипции.
Облучение, таким образом, вызывает активацию определенных генов,
активацию трансмембранных ионных токов, деполяризацию клеточной мембраны, увеличение внутриклеточной концентрации АТФ,
+2
Ca и
84
pH
, активацию
+
Na и
+
-АТФ-азы и другие изменения [Karu,
1999]. В случае возбудимых клеток (нервные клетки, кардиомиоциты)
свет, абсорбированный хромофорами дыхательной цепи, усиливает
дыхательный метаболизм возбудимой клетки и воздействует на электрогенные свойства ее мембраны [Там же].
Также фотолиз комплексов металлсодержащих протеинов (в частности, гемовых белков) с NO приводит к высвобождению NO и активизации дыхательной цепи [Там же; Владимиров и др., 2004].
Наряду с активизацией дыхательной цепи низкоинтенсивное облучение может активизировать и некоторые другие специализированные редокс-цепи, способные контролировать параметры клеточного
гомеостаза [Karu, 1999]. К ним относится НАДФН-оксидаза в плазматической мембране фагоцитирующих клеток или NO-синтазы.
Излучение видимого и ИК-А-диапазона может активировать недавно обнаруженный сигнальный путь, поставляющий информацию о
функциональном состоянии митохондрий в ядро [Karu, 2008].
Дыхание не только генерирует энергию, оно также является
элементом сигнализации. При замедлении дыхания образуются свободные радикалы, взаимодействующие с протеинами, контролирующими активность генов и адаптирующими клетку к изменениям окружающей среды. Блокировка дыхания осуществляется, в частности,
связыванием CO или NO с цитохром-с-соксидазой, терминальным
элементом дыхательной цепи, связывающим молекулярный кислород,
а свет элиминирует эту блокировку. Таким образом, излучение в видимом и ИК-А-диапазоне способно модулировать дыхание и его сигналы.
Когерентные свойства динамики гемсодержащих
протеинов и редокс-цепей
Большинство физиологических реакций переноса электрона имеет субмиллисекундный масштаб, хотя для фотосинтетических систем
характерны субпикосекундные и пикосекундные времена [Silkstone et
al., 2007]. Однако ультрабыстрые и функциональные реакции переноса
электрона внутри протеина не ограничиваются фотосинтетическими
системами [Pilet et al., 2004]. Показано, например, что между гемами в
цитохром-с-оксидазе имеет место наносекундный масштаб переноса
электрона, причем разница свободных энергий мала – порядка десятков мэВ, что соответствует малой реорганизационной энергии (энергии ядерной перестройки кофакторов
и протеинового окружения
вследствие реакции) – меньше 200 мэВ [Silkstone et al., 2007; Jasaitis et
al., 2005]. Такие реакции – общее место для электрон-транспортных
85
цепей, погруженных в гидрофобное ядро протеина. Гемовые группы
находятся близко друг от друга (расстояние между гемами порядка 5
D
A ) и не являются независимыми.
Перенос электрона в биоэнергетических системах между редоксактивными кофакторами через изолирующий протеин может осуществляться как квантово-механическое туннелирование. При этом волновые свойства электрона контролируют биологическую реакцию [Jasaitis et al., 2007]. Так, в цитохроме bo3 из E. Coli из того же семейства, что и цитохром-с-оксидаза, физиологическая реакция переноса
электрона между близко расположенными гемами имеет место на наносекундном масштабе и обладает характером туннелирования [Там
же]. Туннелирование, по-видимому, присуще этому семейству. Возможно, протеиновое окружение обеспечивает эффективные пути переноса электрона [Fleming et al., 2011]. Эти пути, в принципе, могут
интерферировать [Там же].
Отмечают, что в процессе эволюции электронные связи, молекулярная структура путей туннелирования в электрон-транспортных
системах могут оптимизироваться, но это должно происходить на
атомном масштабе [Beratan and Balabin, 2008].
Установлено также, что реакции гемсодержащих протеинов характеризуются колебательной квантовой когерентностью [Vos and
Martin, 1999].
Сильные экситонные взаимодействия между
гемом b595 с расстоянием Fe-Fe около 10
D
A обнаружены в цитохром-
+2
Fe гемом d и +2Fe
ном комплексе bd E. Coli [Arutyunyan et al., 2008], что, на наш взгляд,
ставит вопрос о возможности существования экситонной когерентности в этом случае. По-видимому, эти гемы кооперативно взаимодействуют.
3.1.6. Другие механизмы
Предложен механизм нерезонансного взаимодействия света с
мембранными рецепторами [Xu et al., 2012]. Нерезонансное ультраслабое взаимодействие света с мембранными протеинами, в котором
вероятность перехода из основного в возбужденное состояние очень
мала, может быть усилено с помощью кооперативных взаимодействий находящихся в мембране одинаковых молекул протеинов друг с
другом с формированием когерентных состояний мембранных рецепторов. В этом случае вероятность перехода в единицу времени становится нелинейной функцией числа таких одинаковых рецепторов.
86
Этот усиленный сигнал может быть химически проявлен в каскадах
реакций клеточной сигнализации [Liu et al., 2005; Xu et al., 2012].
Предложены механизмы, не основанные на поглощении квантов
света компонентами биосистемы. К их числу относятся: ориентационное действие излучения, изменяющее пространственную структуру
компонентов с жидкокристаллическим характером упорядочения;
взаимодействие индуцированных световой волной осциллирующих
дипольных моментов друг с другом; эффекты, возникающие вследствие интерференции падающего луча с отраженными и рассеянными
на неоднородностях среды [Плавский и Барулин, 2009].
Для полноты изложения приведем другие возможные механизмы биологической активности низкоинтенсивного излучения, не обязательно связанные с корреляциями. 1. Фотодинамическое действие
эндогенных фотосенсоров на биомембраны. Излучение может оказывать фотодинамическое действие, в частности, на мембраны фагоцитов, при этом возможен следующий механизм: первичные фотоакцепторы излучения – эндогенные порфирины – инициируют перекисное
окисление липидов мембран, что приводит к увеличению проницаемости мембраны, возрастанию внутриклеточной концентрация ионов
кальция и активации фагоцитов [Владимиров и др., 2004]. 2. Активизация Cu-Zn супероксид дисмутазы, инактивируемой при низких значениях pH, активация каталазы, других ферментов [Владимиров и др.,
2004]. 3. Возбуждение кислорода с образованием синглетного кислорода [Плавский и Барулин, 2009]. Низкоинтенсивное лазерное излучение может усиливать митохондриальное дыхание, а также активировать редокс-чувствительные пути клеточной сигнализации путем
генерации АФК [Karu, 1999; Chen et al., 2011]. 4. Возможное влияние
повышения температуры в окрестности возбужденного хромофора
[Плавский и Барулин, 2009].
3.1.7. Эволюционный аспект
Перенос энергии в молекулярных системах адаптирует их функционирование к изменениям окружающей среды [Olaya-Castro et al.,
2012]. Корреляции, когерентность позволяют повысить эффективность
переноса и, значит, эффективность адаптации. Следовательно, связи,
формирующие корреляции дальнего порядка, включая долгоживущие
квантовые когерентности, должны были бы развиваться в процессе
эволюции.
Так, в условиях большого количества кислорода в растениях триплетная волновая функция поделена между каротеноидам и соседними
87
хлорофиллами, что приводит к быстрому тушению триплетного хлорофилла, который сенсибилизирует образование опасного синглетного
кислорода, в то же время в пурпурных бактериях триплет локализуется
на каротеноиде. Эта адаптация — делокализация триплета — могла
появиться в процессе эволюции для защиты от фотоокислительного
стресса [Gall et al., 2011].
Также в процессе эволюции могут оптимизироваться электронные связи, молекулярная структура путей туннелирования в электронтранспортных системах, и это должно осуществляться на атомном
масштабе [Beratan and Balabin, 2008].
Развиваются ли эволюционно, адаптируются ли квантовые свойства в системах биокоммуникации? Выше приведено множество примеров наличия квантовой делокализации, когерентности и интерференции
в этих системах. Корреляции дальнего порядка, долгоживущие квантовые когерентности, согласованные переходы между квантовыми состояниями в биосистемах могут быть необходимым аспектом биокоммуникации, обеспечивающей согласованное поведение компонентов
клетки, дистанционные взаимодействия и чувствительность к сверхслабым факторам окружающей среды. Поскольку, как отмечено выше, электронные связи, вероятно, развиваются эволюционно, мы можем предположить, что квантовые механизмы биокоммуникаций также
адаптируются, эволюционируют. Возможным примером, на наш
взгляд, может являться фоторецептор UVR8 (см. пп. 3.1.4).
С другой стороны, сама биосемиотика, опосредуя связь с геосферами и космосом, направляет эволюцию к высоким уровням организации [Barlow, 2012]. Так, фазовые соотношения в системе Солнце – Земля – Луна (например, лунно-солнечные приливы), по мнению
автора работы [Barlow, 2012], сопряжены со сверхслабыми космическими сигналами, производящими адаптации. Таким образом, возникают обратные связи между биосемиотикой и эволюцией.
3.2. Эмиссия фотонов и сверхслабое излучение
3.2.1. Флуоресценция
При поглощении фотона флуоресентными молекулами возникают электронно-возбужденные состояния (ЭВС), при релаксации которых выделяется энергия обычно больших длин волн. К числу флуоресцентных молекул относятся хлорофиллы, фикобилипротеины, зеленый флуоресцентный белок. Временной масштаб возбуждения и
88
релаксации составляет пс-мкс. Например, временной масштаб флуоресценции хлорофилла a в растениях 100 пс – 1 нс [Маторин и Рубин,
2012].
При замедленной флуоресценции в фотосинтезирующих клетках
после светового возбуждения наблюдается слабое длительно затухающее свечение, испускаемое хлорофиллом. Имеются два основных
механизма замедленной флуоресценции [Там же]. Во-первых, синглетно возбужденный хлорофилл может переходить в триплетное состояние с большим временем жизни, чем синглетное, и далее происходит обратный переход (например, термически активированный) в
синглетное состояние с излучением замедленной флуоресценции. При
этом низкий квантовый выход образования триплетных состояний
хлорофилла и их тушение приводят к очень слабой интенсивности
замедленной флуоресценции. Во-вторых, замедленная флуоресценция
объясняется рекомбинацией первично разделенных зарядов в реакционном центре.
Как быстрая, так и замедленная флуоресценция отражает функциональное состояние биосистемы [Там же].
Поглощение УФ-излучения эндогенными хромофорами в структуре протеина (побочные цепи аминокислот и кофакторы) приводит к
генерации ЭВС. Основными хромофорами являются ароматические
аминокислотные остатки триптофана, тирозина, фенилаланина. Во
флуоресценции протеинов обычно доминирует триптофан вследствие
люминесцентного резонансного переноса энергии возбуждения с тирозина и фенилаланина на триптофан [Davis and Truscott, 2001; Patti-
son et al., 2012].
Протеины в водных растворах обладают собственной люминесценцией. В биогенных условиях флуоресценция ароматических аминокислот, включенных в протеины, очень слаба вследствие тушения.
Нуклеиновые кислоты и нуклеотиды в биогенных условиях также
флуоресцируют очень слабо по сравнению с липидами [Журавлев,
2011]. Но более высокое по интенсивности излучение может осуществляться благодаря включенным в структуры ферментов и нуклеиновых кислот ненасыщенным липидам (см. ниже) [Там же].
Ключевой вклад во внутриклеточную флуоресценцию вносит
восстановленная форма кофермента НАД, НАДН, которая селективно возбуждается в области длин волн между 330 и 370 нм и
имеет максимум флуоресценции около 460 нм. НАДН концентрируется в митохондриях, где он окисляется в дыхательной цепи,
окисленная форма НАД+ не флуоресцирует. В автофлуоресценцию
89
клетки вносит вклад также НАДФН, содержащийся, в основном, в
цитоплазме, имеющей почти такие же спектры возбуждения и испускания, как и НАДН. Флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) с максимумами возбуждения вблизи 380
и 450 нм также вносят вклад в собственную флуоресценцию клетки; преимущественно возбуждается окисленная форма молекул
флавина, в ходе восстановления максимумы поглощения сдвигаются в коротковолновую область [Крицкий и др., 2010]. Синглетные полностью окисленные флавины (рибофлавин, ФМН) интенсивно флуоресцируют (максимум поглощения — 450 нм, максимум флуоресценции — 520-530 нм, квантовый выход до 0,3) [Там
же]. Вклады
во флуореценцию вносят порфирины, принимающие
участие в синтезе гемоглобина, миоглобина и как кофакторы в цитохромах, птерины, хлорофиллы, каратеноиды и др. [Оптическая
биомедицинская диагностика, 2007].
Флуоресцентные протеины способны автокаталитически формировать хромофор-излучатель и спонтанно флуоресцировать без кофакторов или субстратов [Jach and Winte, 2006]. Так, в зеленом флуоресцентном белке флуорофор формируется из трех
его собственных
аминокислотных остатков в результате их циклизации. Для синтеза
флуорофора не требуется ферментативной системы.
3.2.2. Биолюминесценция
Переходя к собственному электромагнитному излучению, следует отметить, что обычное тепловое излучение является лишь побочным продуктом метаболизма. Функциональную роль играет ферментативная биолюминесценция. Биолюминесценция характеризуется большим квантовым выходом, она видна невооруженным глазом и
обладает биологическими, экологическими функциями. Она обусловлена реакциями молекулярного кислорода с излучающими молекулами — люциферинами, катализируемыми энзимами — люциферазами
или фотопротеинами. Источником биолюминесценции служат электронно-возбужденные состояния, образуемые, как правило, при выделении энергии при разрушении связанного с люциферазой пероксилюциферин интермедиата либо при излучении со связанного с люциферазой люминофора, куда энергия ЭВС переносится безызлучательно
[Wilson and Woodland Hastings, 1998]. К числу люциферинов (хромофоров) относятся тетрапирролы (с возможностью интерконверсии
ме-
жду люминесценцией и фотосинтезом) и флавины [Haddock et al.,
2010].
90