Ключевой энергопреобразующей структурой в фотосинтезирующих организмах являются реакционные центры фотосистем, встроенные в фотосинтетические мембраны пигмент-белковые комплексы, выполняющие за счет энергии света высокоэффективный (квантовый выход — до 100 %) и очень быстрый (менее 1 нс) трансмембранный перенос электронов против направления термодинамического потенциала, в результате чего, в конечном итоге, и запасается солнечная энергия.

В проводимых исследованиях используются различные современные методы кинетической абсорбционной и люминесцентной спектрофотометрии широкого временного диапазона регистрации, ЭПР, ЯМР, ядерный гамма-резонанс, современные подходы теоретического анализа получаемых результатов и построения адекватных физических моделей процессов. Имеется биохимическая база для получения высокочистых активных фотосинтетических препаратов различного состава, включая изолированные мембранные белково-пигментные комплексы разного уровня организации. Основными методами изучения механизмов преобразования световой энергии в первичных стадиях фотосинтеза являются:

измерение кинетик затухания флуоресценции (импульсная флуориметрия) с временным разрешением до 10 —12 с;

лазерная абсорбционная спектроскопия фемто-, пико- и наносекундного (10 —14 — 10 —8 с) диапазона, позволяющая исследовать последовательность и скорости реакций преобразования энергии кванта света в энергию электрохимического потенциала;

спектроскопия комбинационного рассеяния света, позволяющая изучать природу химических связей синтезированных под действием света соединений;

широкий спектр традиционных методов оптической спектроскопии, спектроскопии переходных процессов, компьютерного моделирования и радиоспектроскопии.

Методами импульсной флуорометрии и абсорбционной спектроскопии высокого (10 —14 — 10 —8 с) временного разрешения исследуются процессы миграции энергии электронного возбуждения в антенных пигмент-белковых комплексах, захвата возбуждения фотоактивным пигментом РЦ — первичным донором электрона, и темновые реакции разделения зарядов и переноса электрона в акцепторной цепи электронного транспорта. Показано, что белки, содержащие пигменты антенны и кофакторы, за времена менее 10 —12 с способны осуществлять тонкую подстройку начальных и конечных состояний донора и акцептора энергии (электрона). В самый начальный момент времени возникает неравновесное начальное состояние донора энергии (электрона). В результате процесса сольватации с участием водородных связей происходит понижение уровня энергии донора и формирование наиболее выгодной конфигурации потенциальной поверхности для реактантов. Как следствие, вероятность обратных (бесполезных) реакций падает, а эффективность прямых энергетически выгодных реакций существенно возрастает.

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.