Temperature Dependence of the Nonlinear Dynamics of the Deactivation of Excited States of Tryptophan in Various Media

Abstract

The authors’ research on the dynamics of the excited states of tryptophan in various solvents as a function of temperature (–170 to +20°С) is presented. The antibatic behavior of the temperature dependences of the decay times of two components (fast and medium) of tryptophan fluorescence is found in the temperature range from –60 to +10°C. The third, slow, component shows a weak dependence on temperature. The antibatic behavior of the decay times of two components of the fluorescence kinetics is modeled under the assumption that, in a certain temperature range, some of the tryptophan molecules in the excited state pass from the short-wavelength rotamer B-form, which has a short fluorescence lifetime, to the long-wavelength rotamer R-form, with an intermediate fluorescence lifetime. To explain the observed changes in the spectra and duration of tryptophan fluorescence depending on temperature, a new model of the transitions between the excited and ground states using the charge transfer state (CTS), which takes into account the nonlinear nature of the dynamics of these transitions, is also developed. In these processes, an important role is played by the interaction of tryptophan molecules with its microenvironment and the rearrangements in the system of hydrogen bonds in the environment of the tryptophan molecule. Three main spectral regions of tryptophan fluorescence, which differ in the behavior of the temperature dependences of the rates of transition from the excited state of tryptophan to CTS, are distinguished. The key role of the dynamics of the hydrogen bond system, which determine the nonlinear nature of the change in tryptophan fluorescence parameters in the selected spectral regions, is shown.

About the authors

V. V. Gorokhov

Faculty of Biology, Moscow State University

Email: vz.paschenko@gmail.com
Moscow, Russia

P. P. Knox

Faculty of Biology, Moscow State University

Email: vz.paschenko@gmail.com
Moscow, Russia

B. N. Korvatovsky

Faculty of Biology, Moscow State University

Email: vz.paschenko@gmail.com
Moscow, Russia

N. Kh. Seifullina

Faculty of Biology, Moscow State University

Email: vz.paschenko@gmail.com
Moscow, Russia

S. N. Goryachev

Faculty of Biology, Moscow State University

Email: vz.paschenko@gmail.com
Moscow, Russia

N. P. Grishanova

Faculty of Biology, Moscow State University

Email: vz.paschenko@gmail.com
Moscow, Russia

V. Z. Paschenko

Faculty of Biology, Moscow State University

Email: vz.paschenko@gmail.com
Moscow, Russia

A. B. Rubin

Faculty of Biology, Moscow State University

Author for correspondence.
Email: vz.paschenko@gmail.com
Moscow, Russia

References

  1. Frauenfelder H., McMahon B. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. V. 95. P. 4795.
  2. Fitter J., Lechner R.E., Buldt G., Dencher N.A. // Ibid. 1996. V. 93. P. 7600.
  3. Frauenfelder H., Sligar S.G., Wolynes P.G. // Science. 1991. V. 254. P. 1598.
  4. Jackson T.A., Lim M., Anfinrud P.A. // Chem. Phys. 1994. V. 180. P. 131.
  5. Johnson J.B., Lamb D.C., Frauenfelder H. et al. //Biophys. J. 1996. V. 71. P. 1563.
  6. Paciarony A., Cinelli S., Onori G. // Biophys. J. 2002. V. 83. P. 1157.
  7. Palazzo G., Mallardi A., Hochkoeppler A.et al. // Biophys. J. 2002. V. 82. P. 558.
  8. Kriegl J.M., Forster F.K., Nienhaus G.U. // Biophys. J. 2003. V. 85. P. 1851.
  9. Mei G., Di Venere A., Agro A.F., De Matteis F., Rosato N. // J. Fluorescence. 2003. V. 13. P. 467.
  10. Malferrari M., Savitsky A., Mamedov M.D. et al. // Biochim. Biophys. Acta. 2016. V. 1857. P. 1440.
  11. Schlamadinger D.E., Gable J.E., Kim J.E. // J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. P. 14769.
  12. Dashnau J.L., Zelent B., Vanderkooi J.M. // Biophys. Chem. 2005. V. 114. P. 71.
  13. Chen Y., Barkley M.D. // Biochemistry. 1998. V. 3. P. 9976.
  14. Бурштейн Э.А. // Молекуляр. биология. 1983. Т. 17. С. 455.
  15. Нокс П.П., Корватовский Б.Н., Красильников П.М. и др. // ДАН. 2016. V. 467. P. 350.
  16. Гольданский В.И., Кузьмин В.В. // УФН. 1989. Т. 157. С. 3.
  17. Szabo A.G., Rayner D.M. // J. Amer. Chem. Soc. 1980. V. 102. P. 554.
  18. Gudgin E., Lopez-Deigado R., Ware W.R. // Phys. Chem. 1983. V. 87. P. 1559.
  19. Petrich J.W., Chang M.C., McDonald D.B., Fleming G.R. // J. Amer. Chem. Soc. 1983. V. 105. P. 3824.
  20. Ross J.A., Jameson D.M. // Photochem. Photobiol. Sci. 2008. V. 7. P. 1301.
  21. Hellings M., De Maeyer M., Verheyden S. // Biophys. J. 2003. V. 85. P. 1894.
  22. Liu T., Callis P.R., Hesp B.H., de Groot M. // J. Amer. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 4104.
  23. Pan C.-P., Muino P.L., Barkley M.D., Callis P.R. // J. Phys. Chem. B. 2011. V. 115. P. 3245.
  24. Kadyan A., Juneja S., Pandey S.J. // Phys. Chem. B. 2019. V. 123. P. 7578.
  25. Нокс П.П., Лукашев Е.П., Корватовский Б.Н. и др. // Биофизика. 2016. Т. 61. С. 1118.
  26. Olsson C., Jansson H., Swenson J. // J. Phys. Chem. B. 2016. V. 120. P. 4723.
  27. Physical properties of glycerine and its solutions. N.Y.: GlycerineProducers’ Association, 1963.
  28. Havemeyer R.N. // J. Pharmaceutic. Sci. 1966. V. 55. P. 851.
  29. Towey J.J., Soper A.K., Dougan L. // J. Phys.Chem. B. 2016. V. 120. P. 4439.
  30. Краснов К.С. Физическая химия. Т. 1. М.: Высш. шк., 2001.
  31. Adams P.D., Chen Y., Ma K., Zagorski M.G et al. // JACS. 2002. V. 124. P. 9278.
  32. Hayward B.J., Henry B.B.// Chem. Phys. 1976. V. 12. P. 387.
  33. Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. М.: Хим. факультет МГУ, 2012.
  34. Горохов В.В., Нокс П.П., Корватовский Б.Н. и др. // Биохимия. 2017. Т. 82. С. 1615.
  35. Hilairea M.R., Ahmed I.A., Lina C.-W. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2017. V. 114. P. 6005.
  36. Callis P.R. // J. Mol. Struct. 2014. V. 1077. P. 22.
  37. Liu H., Zhang H., Jin B. // Spectrochim. Acta, Part A. 2013. V. 106. P. 54.
  38. Doster W., Settles M. // Biochim. Biophys. Acta. 2005. V. 1749. P. 173.
  39. Блинц Р., Жекш Б. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. Динамика решетки. М.: Мир, 1975.
  40. Knox P.P., Gorokhov V.V., Korvatovsky B.N. et al. // J. Photochem. Photobiol., A. 2020. V. 393. P. 112435.
  41. Knox P.P., Lukashev E.P., Gorokhov V.V. et al. // J. Photochem. Photobiol. B. 2018. V. 189. P. 145.
  42. Горохов В.В., Корватовский Б.Н., Нокс П.П. и др. // Докл. РАН. Науки о жизни. 2021. Т. 498. С. 19.
  43. Пащенко В.З., Горохов В.В., Корватовский Б.Н. и др. // Биофизика. 2021. Т. 66. С. 454.
  44. Han K.L., Zhao G.J. Hydrogen Bonding and Transfer in the Excited State. Chichester, UK: John Wiley&Sons Ltd., 2011.
  45. Krasilnikov P.M., Knox P.P., Rubin A.B. // Photochem. Photobiol. Sci. 2009. V. 8. P. 181.
  46. Рубин А.Б. Биофизика. Т. 3. М.: Высш. шк., 2013.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (134KB)
3.

Download (153KB)
4.

Download (104KB)
5.

Download (125KB)
6.

Download (122KB)
7.

Download (168KB)
8.

Download (114KB)
9.

Download (73KB)
10.

Download (66KB)
11.

Download (65KB)

Copyright (c) 2023 В.В. Горохов, П.П. Нокс, Б.Н. Корватовский, Н.Х. Сейфуллина, С.Н. Горячев, Н.П. Гришанова, В.З. Пащенко, А.Б. Рубин

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».