Energy Barrier of Photoinduced Charge Separation in the Reaction Centers of Photosystems I and II

D. A. Cherepanov; Черепанов Д. А.; G. E. Milanovsky; Милановский Г. Е.; V. A. Nadtochenko; Надточенко В. А.; A. Yu. Semenov; Семёнов А. Ю.

doi:10.31857/S0207401X23060043

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

Авторы: Черепанов Д.А.¹^,2, Милановский Г.Е.², Надточенко В.А.¹^,3, Семёнов А.Ю.¹^,2
Учреждения:
1. Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
2. Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
3. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Выпуск: Том 42, № 6 (2023)
Страницы: 88-94
Раздел: К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ АКАДЕМИКА В.И. ГОЛЬДАНСКОГО
URL: https://journal-vniispk.ru/0207-401X/article/view/139910
DOI: https://doi.org/10.31857/S0207401X23060043
EDN: https://elibrary.ru/UHDNDJ
ID: 139910

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

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 (Хл_D1) и Фео (Фео_D1) 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

Медведев Э.С., Котельников А.И., Горячев Н.С. и др. // Хим. физика. 2011. Т. 30. № 3. С. 71.
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
Gorka M., Charles P., Kalendra V. et al. // iScience. 2021. V. 24. № 7. P. 102719; https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102719
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
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
Shuvalov V.A. // Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg. 1976. V. 430. № 1. P. 113; https://doi.org/10.1016/0005-2728(76)90227-9
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
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
Gorka M., Baldansuren A., Malnati A. et al. // Front. Microbiol. 2021. V. 12. P. 2776; https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.735666
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
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
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
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
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
Климов В.В., Аллахвердиев С.И., Деметер Ш., Красновский А.А. // Докл. АН СССР. 1979. Т. 49. С. 227.
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
Кувыкин И.В., Вершубский А.В., Тихонов А.Н. // Хим. физика. 2009. Т. 28. № 4. С. 63.
Nadtochenko V.A., Shelaev I. V., Mamedov M.D. et al. // Biochem. 2014. V. 79. № 3. P. 197; https://doi.org/10.1134/S0006297914030043
Raszewski G., Saenger W., Renger T. // Biophys. J. 2005. V. 88. № 2. P. 986; https://doi.org/10.1529/biophysj.104.050294
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
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.
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
Jordan P., Fromme P., Witt H.T. et al. // Nature. 2001. V. 411. № 6840. P. 909; https://doi.org/10.1038/35082000
Britt R.D., Marchiori D.A. // Science. 2019. V. 366. № 6463. P. 305; https://doi.org/10.1126/science.aaz4522
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
Черепанов Д.А., Милановский Г.Е., Айбуш А.В., Надточенко В.А. // Хим. физика. 2023.
Lu T., Chen F. // J. Comput. Chem. 2012. V. 33. № 5. P. 580; https://doi.org/10.1002/jcc.22885
Rocchia W., Alexov E., Honig B. // J. Phys. Chem. B. 2001. V. 105. № 28. P. 6507; https://doi.org/10.1021/jp010454y
Vauthey E. // Chem. Phys. Chem. 2012. V. 13. № 8. P. 2001; https://doi.org/10.1002/cphc.201200106
Kellogg M., Akil A., Muthiah Ravinson D.S. et al. // Faraday Discuss. 2019. V. 216. P. 379; https://doi.org/10.1039/c8fd00201k
Krishtalik L.I. // Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg. 2011. V. 1807. № 11. P. 1444; https://doi.org/10.1016/J.BBABIO.2011.07.002
Хохлова С.С., Михайлова В.А., Иванов А.И. // Хим. физика. 2007. Т. 26. № 7. С. 27.
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
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
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
Röder B., Büchner M., Rückmann I., Senge M.O. // Photochem. Photobiol. Sci. 2010. V. 9. № 8. P. 1152; https://doi.org/10.1039/c0pp00107d
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
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
Saji T., Bard A.J. // J. Amer. Chem. Soc. 1977. V. 99. № 7. P. 2235; https://doi.org/10.1021/ja00449a034