Комплекс Фенны-Мэтьюза-Олсона
Комплекс Фенна- Мэттьюз - Олсон (FMO) представляет собой водорастворимый комплекс и был первым пигментно - белковым комплексом (PPC), структура которого была проанализирована с помощью рентгеновской спектроскопии . [2] Он появляется у зеленых серобактерий и опосредует передачу энергии возбуждения от светособирающих хлоросом к встроенному в мембрану бактериальному реакционному центру (bRC). Его структура тримерная (С3-симметрия). Каждый из трех мономеров содержит восемь молекул бактериохлорофилла а (БХл а ). Они связываются с белковым каркасом посредством хелатирования центрального атома магния либо с аминокислотами белка (в основном гистидином ), либо с атомами кислорода с водными мостиками (только один BChl a каждого мономера).
Поскольку структура доступна, возможен расчет оптических спектров на основе структуры для сравнения с экспериментальными оптическими спектрами. [3] [4] В простейшем случае только экситонное взаимодействие БХл. учитывается [5] Более реалистичные теории рассматривают связь пигмента с белком. [6] Важным свойством является локальная энергия перехода (энергия сайта) БХл, различная для каждого из-за индивидуального локального белкового окружения. Энергии участков БХл определяют направление потока энергии.
Доступна некоторая структурная информация о суперкомплексе FMO-RC, полученная методом электронной микроскопии. [7] [8] и спектры линейного дихроизма, измеренные на тримерах FMO и комплексах FMO-RC. По этим измерениям возможны две ориентации комплекса ФМО относительно РЦ. Ориентация, при которой BChl 3 и 4 близка к RC, а BChl 1 и 6 (следуя исходной нумерации Фенны и Мэтьюза), ориентированная на хлоросомы, полезна для эффективного переноса энергии. [9]
Тестовый объект
[ редактировать ]Комплекс представляет собой простейший PPC, встречающийся в природе, и поэтому является подходящим испытательным объектом для разработки методов, которые можно перенести на более сложные системы, такие как фотосистема I. Энгель и его коллеги заметили, что комплекс FMO демонстрирует удивительно длительную квантовую когерентность . [10] но примерно через десять лет дебатов было показано, что эта квантовая когерентность не имеет никакого значения для функционирования комплекса. [11] Кроме того, было показано, что зарегистрированные долгоживущие колебания, наблюдаемые в спектрах, обусловлены исключительно колебательной динамикой основного состояния и не отражают никакой динамики переноса энергии. [12]
Квантовый сбор света
[ редактировать ]Для сбора света при фотосинтезе используются как классические, так и квантово-механические процессы с энергетической эффективностью почти 100 процентов. [ нужна ссылка ] Чтобы свет мог производить энергию в классических процессах, фотоны должны достичь мест реакции до того, как их энергия рассеется менее чем за одну наносекунду. В фотосинтетических процессах это невозможно. Поскольку энергия может существовать в суперпозиции состояний, она может перемещаться по всем путям внутри материала одновременно. Когда фотон находит правильный пункт назначения, суперпозиция разрушается, освобождая энергию. Однако ни один чисто квантовый процесс не может быть полностью ответственным, поскольку некоторые квантовые процессы замедляют движение квантованных объектов через сети. Локализация Андерсона предотвращает распространение квантовых состояний в случайных средах. Поскольку государство действует как волна, оно уязвимо для разрушительных интерференционных эффектов. Другая проблема — квантовый эффект Зенона , при котором нестабильное состояние никогда не меняется, если его постоянно измерять/наблюдать, потому что наблюдение постоянно подталкивает состояние, предотвращая его коллапс. [13] [14]
Взаимодействия между квантовыми состояниями и окружающей средой действуют как измерения. Классическое взаимодействие с окружающей средой меняет волновую природу квантового состояния ровно настолько, чтобы предотвратить локализацию Андерсона, в то время как квантовый эффект Зенона продлевает время жизни квантового состояния, позволяя ему достичь реакционного центра. [13] Предполагаемое длительное время жизни квантовой когерентности в FMO побудило многих ученых исследовать квантовую когерентность в системе: статья Энгеля 2007 года процитировалась более 1500 раз в течение 5 лет после ее публикации. Предложение Энгеля до сих пор обсуждается в литературе с предположением, что первоначальные эксперименты были интерпретированы неправильно, приписывая спектральные колебания электронным когерентностям вместо колебательных когерентностей основного состояния, которые, естественно, будут жить дольше из-за более узкой спектральной ширины колебательных когерентностей. переходы.
Вычисление
[ редактировать ]Проблема поиска реакционного центра в белковой матрице формально эквивалентна многим задачам вычислительной техники. Сопоставление вычислительных задач с поиском реакционных центров может позволить сбору света работать как вычислительное устройство, улучшая скорость вычислений при комнатной температуре и увеличивая эффективность в 100-1000 раз. [13]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Тронруд, Делавэр; Шмид, МФ; Мэтьюз, BW (апрель 1986 г.). «Структура и рентгеновская аминокислотная последовательность белка бактериохлорофилла a Prosthecochromis aestuarii , уточненная при разрешении 1,9 А». Журнал молекулярной биологии . 188 (3): 443–54. дои : 10.1016/0022-2836(86)90167-1 . ПМИД 3735428 .
- ^ Фенна, RE; Мэтьюз, BW (1975). «Расположение хлорофилла в белке бактериохлорофилла Chlorobium limicola ». Природа . 258 (5536): 573–7. Бибкод : 1975Natur.258..573F . дои : 10.1038/258573a0 . S2CID 35591234 .
- ^ Вулто, Симона И.Э.; Нееркен, Зиглинде; Лоу, Роберт Дж.В.; Де Баат, Майкл А.; Амес, Джон; Аартсма, Тийс Дж. (1998). «Структура и динамика возбужденного состояния в антенных комплексах FMO фотосинтезирующих зеленых серных бактерий». Журнал физической химии Б. 102 (51): 10630–5. дои : 10.1021/jp983003v .
- ^ Вендлинг, Маркус; Пржиялговский, Милош А.; Гюлен, Демет; Вулто, Симоне И.Э.; Аартсма, Тийс Дж.; Ван Гронделл, Риенк; Ван Амеронген, Герберт ван (2002). «Количественная связь между структурой и поляризованной спектроскопией в комплексе FMO Prosthecochromis aestuarii : уточняющие эксперименты и моделирование». Исследования фотосинтеза . 71 (1–2): 99–123. дои : 10.1023/А:1014947732165 . ПМИД 16228505 . S2CID 24164698 .
- ^ Перлштейн, Роберт М. (1992). «Теория оптических спектров бактериохлорофилла и тримера антенного белка Prosthecochromis aestuarii ». Исследования фотосинтеза . 31 (3): 213–226. дои : 10.1007/BF00035538 . ПМИД 24408061 . S2CID 22609422 .
- ^ Ренгер, Томас [на немецком языке] ; Маркус, РА (2002). «О связи динамики белков и релаксации экситонов в комплексах пигмент-белок: оценка спектральной плотности и теория расчета оптических спектров» (PDF) . Журнал химической физики . 116 (22): 9997–10019. Бибкод : 2002JChPh.116.9997R . дои : 10.1063/1.1470200 .
- ^ Ремижи, Эрве-В; Штальберг, Хеннинг; Фотиадис, Димитриос; Мюллер, Ширли А; Вулпенсингер, Беттина; Энгель, Андреас; Хауска, Гюнтер; Циотис, Георгиос (июль 1999 г.). «Комплекс реакционного центра зеленой серной бактерии Chlorobium tepidum : структурный анализ методом сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии». Журнал молекулярной биологии . 290 (4): 851–8. дои : 10.1006/jmbi.1999.2925 . ПМИД 10398586 .
- ^ Ремижи, Эрве-В.; Хауска, Гюнтер; Мюллер, Ширли А.; Циотис, Георгиос (2002). «Реакционный центр зеленых серобактерий: прогресс на пути к выяснению структуры». Исследования фотосинтеза . 71 (1–2): 91–8. дои : 10.1023/А:1014963816574 . ПМИД 16228504 . S2CID 10285215 .
- ^ Адольфс, Джулиан; Ренгер, Томас (октябрь 2006 г.). «Как белки запускают перенос энергии возбуждения в комплексе FMO зеленых серобактерий» . Биофизический журнал . 91 (8): 2778–97. Бибкод : 2006BpJ....91.2778A . doi : 10.1529/biophysj.105.079483 . ПМЦ 1578489 . ПМИД 16861264 .
- ^ Энгель, Грегори С.; Калхун, Тесса Р.; Прочтите, Элизабет Л.; Ан, Тэ-Гю; Манкал, Томаш; Ченг, Юань-Чунг; Бланкеншип, Роберт Э .; Флеминг, Грэм Р. (2007). «Доказательства волнообразной передачи энергии посредством квантовой когерентности в фотосинтетических системах» (PDF) . Природа . 446 (7137): 782–786. Бибкод : 2007Natur.446..782E . дои : 10.1038/nature05678 . ПМИД 17429397 . S2CID 13865546 .
- ^ Уилкинс, Дэвид М.; Даттани, Никеш С. (2015). «Почему квантовая когерентность не важна в комплексе Фенны-Мэтьюза-Олсена». Журнал химической теории и вычислений . 11 (7): 3411–3419. arXiv : 1411.3654 . дои : 10.1021/ct501066k . ПМИД 26575775 . S2CID 15519516 .
- ^ Р. Темпелаар; ТСЦ Янсен; Дж. Кнестер (2014). «Вибрационные биения скрывают доказательства электронной когерентности в светособирающем комплексе FMO». Дж. Физ. хим. Б. 118 (45): 12865–12872. дои : 10.1021/jp510074q . ПМИД 25321492 .
- ^ Перейти обратно: а б с Массачусетский технологический институт (25 ноября 2013 г.). «Сбор квантового света намекает на совершенно новую форму вычислений» . Technologyreview.com. Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Проверено 6 декабря 2013 г.
- ^ Ваттай, Габор; Кауфман, Стюарт А. (2013). «Эволюционный дизайн в биологических квантовых вычислениях». arXiv : 1311.4688 [ cond-mat.dis-nn ].