Учебные дисциплины

Принципы работы молекулярных наноразмерных биомашин

Рубин А.Б.

Лектор - Андрей Борисович Рубин, член-корреспондент РАН
МГУ, Биологический факультет, каф. биофизики

Аннотация Представлены основные биофизические аспекты «нанопроцессов» связанных с поглощением света в рецепторных мембранах, молекулярная динамика гемоглобина и АТФаз. Структура  Н-АТФазы как молекулярной машины.  Локализация белковых машин в фотосинтетической мембране. Распределение и динамика изменения структурированности протонов воды, а также синтез АТФ. В курсе лекций рассматриваются особенности формирования флуоресцентных полупроводниковых нанокристалов, их структура и оптические свойства, преимущества использования в биомедицине (детекция и диагностика). Рассмотрены примеры гибридныхнаноструктур на основе полупроводниковых квантовых точек и природных фоточувствительных белков (бактериородопсин, реакционные центры фотосинтеза, фикоэритрин).

ВВЕДЕНИЕ В курсе лекций рассматриваетсяроль различных полимеров в функционировании важных биологических структур (Рис. 2-3). Роль молекулы АТФ и ее синтеза (Рис. 4-5). Трансформациии энергии в фотосинтетической мембране (Рис. 6-7) их моделирование (Рис. 8-9) и применение в практике (Рис. 10-11). Обсуждаются молекулярные «наноизменения в белках фотосистем (Рис. 13-17) и молекулярная динамика белков (Рис. 18). В курсе лекций представлены основные реакции «нанопроцессов» связанных с поглощением света в рецепторных мембранах (Рис.24-28). Молекулярная динамика гемоглобина и АТФаз (Рис. 26-30). АТФазы как молекулярные машина (Рис. 30-36). Локализация белковых машин в фотосинтетической мембране (Рис. 40-43). Распределение протонов волы (Рис. 43-46), а также синтез АТФ (Рис. 44-47).

Особое внимание в курсе уделено результатам по взаимодействию квантовых точек и биологических структур (рис. 19-21 и 51-55). Известно, что врезультате разделения зарядов и дальнейшего переноса электрона на фотосинтетической мембране образуется трансмембранный электрохимический потенциал, который затем используется клеткой для синтеза молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Известно, что эффективность разделения зарядов в реакционных центрах фотосинтеза (РЦ) близка к 100 % [1]. Высокий квантовый выход образования первичной ион-радикальной пары в РЦ позволяет рассматривать их в качестве перспективных фотопреобразователей световой энергии в электрическую. Расчеты показывают, что при использовании этих природных «генераторов» коэффициент полезного действия фотопреобразователя может быть существенно выше, чем у лучших современных солнечных батарей [2]. За последние годы было осуществлено несколько попыток получения электрического тока с помощью наноразмерных устройств, включающих фотосинтетические РЦ, у которых хиноны были замещены синтетическими акцепторами электронов, соединенными с электродом посредством «молекулярных проводов». Общим недостатком подобных устройств является ничтожно малая поглощающая способность тонких слоев изолированных РЦ [3], что существенно снижает эффективность и целесообразность применения таких систем для получения электрического тока. Очевидна необходимость создания искусственных многокомпонентных энергопреобразующих устройств, способных эффективно поглощать солнечную энергию и преобразовывать её в электрохимический потенциал.

Современные нанотехнологии позволяют синтезировать полупроводниковые CdSe/ZnS нанокристалы, или так называемые квантовые точки (КТ), которые поглощают свет в широком оптическом диапазоне от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области. Спектр флуоресценции КТ достаточно узок (полуширина спектра составляет 20—25 нм), идеально симметричен, а положение максимума испускания флуоресценции определяется диаметром нанокристалла. Несколько уступая лучшим флуоресцентным меткам в величине квантового выхода флуоресценции (~70 % при комнатной температуре), квантовые точки превосходят их на несколько порядков по величине сечения поглощения света. Яркость свечения нанокристаллов настолько высока, что их можно детектировать как единичные объекты с помощью флуоресцентного микроскопа.Все это стало причиной широкого применения квантовых точек в качестве флуоресцентных зондов [4]. Покрытие органической оболочкой из би- или трифункциональных полимеров обеспечивает водорастворимость нанокристаллов за счет поверхностных полярных групп [5, 6]. Функциональные группы органической оболочки, доступные для конъюгации, делают возможным создание искусственных светособирающих комплексов на основе квантовых точек, которые могут служить высокоэффективными донорами энергии для фотосинтетических пигмент-белковых комплексов [7]. Водорастворимый фоточувствительный белок фикоэритрин играет роль «светосборщика» в нативных антенных комплексах фотосинтеза - фикобилисомах, поглощая свет в области 450 - 570 нм и эффективно передавая энергию электронного возбуждения на другие фикобилипротеины по Фёрстеровскому индуктивно-резонансному механизму. Высокий квантовый выход флуоресценции (в некоторых случаях около 100 %) позволяет в спектральных исследованиях использовать растворы с минимальными концентрациями этих белков-пигментов [8]. В водной среде фикобилипротеины агрегируют, образуя тримеры (аллофикоцианин) и гексамеры (фикоэритрин и фикоцианин). Гексамеры имеют форму диска диаметром 11.5 нм, и толщиной 6 нм, в центре диска имеется отверстие диаметром около 3.5 нм, в котором в нативных структурах располагается дополнительный бесцветный белок [8]. По сути, агрегаты фикобилипротеинов представляют собой природные мезоскопические наноструктуры, обладающие специфическими физико-химическими и биологическими свойствами. Конечным акцептором в цепи переноса энергии возбуждения является реакционный центр ФС2 в котором происходит разделение зарядов [9]. Таким образом, создание гибридных структур на основе квантовых точек и фикоэритрина позволит увеличить эффективность светосбора и, соответственно, энергетическую эффективность искусственного фотосинтеза за счет поглощения света квантовыми точками в УФ и видимой области. Особое внимание в лекциях уделяется взаимодействию синтезированных полупроводниковых нанокристаллов - квантовых точек и природной наноструктуры - фикоэритрина. Отмечается, что квантовые точки и фикоэритрин способны образовывать гибридные комплексы с эффективным переносом энергии. Перенос энергии от КТ позволяет значительно увеличить поглощающую способность фикоэритрина в ультрафиолетовой и видимых областях спектра. Таким образом, квантовые точки способны образовывать гибридные структуры с фикоэритрином, увеличивая его поглощающую способность (эффективное сечение поглощения) за счет передачи энергии возбуждения по индуктивно-резонансному механизму. Представленные данные позволяют оценить константу скорости и эффективность переноса энергии, а также расстояния между донором и акцептором. Очевидно, подобные гибридные системы могут быть использованы для увеличения эффективности светосбора фотопреобразователей, разрабатываемых на основе реакционных центров фотосинтеза.

 Программа курса лекций

Лекция 1. Условия стабильности конфигурации макромолекул. Фазовые переходы. Переходы глобула-клубок. Кооперативные свойства макромолекул. Типы объемных взаимодействий в белковых макромолекулах. Водородные связи: силы Ван-дер-Ваальса; электростатические взаимодействия; поворотная изомерия и энергия внутреннего вращения. Расчет общей конформации энергии биополимеров.

Лекция 2. Основные стадии фотобиологического процесса. Механизмы фотобиологических и фотохимических стадий. Кинетика фотобиологических процессов. Кинетика и физические механизмы переноса электрона в электрон-транспортных цепях при фотосинтезе. Механизмы сопряжения окислительно-восстановительных реакций с трансмембранным переносом протона. Механизмы фотоингибирования.

Лекция 3. Молекулярная машина как основа организации клетки. Пространственная конфигурация   биополимеров. Статистический характер конформации биополимеров Электронные уровни в биопомерах. Основыне типы молекулярных орбиталей и электронных состояний. p-электроны, энергия делокализации. Схема Яблонского для сложных молекул.

Лекция 4. Особенности формирования флуоресцентных полупроводниковых нанокристалов, их струтура и оптические свойства, преимущества использования в биомедицине (детекция и диагностика). Гибридныенаноструктуры на основе полупроводниковых квантовых точек и природных фоточувствительных белков (бактериородопсин, реакционные центры фотосинтеза, фикоэритрин)

Лекция 5. Мембрана как «молекулярная машина». Развитие представлений о структурной организации мембран. Характеристика мембранных белков и липидов. Белок-липидные взаимодействия. Вода как элемент биомембраны.

Лекция 6. Основные положения теории Митчела; электрохимический градиент протонов; энергизированное состояние мембран; роль векторной Н⁺-АТФазы.

Лекция 7. Взаимодействие квантов с молекулами. Эволюция волнового пакета и результаты фемптосекундной спектроскопии. Первичные фотохимические реакции. Возбужденные состояния и трансформация энергии в биоструктурах. Перенос электрона в биоструктурах. Различные физические модели переноса электрона. Туннельный эффект. Туннелирование с участием виртуальных уровней. Электронно-конформационные взаимодействия и релаксационные процессы в биоструктурах

Лекция 8. Модельные мембранные системы. Монослой на границе раздела фаз. Бислойные мембраны. Протеолипосомы

Лекция 9. Действие оптического излучения. Фотосинтез в море. Причины лимитирования первичной продукции. Фотоингибирование и фотодеструкция. Фоторегуляция роста растения. Оптические свойства листьев высших растений и спектральные методы оценки функционального состояния фотосинтетического аппарата.

Лекция 10. Принцип Франка - Кондона и законы флуоресценции. Люминесценция биологически важных молекул. Механизмы миграции энергии: резонансный механизм, синглет-синглетный и триплет-триплетный переносы, миграция экситона. Природа гиперхромного и гипохромного эффектов. Оптическая плотность

Вопросы к лекциям

1. Условия стабильности конфигурации макромолекул
2. Основные стадии фотобиологического процесса
3. Макромолекула как основа организации клетки
4. Особенности формирования флуоресцентных полупроводниковых нанокристалов
5. Мембрана как универсальный компонент биологических систем
6. Основные положения теории Митчела
7. Взаимодействие квантов с молекулами
8. Модельные мембранные системы
9. Действие оптического излучения
10. Принцип Франка - Кондона и законы флуоресценции
11. Гибридные системы из квантовых точек и фоточувствительного белка фикоэритрина
12. Спектры поглощения и флуоресценции квантовых точек и фикоэритрина и расчет интегралов их перекрывания.
13. Оценка  Фёрстеровский радиус переноса энергии от квантовой точки к фикоэритрину.
14. Безизлучательный переноса энергии с квантовой точки на хромопротеин.
15. Какие комплексы (гибридные системы) образуют квантовые точки  и фикоэритрин для эффективного переноса?
16. Донорно-акцепторные взаимодействия фикоэритрина и квантовой точки.
17. Как оценить параметр , характеризующий эффективность миграции энергии от квантовой точки к фикоэритрину?
18. Назовите величину эффективности миграции энергии от квантовых точек к фикоэритрину.
19. Если эффективность миграции энергии составляет порядка 88%, то чему соответствует расстояние между донором и акцептором.
20. Как  образование гибридных структур, состоящих из квантовых точек и фикоэритрина, отражается на длительности второй компоненты кинетики затухания флуоресценции Y₅₃₀  и фикоэритрина?
21. Как константа скорости переноса энергии связана с эффективностью миграции энергии и временем жизни возбужденного состояния донора в отсутствие акцептора?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Andersson B., Styring S. (1991) Photosystem II: Molecular organization, function, and acclimation. Curr. Top. Bioenerg, V. 16, P. 1-81.
2. Kononenko A.A., Lukashev E.P. Light biosensors based on bacteriorhodopsin and photosynthetic reaction centers // Advances in Biosensors, 1995, V. 3, P. 191-211
3. Collins A., Critchley C. Artificial Photosynthesis // Wiley-VCH, 2005.
4. Sukhanova A., Baranov A.V., Klinov D., Oleinikov V., Berwick K., Cohen J.H.M., Pluot M., Nabiev I. // Nanotechnology. 2006.V. 17.P. 4223.
5. Sukhanova A., Artemyev M., Sharapov O., Baranov A., Jardillier J.C., Nabiev I. Ultrasensitive non-isotopic water-soluble nanocrystals, European, Eurasian and USA patents EP1366347; US2004105973; WO02073155. 09/03/2001.
6. Олейников В.А., Суханова А.В., Набиев И.Р. Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы в биологии и медицине. // Российские Нанотехнологии (2007) т. 2. №1-2 С. 160-173.
7. I.L. Medintz, H. Mattoussi Quantum dot-based resonance energy transfer and its growing application in biology // Phys. Chem. Chem. Phys., (2009). 11.P. 17–45
8. Стадничук И. Н. Фикобилипротеины // Итоги науки и техники. Биологическая химия. – 1990. – 40. – 196 с.
9. Фотосинтез: в 2-х томах, Т. 1. Под ред. Говинджи. М.: Мир. 1987. 728 с.
10. R. Rippka, J. Waterbury, G. Cohen-Bazire. A cyanobacterium which lacks thylakoids. Arch. Microbiol. 1974.100.419-436.
11. G. Guglielmi, G. Cohen-Bazire and D.A. Bryant, The structure of Gloeobacter violaceus and its phycobilisomes, Arch. Microbiol. 129 (1981). p. 181–189.U.K.
12. Laemmli. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriphage T4. Nature.1970.227.680-685.
13. Y.E. Borissevitch ; Tabak M. Correction of Stern-Volmer fluorescence quenching constants at very low optical absorption of the quencher. In: ELAFOT - Encontro Latinoamericano de Fotoquímica e Fotobiologia. 1997. Los Cocos. Córdoba.
14. Joseph R. Lakowicz Principles of Fluorescence Spectroscopy. 1999. 2nd ed. Kluwer Academic/Plenum Publishers.
15. S.V. Gaponenko, Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals. 1997. Cambridge University Press.
16. Корватовский Б.Н., Пащенко В.З., Рубин А.Б., Рубин Л.Б., Тусов В.Б. (1982) Автоматизированный импульсный флуорометр высокого временного разрешения и чувствительности. Биол. науки. Т.11. С. 105..
17. Dale, R. E. and J. Eisinger (1974) Intramolecular distances determined by energy transfer.  Dependence on orientational freedom of donor and acceptor.  Biopolymers 13.1573-1605
18. Еремин Е.Н. Основы химической кинетики. Изд. 2-е. доп. М., "Высшая. школа". 1976. 375 с.
19. Paschenko V.Z., Evstigneeva R.P., Gorokhov V.V., Luzgina V.N., Tusov V.B., Rubin A.B. (2000) Photophysical properties of carborane-containing derivatives of 5,10,15,20-tetra(p-aminophenyl) porphyrin, J. Photochem Photobiology, V. 54. P. 162–167.