Сайт в стадии разработки [Старая версия сайта]
Самый цитируемый биологический институт РФ *

Отдел фотобиофизики

Отдел организован в 1988 г. акад. РАН В.А.Шуваловым, который руководит им до настоящего врмени. Отдел ведет научные исследование первичных фотофизических процессов в фотосинтетических светособирающих антеннах и реакционных центрах.

Основные научные достижения отдела

Предсказана пространственная структура бактериальных реакционных центров (впоследствии подтвержденная рентгеноструктурным анализом). Раскрыт механизм первичного акта преобразования энергии света в энергию разделенных зарядов. Показано, что первичный акт преобразования энергии светового возбуждения в реакционных центрах ( РЦ ) фотосинтезирующих бактерий заключается в переносе электрона от первичного донора электрона на мономер бактериохлорофилла за время 1.6 пс при 10 К [Шувалов ВА. "Преобразование солнечной энергии в первичном акте разделения зарядов в реакционных центрах фотосинтеза". 2000, М.: Наука.]. Найдено, что образующееся первичное состояние с разделенными зарядами характеризуется полосой поглощения при 1020 нм, характерной для образования анион-радикала мономера бактериохлорофилла. [Shuvalov VA, Yakovlev AG. FEBS Letе. 2003; 540: 26-34]. Обнаружены и исследованы субпикосекундные осцилляции в полосе поглощения анион-радикала мономера бактериохлорофилла нативных и мутантных РЦ Rhodobacter sphaeroids R-26 [Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. FEBS Lett. 2000, 466: 209-12]. Выдвинуто и обосновано фундаментальное положение о том, что первичное состояние с разделенными зарядами является реальным промежуточным звеном в переносе электрона.

Исследовано формирование и когерентное распространение ядерных волновых пакетов на поверхностях потенциальной энергии возбужденного состояния первичного донора электрона и состояний с разделенными зарядами в бактериальных реакционных центрах [Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. Biochem. 2002; 41: 14019-27]. Найдено, что при движении ядерного волнового пакета происходит формирование промежуточного смешанного состояния, которое излучает свет как возбужденное состояние димера бактериохлорофилла и поглощает свет как первичное состояние с разделенными зарядами. Показано, что движение волнового пакета сопровождается как обратимым, так и необратимым переносом электрона по цепи кофакторов. Выдвинут принцип электрон-ядерного сопряжения при первичном преобразовании энергии в реакционных центрах [Yakovlev AG, Shkuropatov AYa, Shuvalov VA. Biochem. 2002; 41: 2667-74]. Исследована роль динамических эффектов в процессах первичного разделения зарядов в РЦ [Novoderezhkin VI, Yakovlev AG, van Grondelle R, Shuvalov VA. J. Phys. Chem. B. 2004; 108, 7445-57].

Выдвинута и экспериментально обоснована концепция жесткой оптимизации структуры фотосинтезирующего аппарата по функциональному критерию [Фетисова ЗГ, Фок МВ. Молек Биол. 1984, 18: 1651-6]. Исследована стратегия эффективного функционирования природных светособирающих молекулярных антенн. Определены теоретически некоторые из основных принципов организации оптимальных модельных светособирающих систем [Фетисова ЗГ, Фок МВ, Шибаева ЛВ. Молек Биол. 1985, 19: 1476-88; 1489-500; Fetisova ZG, Borisov AYu, Fok MV. J Theor Biol. 1985, 112: 41-75; Fetisova, ZG, Shibaeva, LV, Fok, MV. J Theor Biol. 1989, 140: 167-84; Фетисова ЗГ. Молек Биол. 2004; 38: 515-23]. Открыт ряд фундаментальных принципов структурно-функциональной организации природных антенн, позволивших реализовать in vivo большие и высокоэффективные светособирающие структуры. Прямыми биофизическими методами продемонстрирован дальний молекулярный порядок в светособирающих антеннах зеленых бактерий как ключевой принцип их организации, необходимый для оптимизации структуры [Fetisova ZG, Freiberg AM, Timpmann KE. Nature 1988, 334: 633-4]. Показано, что олигомеризация пигментов модельной антенны - будучи универсальным структурным фактором, оптимизирующим функционирование антенн с решеткой любого геометрического типа - биологически целесообразна [Fetisova ZG, Shibaeva LV, Fok MV. J Theor Biol. 1989, 140: 167-84]. Получено прямое экспериментальное доказательство реализации олигомерной организации антенных пигментов in vivo на примере хлоросомных суперантенн зеленых бактерий [Fetisova ZG, Mauring K. FEBS Lett. 1992, 307: 371-4; Fetisova ZG, Mauring K. FEBS Lett. 1993, 323: 159-62; Fetisova ZG, Mauring K, Taisova AS. Photosynth Res. 1994, 41: 205-10; Фетисова и др. Молек Биол. 1995, 29: 1384-90; 1996, 30: 442-8; 1997, 31: 520-7; 1997, 31: 855 –60].

Открыта строгая ориентационная упорядоченность векторов дипольных моментов Qy-переходов светособирающих пигментов в хлоросомной антенне зеленых бактерий, содержащей десятки тысяч молекул пигмента. Показано, что эти векторы - взаимно параллельны и направлены вдоль длинной оси хлоросомы, как это было предсказано в наших модельных расчетах для оптимальных систем [Fetisova ZG, Kharchenko SG, Abdourakhmanov IA. FEBS Lett. 1986, 199: 234-6; Fetisova ZG, Freiberg AM, Timpmann KE. Nature, 1988, 334: 633-4]. Предложена новая оригинальная молекулярная модель олигомерной организации пигментов в хлоросомных антеннах. Разработана модель функционирования этой природной антенны [Fetisova ZG et al. Biophys J. 1996, 71: 995–1010; Novoderezhkin et al. Biophys J. 1998, 74: 2069-75; Novoderezhkin VI, Fetisova ZG. Biophys J. 1999, 77: 424-30; Savikhin et al. FEBS Lett. 1998, 323: 159-62; Novoderezhkin VI, Taisova AS, Fetisova ZG. Chem Phys Lett. 2001; 335: 234-40; Fetisova ZG, Mauring K, Taisova AS. Photosynth Res. 1994, 41: 205-10; Yakovlev et al. Photosynth Res. 2002; 71: 19-32; Мауринг и др. Молек Биол. 2004; 38: 317-22]. Открыта стратегия выживания фотосинтезирующих организмов в широком диапазоне интенсивностей света. Теоретически предсказано, что агрегация антенных пигментов, будучи сама по себе одним из универсальных оптимизирующих факторов, может, кроме того, управлять эффективностью антенны, если степень агрегации является переменным параметром: эффективность антенны растет с увеличением размера единичного антенного агрегата [Fetisova, ZG, Shibaeva, LV, Fok, MV. J Theor Biol. 1989, 140: 167-84; Фетисова ЗГ. Молек Биол. 2004; 38: 515-23]. Показано, что этот принцип оптимизации структуры вариабельной антенны, размер которой определяется интенсивностью света, действительно реализуется in vivo. Открыта предсказанная теоретически вариабельность размера единичного строительного блока светособирающей антенны, контролируемая интенсивностью света. На примере хлоросомной олигомерной антенны зеленых бактерий показано, что осуществляемый светом контроль не только размера хлоросомной антенны в целом, но и размера единичного строительного блока этой антенны обеспечивает высокую эффективность функционирования этой олигомерной антенны независимо от ее размера, что, как следствие, и позволяет выживать этим организмам в широком диапазоне интенсивностей света [Yakovlev AG, Taisova AS, Fetisova ZG. FEBS Lett. 2002; 512: 129-32; Яковлев АГ, Таисова АС, Фетисова ЗГ. Молек Биол. 2004; 38: 524-31].

Участие в выполнении научно-исследовательских проектов и грантовая поддержка

Проекты "Изучение первичных процессов фотосинтеза в реакционных центрах фотосинтезирующих бактерий и зеленых растений" совместно с Институтом фундаментальных проблем биологии РАН, Департаментом Биофизики Лейденского университета (Голландия), университетом Вюрцбурга (Германия); "Исследование структуры и функции светособирающих антенн фотосинтезирующих зеленых бактерий" совместно с Аризонским государственным университетом, и государственным университетом штата Айова США), университетом Южной Дании (Дания), Турецким техническим университетом (Турция), университетом Падуи (Италия). Гранты: ряд грантов РФФИ, Международного научного фонда Сороса, программы "Университеты России", NWO (Нидерланды), INTAS.

Научные премии

Научные достижения отдела отмечены Государственной премией РФ (В.А. Шувалов).

Подразделения отдела

Все сотрудники отдела

Штатные сотрудники

Все статьи
  1. Milanovsky G.E., Shuvalov V.A., Semenov A.Y., Cherepanov D.A. (2015) Elastic Vibrations in the Photosynthetic Bacterial Reaction Center Coupled to the Primary Charge Separation: Implications from Molecular Dynamics Simulations and Stochastic Langevin Approach. J. Phys. Chem. B, 119 (43): 13656-13667. >>

  2. Yakovlev A.G., Shuvalov V.A. (2015) Spectral exhibition of electron-vibrational relaxation in P* state of Rhodobacter sphaeroides reaction centers. Photosynth. Res., 125 (1): 9-22. >>

  3. Yakovlev A., Novoderezhkin V., Taisova A., Shuvalov V., Fetisova Z. (2015) Orientation of B798 BChl a Q (y) transition dipoles in Chloroflexus aurantiacus chlorosomes: polarized transient absorption spectroscopy studies. Photosynth. Res., 125 (1): 31-42. >>

  4. Yakovlev A.G., Shuvalov V.A. (2015) Electronic relaxation in P* state of Rhodobacter sphaeroides reaction centers. Dokl. Biochem. Biophys., 461 (1): 72-75. >>

  5. Nadtochenko V.A., Semenov A.Y., Shuvalov V.A. (2014) Formation and decay of P680 (P-D1-P-D2)(+)Pheo(D1)(-) radical ion pair in photosystem II core complexes. Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg., 1837 (9): 1384-1388. >>

  6. Sun J.L., Hao S.J., Radle M., Xu W., Shelaev I., Nadtochenko V., Shuvalov V., Semenov A., Gordon H., Van Der Est A., Golbeck J.H. (2014) Evidence that histidine forms a coordination bond to the A(0A) and A(0B) chlorophylls and a second H-bond to the A(1A) and A(1B) phylloquinones in M688H(PsaA) and M668H(PsaB) variants of Synechocystis sp PCC 6803. Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg., 1837 (8): 1362-1375. >>

  7. Nadtochenko V.A., Shelaev I.V., Mamedov M.D., Shkuropatov A.Y., Semenov A.Y., Shuvalov V.A. (2014) Primary radical ion pairs in photosystem II core complexes. Biochem.-Moscow, 79 (3): 197-204. >>

  8. Taisova A.S., Yakovlev A.G., Fetisova Z.G. (2014) Size variability of the unit building block of peripheral light-harvesting antennas as a strategy for effective functioning of antennas of variable size that is controlled in vivo by light intensity. Biochem.-Moscow, 79 (3): 251-259. >>

  9. Yakovlev A.G., Shuvalov V.A. (2014) Modeling of reversible charge separation in reaction centers of photosynthesis: An incoherent approach. J. Theor. Biol., 343: 92-101. >>

  10. Yakovlev A.G., Shuvalov V.A. (2013) Reversible charge separation in reaction centers of photosynthesis: A classical model. Dokl. Biochem. Biophys., 450 (1): 143-146. >>

  11. Semenov A.Y., Shelaev I.V., Gostev F.E., Mamedov M.D., Shuvalov V.A., Sarkisov O.M., Nadtochenko V.A. (2012) Primary steps of electron and energy transfer in photosystem I: Effect of excitation pulse wavelength. Biochem.-Moscow, 77 (9): 1011-1020. >>

  12. Khatypov R.A., Khmelnitskiy A.Y., Khristin A.M., Fufina T.Y., Vasilieva L.G., Shuvalov V.A. (2012) Primary charge separation within P870* in wild type and heterodimer mutants in femtosecond time domain. Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg., 1817 (8): 1392-1398. >>

  13. Vasilieva L.G., Fufina T.Y., Gabdulkhakov A.G., Leonova M.M., Khatypov R.A., Shuvalov V.A. (2012) The site-directed mutation I(L177)H in Rhodobacter sphaeroides reaction center affects coordination of P-A and B-B bacteriochlorophylls. Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg., 1817 (8): 1407-1417. >>

  14. Taisova A.S., Lukashev E.P., Fedorova N.V., Zobova A.V., Dolgova T.A., Fetisova Z.G. (2012) Experimental Proof of Optimality of Interfacing of Chlorosome BChl c and Membrane BChl a Subantennae in Superantenna of Photosynthetic Green Bacteria from the Oscillochloridaceae Family. Dokl. Biochem. Biophys., 444 (1): 154-157. >>

  15. Yakovlev A.G., Khmelnitsky A.Y., Shuvalov V.A. (2012) Femtosecond charge separation in dry films of reaction centers of Rhodobacter sphaeroides and Chloroflexus aurantiacus. Biochem.-Moscow, 77 (5): 444-455. >>

  16. Yakovlev A.G., Vasilieva L.G., Shkuropatov A.Y., Shuvalov V.A. (2011) Coherent phenomena of charge separation in reaction centers of LL131H and LL131H/LM160H/FM197H mutants of Rhodobacter sphaeroides. Biochemistry-Moscow, 76 (10): 1107-1119.

  17. Zobova A., Taisova A.S., Lukashev E.P., Fedorova N., Baratova L., Fetisova Z.G. (2011) CsmA Protein is Associated with BChl a in the Baseplate Subantenna of Chlorosomes of the Photosynthetic Green Filamentous BacteriumOscillochloris trichoides belonging to the Family Oscillochloridaceae. Journal of Biophysics, 2011: 10. >>

  18. Shuvalov V.A. (2010) Theorem about electron energy in many-electron atoms in biological molecules. Doklady Biochemistry and Biophysics, 434 (1): 232-234.

  19. Shelaev I.V., Gostev F.E., Mamedov M.D., Sarkisov O.M., Nadtochenko V.A., Shuvalov V.A., Semenov A.Y. (2010) Femtosecond primary charge separation in Synechocystis sp PCC 6803 photosystem I. Biochimica et Biophysica Acta-Bioenergetics, 1797 (8): 1410-1420.

  20. Zobova A.V., Taisova A.S., Fetisova Z.G. (2010) Search for an optimal interfacing of subantennae in superantenna of photosynthetic green bacteria from Oscillochloridaceae family: Model calculations. Doklady Biochemistry and Biophysics, 433 (1): 148-151.

  21. Yakovlev A.G., Vasilieva L.G., Khmelnitskaya T.I., Shkuropatova V.A., Shkuropatov A.Y., Shuvalov V.A. (2010) Primary Electron Transfer in Reaction Centers of YM210L and YM210L/HL168L Mutants of Rhodobacter sphaeroides. Biochemistry-Moscow, 75 (7): 832-840.

  22. Yakovlev A.G., Shkuropatova T.A., Shkuropatova V.A., Shuvalov V.A. (2010) Femtosecond stage of electron transfer in reaction centers of the triple mutant SL178K/GM203D/LM214H of Rhodobacter sphaeroides. Biochemistry-Moscow, 75 (4): 412-422.

  23. Yakovlev A.G., Vasilieva L.G., Shkuropatov A.Y., Shuvalov V.A. (2009) Primary processes of charge separation in reaction centers of YM210L/FM197Y and YM210L mutants of Rhodobacter sphaeroides. Biochemistry-Moscow, 74 (11): 1203-1210.

  24. Yakovlev A.G., Shkuropatova T.A., Vasilieva L.G., Shkuropatov A.Y., Shuvalov V.A. (2009) Femtosecond phase of charge separation in reaction centers of Chloroflexus aurantiacus. Biochemistry-Moscow, 74 (8): 846-854.

  25. Zobova A.V., Yakovlev A.G., Taisova A.S., Fetisova Z.G. (2009) The search for an optimal orientational ordering of Q (y) transition dipoles of subantenna molecules in the superantenna of photosynthetic green bacteria: Model calculations. Molecular Biology, 43 (3): 426-443.

  26. Shuvalov V.A. (2008) Role of photons in the formation and interaction of elementary particles in atoms of biological molecules. Doklady Physics, 53 (6): 323-327.

  27. Shuvalov V.A., Dolgova T.A. (2007) Quantum yield of charge separation and fluorescence in photosystem II of green plants. Doklady Biochemistry and Biophysics, 416 (1): 268-270.

  28. Zobova A.V., Fetisova Z.G. (2007) Optimal coupling of subantennas as a strategy for efficient functioning of the light-harvesting antennas in photosynthesizing organisms: Model computations. Doklady Biochemistry and Biophysics, 416 (1): 281-284.

  29. Heber U., Azarkovich M., Shuvalov V. (2007) Activation of mechanisms of photoprotection by desiccation and by light: poikilohydric photoautotrophs. Journal of Experimental Botany, 58 (11): 2745-2759.

  30. Semenov A., Shelaev I., Gostev F., Nadtochenko V., Mamedov M., Gopta O., Shuvalov V., Sarkisov O. (2007) Primary events in cyanobacterial photosystem I complexes studied using femtosecond selective excitation of antenna and reaction center chlorophylls. Photosynthesis Research, 91 (2): 154.

More articles