Сайт в стадии разработки [Старая версия сайта]
Самый цитируемый биологический институт РФ *
PDF Печать E-mail
Принадлежит к подразделению: Отдел фотобиофизики
Руководитель: доктор биологических наук, профессор, академик РАН, Шувалов Владимир Анатольевич

Группа существует с 1988 года. С момента основания и по сей день основной целью группы является изучение первичных процессов фотосинтеза с помощью спектроскопии сверхвысокого (фемтосекундного) разрешени. С момента основания группы и до сегодняшнего дня коллектив занимается исследованием первичных процессов разделения, переноса и стабилизации зарядов в фотосинтетических реакционных центрах бактерий и растений. В группе была предсказана пространственная структура бактериальных реакционных центров (подтвержденная позднее рентгеноструктурным анализом) и раскрыт механизм первичного разделения зарядов в реакционных центрах фотосинтеза.

Научные задачи и результаты группы

I. Впервые получены прямые экспериментальные доказательства того, что в реакционных центрах Rba. sphaeroides R-26, Cfx. aurantiacus и ряда мутантов Rba. sphaeroides первичным акцептором электрона является молекула мономерного бактериохлорофилла в А-цепи ВА.

  1. В этих реакционных центрах с помощью высокочувствительной дифференциальной спектроскопии поглощения с временным разрешением 18-25 фс проведена прямая регистрация ИК полосы поглощения аниона ВА (при 1020 нм в Rba. sphaeroides и при 1028 нм в Cfx. aurantiacus), появление которой однозначно указывает на разделение зарядов между возбужденным состоянием первичного донора электронов, димера бактериохлорофилла Р*, и ВА.
  2. Исследование температурной зависимости замедленной флуоресценции феофитин-модифицированных реакционных центров Rba. sphaeroides R-26 показало, что уровень свободной энергии первичного состояния с разделенными зарядами P+BA находится ниже уровня свободной энергии возбужденного состояния димера Р* на 550 ± 30 см–1. Этот фундаментальный факт создает предпосылку для прямого участия ВА в первичном переносе электрона от Р*.
  3. Исследование фемтосекундной динамики полосы поглощения ВА полностью подтверждает последовательную схему переноса электрона при первичном разделении зарядов в бактериальных реакционных центрах (Р* → мономерный бактериохлорофилл ВА → бактериофеофитин НА → …), впервые предложенную более 30 лет назад в пионерских работах В.А. Шувалова и соавт. Показано, что время жизни состояния P+BA в реакционных центрах Rba. sphaeroides R-26 и Cfx. aurantiacus не превышает нескольких пс, что связано с быстрым переносом электрона на бактериофеофитин НА.

II. Впервые экспериментально показано, что молекула кристаллографической воды НОН55, входящая в состав реакционного центра Rba. sphaeroides, играет важную роль в переносе электрона от первичного донора электрона Р* к первичному акцептору ВА.

  1. Удаление воды НОН55 из структуры РЦ в мутантах по сайту М203 замедляет первичную реакцию разделения зарядов между Р* и ВА примерно в 4 раза.
  2. Вращение молекулы воды НОН55, выявляемое при фемтосекундном возбуждении реакционного центра Rba. sphaeroides, приводит к модуляции населенностей первичных состояний с разделенными зарядами P+BA- и P+HA- на частоте вращения 32-1 и кратных ей частотах. Принадлежность моды 32-1 и ее гармоник к вращению воды НОН55 доказана в экспериментах с реакционными центрами, не содержащими данную молекулу. При удалении воды НОН55 из структуры реакционного центра мода осцилляций при 32 см-1 и ее гармоники исчезают, а при замене этой воды на тяжелую воду происходит изотопическое понижение частот указанных мод с коэффициентом, характерным для вращательных спектров.

  3. С учетом данных рентгеноструктурного анализа реакционных центров, вода НОН55 может быть включена в одну из пространственных троп эффективного переноса электрона по цепи полярных групп атомов, соединяющей димер Р и мономер ВА: N–Mg(PB) –N–C–N(HisM202) –HOH55–O=(BA).

III. Впервые экспериментально раскрыто определяющее влияние тирозина М210, находящегося в реакционном центре Rba. sphaeroides вблизи димера Р и мономера бактериохлорофилла ВА, на первичное разделение зарядов и стабилизацию разделенных зарядов в реакционных центрах.

  1. Показано, что отсутствие тирозина М210 в мутантных реакционных центрах препятствует стабилизации разделенных зарядов в состоянии Р+ВА, что сопровождается сильным замедлением процесса первичного разделения зарядов.
  2. Найдено, что значительное понижение уровня свободной энергии состояния Р+ВА относительно аналогичного уровня возбужденного состояния Р* в реакционных центрах мутантов Rba. sphaeroides не способно компенсировать отсутствие тирозина М210 и ускорить разделение зарядов.
  3. Показано, что отсутствие тирозина М210 в мутантных реакционных центрах не компенсируется его введением в положение М197.
  4. Выявлено стабилизирующее влияние полярной ОН-группы тирозина М210 на состояние Р+ВА в процессе разделения зарядов в тирозин-содержащих РЦ.

IV. Впервые получены прямые экспериментальные доказательства (подтверждаемые теоретически) сопряжения ядерных движений с переносом электрона при первичном разделении зарядов в реакционных центрах пурпурных и зеленых бактерий.

  1. Продемонстрирована связь коллективных ядерных движений в виде волнового пакета, созданного в состоянии Р* при фемтосекундном возбуждении реакционных центров Rba. sphaeroides R-26 и Cfx. aurantiacus, и впервые обнаруженных осцилляций населенностей состояний фотопродуктов Р+ВА и Р+. С помощью Фурье-анализа этих осцилляций выявлены характерные моды ядерных движений, сопряженные с первичным переносом электрона.
  2. Экспериментально показано, что периодическое появление волнового пакета с частотой ~130 см–1 вблизи пересечения поверхностей потенциальной энергии Р* и Р+ВА в реакционных центрах приводит к обратимому переносу электрона на ВА, что выражается в синхронных осцилляциях поглощения BA– и вынужденного излучения Р*. Найдено, что часть волнового пакета, проникшая на поверхность Р+ВА, затем эффективно переходит на поверхность Р+.
  3. Обнаружено, что при фемтосекундном возбуждении реакционных центров Cfx. aurantiacus и мутантных по сайту М182 реакционных центров Rbа. sphaeroides происходит обратимый перенос электрона от Р* в малоактивную В-цепь, который целиком определяется движениями ядерного волнового пакета и опережает начало аналогичного переноса в А-цепь на 60-80 фс. Показано, что этот процесс определяется присутствием волнового пакета на коротковолновом склоне потенциальной поверхности Р* вблизи ее пересечения с потенциальной поверхностью первичного состояния с разделенными зарядами в В-цепи.
  4. Теоретическое моделирование динамики волнового пакета в рамках теории Редфилда подтвердило возможность его многократных, обратимых переходов с поверхности донора Р* на поверхность фотопродукта Р+ВА с сохранением когерентности. Показано, что учет как минимум двух коллективных ядерных мод, соответствующих двум координатам реакции, необходим для объяснения экспериментальных кинетик состояний Р* и Р+ВА.

Методы и технологии работы

Основной метод – дифференциальная высокочувствительная спектроскопия поглощения фемтосекундного временного разрешения в видимом и ближнем ИК диапазоне. Для этого используется уникальный спектрометр с разрешением 18 фс, созданный в отделе В.А. Шувалова.

[little.more.text]

Педагогическая деятельность

В.А. Шувалов ведет образовательную деятельность ( лекции, семинары) в Институте фундаментальных проблем биологии РАН и в Пущинском филиале МГУ им. М.В. Ломоносова. Под его руководством подготовлено и защищено большое количество кандидатских и докторских диссертаций по биологии и биофизике, а также дипломных и курсовых работ студентов.

Обновлено 30.11.2011 15:14
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. 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. >>

  15. 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.

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

  17. 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.

  18. 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.

  19. 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.

  20. 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.

  21. 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.

  22. 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.

  23. 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.

  24. 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.

  25. 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.

  26. 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.

  27. Heber U., Bilger W., Shuvalov V.A. (2006) Thermal energy dissipation in reaction centres and in the antenna of photosystem II protects desiccated poikilohydric mosses against photo-oxidation. Journal of Experimental Botany, 57 (12): 2993-3006.

  28. Yakovlev A.G., Shkuropatova T.A., Vasilieva L.G., Shkuropatov A.Y., Gast P., Shuvalov V.A. (2006) Vibrational coherence in bacterial reaction centers with genetically modified B-branch pigment composition. Biochimica et Biophysica Acta-Bioenergetics, 1757 (5): 369-379.

  29. Heber U., Lange O.L., Shuvalov V.A. (2006) Conservation and dissipation of light energy as complementary processes: homoiohydric and poikilohydric autotrophs. Journal of Experimental Botany, 57 (6): 1211-1223.

  30. Shuvalov V.A., Yakovlev A.G., Shkuropatova T.A., Vasilieva L.G., Shkuropatov A.Y., Gast P. (2006) Electron transfer in bacterial reaction centers with modified B-branch pigment composition. Biochimica et Biophysica Acta-Bioenergetics, : 38.

More articles