Полная версия

Главная arrow Экология arrow О роли когерентности в сверхслабых взаимодействиях в биосистемах и биосфере

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ПОИСК И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ

Корреляции в электронной системе хромофоров биомолекул и пространственно коррелированные флуктуации электронной структуры водородных связей молекул воды

В этой и следующей главах мы обратимся к исследованию роли когерентности и корреляций дальнего порядка в биологических процессах на ультрабыстрых масштабах времени. Рассмотрим некоторые аспекты связи динамики водного окружения, переноса энергии и когерентности в биомолекулах.

Недавние исследования свидетельствуют о том, что в воде в обычных условиях существуют структурные флуктуации в сетке водородных связей (СФВС), сопряженные с кооперативными эффектами вследствие изменений электронной структуры молекул воды [Nilsson et al., 2012]. В настоящей главе на основе сравнительного анализа величин, пространственных и временных масштабов возможных СФВС воды и флуктуаций окружения электронной системы хромофоров, необходимых для формирования значительных корреляций между хромофорами таких, как в случае долгоживущей экситонной когерентности в фотосинтетических комплексах, мы покажем возможность влияния СФВС на корреляции в электронной системе хромофоров, дефазировку долгоживущих квантовых когерентностей, эк- ситонную динамику, перенос энергии и заряда в ряде биомолекул. Также обсудим предположение о том, что в воде осуществляются волны преобразований электронной структуры ВС, опосредующие информационные взаимодействия.

Считается, что при различных информационных воздействиях на биосистемы водная среда имеет ключевое значение [Бинги, 2011; Новиков и др., 2010]. Полагают, что при этом элементы упорядоченности в молекулярной структуре и динамике водной среды должны играть определенную роль; что на ультрабыстром временном масштабе избыток энергии неравновесного водного окружения может не рандомизироваться, рассеиваясь, а участвовать в организации коррелированных процессов в биомолекуле [Ishizaki and Fleming, 2012; Fassiolli et al., 2012]. Эти вопросы начинают интенсивно исследовать.

Молекула воды может образовывать до четырех водородных связей (ВС), в двух связях будучи акцептором ВС, в двух других — донором. Считалось, что в обычных условиях вода однородна по структуре с непрерывной тетраэдрической сеткой ВС (в среднем). Однако в последнее время появляется все больше экспериментальных данных [Wernet et al., 2004; Fu et al., 2009; Nilsson et al., 2012; Garrett- Roe et al., 2011; Petkov et al., 2012; Лобышев и Соловей, 2011], которые затруднительно объяснить в рамках традиционных представлений и можно интерпретировать как свидетельства полиморфизма воды, ее структурной и даже пространственной неоднородности в обычных условиях. Предложена концепция о формировании некристаллографических параметрических тетраэдрических структур молекул воды [Бульенков, 2005]. Топологические перестройки сетки ВС могут объяснить ряд несоответствий экспериментам [Лобышев и Соловей, 2011]. Результаты исследований методами рентгеновской спектроскопии интерпретируют как указания на то, что вода состоит из структур с двумя сильными ВС, донорной и акцепторной, что соответствует тому, что молекулы включены в сильно связанные ВС цепочки или кольца, окруженные неупорядоченной сеткой, соответствующей слабым ВС [Fu et al., 2009]. Дальнейшие исследования привели к двухкомпонентной модели воды, согласно которой на фоне неупорядоченной компоненты с искажениями в ВС непрерывно возникают как структурные флуктуации (СФ) наноразмерные области тетраэдрических структур [Nilsson et al., 2012]. Пространственный масштаб этих СФ составляет, по меньшей мере, 12 А [Там же]. В [Garrett-Roe et al., 2011] методом трехмерной ИК-спектроскопии обнаружено наличие подансамблей молекул воды, характеризующихся различной динамикой и структурной организацией, со временным масштабом корреляций 500 фс, что также можно соотнести с СФ.

Установлено, что ВС, не принимая во внимание возможную неоднородную структурную организацию, играют определяющую роль в активности биомолекул [Zhong et al., 2011]. Но может ли именно неоднородная структурная организация ВС в воде, СФ ВС, пространственные корреляции флуктуаций ВС каким-то образом оказывать влияние на биопроцессы, перенос информации, коррелированность в биопроцессах? Имеются экспериментальные свидетельства тому, что неоднородная структурная организация ВС, СФ ВС играют определяющую роль в динамике электронно-возбужденных состояний в водной среде, что может модулировать биопроцессы и сверхслабое излучение [Воейкови др., 2012]. В [Лобышев и Соловей, 2011] предложена модель волны топологических перестроек, которая меняет топологию связей в сетке ВС при малых изменениях положений атомов, что является возможным механизмом переноса информации о конформацион- ных преобразованиях биомолекул.

С другой стороны, в последнее время наблюдается интерес к проблеме влияния водной среды и динамики молекул воды на процессы, связанные с корреляциями дальнего порядка, долгоживущими квантовыми когерентностями в биомолекулах. В [Turner et al., 2012] исследовалось влияние pH водной среды на долгоживущие электронную и колебательную когерентности в хромофор-протеиновых комплексах. В [Yakovlev and Shuvalov, 2003; Пищальников и др., 2012] показано, что вращение молекулы воды, входящей в состав реакционного центра (РЦ) пурпурных бактерий Rhodobacter Sphaeroides, может модулировать колебательно-когерентные процессы в РЦ на первых стадиях разделения заряда.

В настоящей главе рассматривается вопрос о возможности влияния СФ ВС на корреляции в электронной системе хромофоров биомолекул.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>