Комплекс Фенна – Мэтьюз – Олсон - Fenna–Matthews–Olson complex

Рисунок 1. Тример белка FMO. Молекулы BChl a изображены зеленым цветом, центральный атом магния - красным, а белок - серым (изображение в "карикатурах"). Каждый мономер содержит бактериохлорофиллы.

Fenna- Мэттьюз - Olson (предприятие) комплекс представляет собой растворимый в воде комплекс , и был первым пигмент - белковый комплекс (КПП) , чтобы быть структура анализировали с помощью рентгеновской спектроскопии . Он появляется у зеленых серных бактерий и опосредует передачу энергии возбуждения от светособирающих хлоросом к встроенному в мембрану бактериальному реакционному центру (bRC). Его структура тримерная (C3-симметрия). Каждый из трех мономеров содержит восемь молекул бактериохлорофилла а (БХл а ). Они связаны с белковым каркасом посредством хелатирования своего центрального атома магния либо с аминокислотами белка (в основном гистидином ), либо с атомами кислорода, связанными с водой (только один BChl a каждого мономера).

Поскольку структура доступна, расчет оптических спектров на основе структуры возможен для сравнения с экспериментальными оптическими спектрами. В простейшем случае учитывается только экситонная связь БХЛ. Более реалистичные теории рассматривают связывание пигмента и белка. Важным свойством является локальная энергия перехода (энергия сайта) BChls, разная для каждого из-за их индивидуального локального белкового окружения. Энергии сайтов BChls определяют направление потока энергии.

Имеется некоторая структурная информация о суперкомплексе FMO-RC, которая была получена с помощью электронной микроскопии и спектров линейного дихроизма, измеренных на тримерах FMO и комплексах FMO-RC. По этим измерениям возможны две ориентации комплекса FMO относительно RC. Ориентация с BChl 3 и 4 близко к RC и BChl 1 и 6 (согласно исходной нумерации Fenna и Matthews), ориентированная на хлоросомы, полезна для эффективной передачи энергии.

Тестовый объект

Комплекс представляет собой простейший PPC, встречающийся в природе, и, следовательно, подходящий тестовый объект для разработки методов, которые могут быть перенесены в более сложные системы, такие как фотосистема I. Энгель и его коллеги заметили, что комплекс FMO демонстрирует удивительно длительную квантовую когерентность , но после Около десятилетия дебатов было показано, что эта квантовая когерентность не имеет значения для функционирования комплекса. Кроме того, было показано, что зарегистрированные долгоживущие колебания, наблюдаемые в спектрах, обусловлены исключительно колебательной динамикой основного состояния и не отражают динамику передачи энергии.

Сбор квантового света

Сбор света в фотосинтезе использует как классические, так и квантово-механические процессы с почти 100-процентной энергоэффективностью. Чтобы свет вырабатывал энергию в классических процессах, фотоны должны достичь реакционных центров, прежде чем 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 маршрутам в материале одновременно. Когда фотон находит правильное место назначения, суперпозиция схлопывается, делая доступной энергию. Однако ни один чисто квантовый процесс не может быть полностью ответственным, потому что некоторые квантовые процессы замедляют движение квантованных объектов по сетям. Локализация Андерсона предотвращает распространение квантовых состояний в случайных средах. Поскольку состояние действует как волна, оно уязвимо для разрушительных воздействий помех. Другой проблемой является квантовый зено-эффект , при котором нестабильное состояние никогда не изменяется, если оно постоянно измеряется / отслеживается, потому что наблюдение постоянно подталкивает состояние, предотвращая его коллапс.

Взаимодействия между квантовыми состояниями и окружающей средой действуют как измерения. Классическое взаимодействие с окружающей средой изменяет волнообразную природу квантового состояния ровно настолько, чтобы предотвратить локализацию Андерсона, в то время как квантовый зено-эффект продлевает время жизни квантового состояния, позволяя ему достичь реакционного центра. Предлагаемое долгое время существования квантовой когерентности в FMO побудило многих ученых исследовать квантовую когерентность в системе, причем статью Энгеля 2007 года цитировали 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 колебательного переходы.

Вычисление

Проблема поиска реакционного центра в белковой матрице формально эквивалентна многим вычислительным задачам. Сопоставление вычислительных проблем с поиском в реакционном центре может позволить собирать свет в качестве вычислительного устройства, повышая скорость вычислений при комнатной температуре, обеспечивая эффективность в 100-1000 раз.

использованная литература