БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 10, с. 1483 - 1491

УДК 577.344/543.421

СРАВНЕНИЕ АБСОРБЦИОННОЙ ДИНАМИКИ СИНГЛЕТНЫХ

ВОЗБУЖДЁННЫХ СОСТОЯНИЙ ХЛОРОФИЛЛОВ a И d

Ф.Е. Гостев¹, И.В. Шелаев^1,2, А.В. Айбуш¹, В.А. Надточенко^1,3

¹ Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАН,

119991 Москва, Россия; электронная почта: tscherepanov@gmail.com

² Научно-исследовательский институт физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского,

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия

³ Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет,

119992 Москва, Россия

Поступила в редакцию 17.03.2022

После доработки 19.04.2022

Принята к публикации 06.05.2022

Методом широкополосной фемтосекундной лазерной спектроскопии «возбуждение-зондирование»

измерена абсорбционная динамика хлорофиллов a и d в тетрагидрофуране в диапазоне 400-870 нм.

Получены спектры поглощения возбуждённых синглетных состояний S₁ хлорофиллов a и d, а также

определена динамика сдвига полосы Q_y стимулированного излучения этих пигментов (Стоксов сдвиг

полосы флуоресценции) во временном диапазоне от 60 фс до 4 пс. Измерена кинетика внутримоле-

кулярной конверсии Q_x → Q_y (электронный переход S₂ → S₁); характерное время релаксации составило

54 ± 3 фс для хлорофилла a и 45 ± 9 фс - для хлорофилла d.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: хлорофилл a; хлорофилл d; фемтосекундная лазерная спектроскопия; спектр

возбуждённого состояния; динамика сдвига Стокса; внутримолекулярная конверсия.

DOI: 10.31857/S032097252210013X, EDN: BDNNTB

ВВЕДЕНИЕ

состояния Хл d стало в настоящее время особен-

но актуальным в связи с публикацией структу-

Фотосинтетический аппарат высших рас-

ры высокого разрешения фотосистемы I (ФС I)

тений, водорослей и цианобактерий включает

из цианобактерии Acaryochloris marina, в кото-

пигмент-белковые комплексы двух типов: све-

рой этот пигмент играет ключевую роль в про-

тособирающую антенну, в которой около ста

цессах поглощения света в ближнем инфра-

молекул различных пигментов интегрированы

красном диапазоне и в первичных реакциях

в общую белковую матрицу, и реакционный

разделения зарядов [7, 8].

центр, в котором происходит разделение за-

Процессы миграции энергии в светособи-

рядов и создаётся трансмембранная разность

рающих комплексах и реакции разделения за-

электрического потенциала [1, 2]. Основным

рядов в реакционном центре происходят в од-

пигментом как антенны, так и реакцион-

ном масштабе времени (1-10 пс), поэтому для

ных центров большинства фотосинтезирую-

изучения этих процессов активно используют

щих организмов является хлорофилл a (Хл a).

методы фемтосекундной лазерной спектроско-

Фотосинтетические комплексы некоторых циа-

пии «возбуждение-зондирование» [2]. Интер-

нобактерий содержат длинноволновые формы

претация переходных спектров в подобных экс-

хлорофилла d и f [3, 4], позволяющие исполь-

периментах сильно облегчается, если известны

зовать световую энергию инфракрасного диа-

спектральные характеристики нижнего воз-

пазона [5, 6]. Изучение свойств возбуждённого буждённого состояния (S₁) хлорофилла в види-

мой и ближней инфракрасной областях [9, 10],

однако в настоящее время спектры возбуждён-

Принятые сокращения: ДМФ - N,N-диметилфор-

мамид; ТГФ - тетрагидрофуран; ФС - фотосистема;

ного состояния Хл d не получены. В связи с

Хл - хлорофилл.

этим исследование синглетного состояния Хл d

* Адресат для корреспонденции.

имеет особую актуальность.

1483

1484

ЧЕРЕПАНОВ и др.

В данной работе представлены спектры

соответствуют полосе поглощения 650 нм [12].

поглощения возбуждённых синглетных состоя-

Время электронной конверсии S₂ → S₁ различ-

ний S₁ хлорофиллов a и d в тетрагидрофура-

ных модификаций хлорофилла составляет око-

не (ТГФ) в диапазоне 400-870 нм, полученные

ло 100 фс [13], поэтому переходный абсорбци-

методом фемтосекундной лазерной спектро-

онный спектр на задержке 1 пс представляет

скопии «возбуждение-зондирование», а также

суперпозицию спектра выцветания основного

динамика сверхбыстрых внутримолекулярных

состояния S₀ (отрицательный вклад) и спектра

электронных переходов S₂ → S₁ и Стоксова сдви-

поглощения первого возбуждённого состоя-

га полосы флуоресценции Q_y двух указанных

ния S₁ (положительный вклад). Кроме того,

хлорофиллов.

в дальнем красном диапазоне присутству-

ет стимулированное излучение, обусловлен-

ное переходом S₁ → S₀ (отрицательный вклад).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для количественной интерпретации на рис. 1, а

приведён стационарный спектр поглоще-

Экстракция хлорофиллов осуществлялась на

ния Хл d в ТГФ, взятый с обратным знаком

рассеянном свету. Хл а экстрагировали из ли-

(штрих-пунктир, A₀). Переходный спектр был

стьев шпината обработкой ацетоном в течение

нормирован по спектру поглощения Хл d на

10 мин, за которой следовало смешивание с гек-

длине волны 455 нм (полоса Соре), коэффи-

саном. Хл а отделяли от других пигментов мето-

циент экстинкции которого (Δε₄₄₅) составляет

дом тонкослойной хроматографии с использо-

8,7 · 10⁴ M^-1 см^-1 [14].

ванием подвижной фазы, состоящей из смеси

На рис. 1, б сплошной линией (1) показан

гексана и ацетона в соотношении 7/3. Экстрак-

спектр поглощения Хл d в первом возбуждён-

цию Хл d из тилакоидных мембран, выделен-

ном состоянии S₁. Он был получен сложением

ных из цианобактерии A. marina, проводили

переходного спектра (TA), линейного спектра

с помощью диметилсульфоксида (ДМСО) [11],

поглощения Хл d в ТГФ (2) и модельного спек-

для удаления молекул неполярных пигментов

тра флуоресценции полосы Q_y (3), с помощью

использовали циклогексан.

которого учитывался вклад стимулированного

Идентификацию и чистоту хлорофилла в экс-

излучения. Спектр флуоресценции был смоде-

тракте определяли с помощью УФ-видимой-

лирован зеркальным отражением спектра по-

и ИК-спектрометрии. Хл хранили в N,N-диме-

глощения A₀ относительно максима полосы Q_y.

тилформамиде (ДМФ) при -80 °С.

Амплитуду и сдвиг Стокса спектра флуорес-

Оптические изменения регистрировали в

ценции Δλ определяли методом нелинейной

оптическом диапазоне 400-900 нм на времен-

регрессии, амплитуда составила 60% от ампли-

ных задержках от 60 фс до 500 пс. Эксперимен-

туды полосы Q_y спектра поглощения Хл d, а ве-

тальная установка и методика измерений были

личина сдвига Стокса полосы Q_y в красную сто-

описаны ранее [10]. Возбуждение раствора Хл d

рону была равна 6 нм. Аналогичным образом

осуществлялось фемтосекундным лазерным

был получен спектр поглощения возбуждённо-

импульсом с максимумом на 640 нм (полу-

го состояния Хл a (рис. 1, в).

ширина - 35 нм, длительность - 25 фс, энер-

Наблюдаемый сдвиг минимума полосы Q_y

гия - 45 нДж), для возбуждения раствора Хл a

переходного спектра в длинноволновую сто-

использовался импульс с максимумом на 615 нм

рону (Стоксов сдвиг полосы флуоресценции)

(полуширина - 35 нм, длительность - 24 фс,

обусловлен понижением энергии возбуждён-

энергия - 10 нДж). Абсорбционные измере-

ного состояния за счёт внутримолекулярных

ния проводились при углах поляризации 0, 54,7

релаксационных процессов и поляризации

и 90 градусов относительно поляризации воз-

растворителя [15]. На рис. 2 представлена ди-

буждающего импульса.

намика сдвига полос Хл a и Хл d, полученная

описанным выше методом для переходных

спектров на временных задержках от 60 фс

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

до 4 пс. Экспериментальные данные были ап-

проксимированы суммой двух экспоненци-

На рис. 1, а приведён переходный спектр

альных компонент, их параметры приведены

Хл d в ТГФ на временной задержке 1 пс (сплош-

в таблице.

ная линия, TA).

Быстрая компонента релаксации со време-

Возбуждение Хл d фемтосекундным им-

нем τ₁ = 0,13-0,14 пс в обоих случаях характери-

пульсом с максимумом на 640 нм индуцирова-

зуется близкой по величине амплитудой сдвига

ло образование синглетных состояний S₁ (пе-

Стокса (Δλ₁ = 2,4-3,1 нм). Характерное вре-

реход Q_y (1,0)) и S₂ (переход Q_x (0,0)), которые

мя τ₂ медленной компоненты релаксации равно

БИОХИМИЯ том 87 вып. 10 2022

1486

ЧЕРЕПАНОВ и др.

Рис. 2. Изменение во времени величины сдвига Стокса для Хл a (1) и Хл d (2)

1,0-1,1 пс, однако медленная компонента сдвига

порфиринового макроцикла, и в случае Хл a

Стокса Хл d (Δλ₂ = 4,0 нм) существенно пре-

динамика сдвига Стокса на временах ≤ 1 пс

восходит по величине сдвиг Хл a (Δλ₂ = 1,5 нм).

содержит выраженные когерентные низкочас-

Медленная компонента обусловлена взаи-

тотные осцилляции.

модействием дипольного момента возбуждён-

На рис. 3 показано изменение амплитуды

ного состояния Хл с окружающим раствори-

выцветания полосы Q_y для Хл a (толстые ли-

телем (диэлектрическая проницаемость ТГФ

нии) и Хл d (тонкие линии) во времени. Экс-

равна

7,6). Присутствие дополнительной

периментальные данные приведены для двух

кетонной группы в макроцикле Хл d усили-

углов оптической поляризации - параллель-

вает перераспределение электронной плот-

ной (верхние кривые) и ортогональной (ниж-

ности в возбуждённом состоянии, что со-

ние кривые). Для ортогональной компонен-

ответствует большей величине сдвига Хл d

ты полосы выцветания Хл a приведены две

по сравнению с Хл a. Быстрая компонента

повторности (точки), которые демонстриру-

отражает внутримолекулярную релаксацию

ют, что небольшие отклонения от экспонен-

Характерные времена и амплитуды двух экспоненциальных компонент сдвига Стокса Хл a и Хл d

Компоненты

Быстрая

Медленная

Сумма

Параметры

τ1 (пс)

Δλ1 (нм)

τ2 (пс)

Δλ2 (нм)

Δλ (нм)

Хл a

0,13 ± 0,01

2,4 ± 0,10

0,96 ± 0,03

1,5 ± 0,05

3,9 ± 0,15

Хл d

0,14 ± 0,02

3,1 ± 0,24

1,10 ± 0,03

4,0 ± 0,12

7,1 ± 0,36

БИОХИМИЯ том 87 вып. 10 2022

АБСОРБЦИОННАЯ ДИНАМИКА ХЛОРОФИЛЛОВ a И d

1487

Рис. 3. Изменение во времени суммарной амплитуды выцветания полосы Qy для Хл a (толстые линии 1 и 3) и Хл d

(тонкие линии 2 и 4). Экспериментальные данные приведены для параллельных - синие кривые вверху (1 и 2) и орто-

гональных - красные кривые внизу (3 и 4) поляризационных компонент поглощения. Для ортогональной компоненты

полосы выцветания Хл a приведены две повторности (точки). Кривые нормированы относительно магической поля-

ризационной компоненты (не показана). Изменение поглощения во временном диапазоне 100 фс отражает появление

стимулированного излучения в результате электронного перехода S2 → S1, характерное время которого составляет 54 фс

для Хл a (толстый пунктир, 5) и 45 фс - для Хл d (тонкий пунктир, 6)

циальной динамики (разреженный пунктир)

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

имеют систематический характер (обуслов-

лены когерентной динамикой ТГФ, данные

Хл а является основным пигментом в фото-

не показаны).

синтетическом аппарате растений, водорослей

Увеличение амплитуды выцветания во

и большинства цианобактерий. Он участвует как

временном диапазоне 100 фс отражает появ-

в процессах поглощения и передачи световой

ление дополнительного стимулированного из-

энергии в светособирающих комплексах, так

лучения в результате электронного перехода

и в первичных фотохимических реакциях раз-

S₂ → S₁ [13], характерное время этой внутри-

деления зарядов в реакционных центрах ФС I

молекулярной конверсии составило 54 ± 3 фс

и ФС II. Спектры первого синглетного возбуж-

для Хл a и 45 ± 9 фс - для Хл d (аппрокси-

дённого состояния Хл a в видимом диапазоне

мации экспериментальных данных экспонен-

до 670 нм были неоднократно описаны в ли-

циальной зависимостью показаны пунктирны-

тературе [16-18], однако для идентификации

ми линиями). Увеличение стимулированного

короткоживущих интермедиатов фотохимиче-

излучения полосы Q_y в результате электрон-

ских реакций в фотосинтетических комплексах

ного перехода S₂ → S₁ происходит преимуще-

наибольший интерес представляет ближний

ственно в ортогональной компоненте поля-

инфракрасный диапазон в области 680-800 нм.

ризации, данная анизотропия обусловлена

Ранее нами был получен спектр возбуждённо-

тем обстоятельством, что вектор дипольно-

го состояния Хл а в ДМФ [19], в котором есть

го момента перехода Q_x ортогонален вектору

несколько заметных отличий от спектра Хл а

перехода Q_y [12].

в ТГФ, представленном на рис. 1, в.

БИОХИМИЯ том 87 вып. 10 2022

1488

ЧЕРЕПАНОВ и др.

Главное отличие двух работ связано с ме-

как возбуждающего, так и зондирующего им-

тодом моделирования спектра стимулирован-

пульса была равна 24 фс, поэтому кросс-кор-

но излучения. В работе Cherepanov et al. [19]

реляционная функция составляла ~48 фс, что

спектр стимулированного излучения аппрок-

дало возможность разрешить более быструю

симировался одной гауссовой компонентой,

динамику внутримолекулярной конверсии.

ширина которой была равна ширине полосы

В работе Bricker et al. [13] измеряли безыз-

Q_y (0,0) линейного спектра поглощения Хл а

лучательную релаксацию высокоэнергети-

в ДМФ. Однако в этой аппроксимации не учи-

ческих возбуждённых состояний S_n → S₁ до

тывалось, что спектр флуоресценции Хл а в

низшего возбуждённого состояния методом

области 700-730 нм включает вибронную по-

сверхбыстрой абсорбционной спектроскопии

лосу перехода 0-1 и во многом является зер-

Хл a в этаноле, возбуждающий импульс был

кальным отражением спектра поглощения, по-

локализован в области Соре на 442 нм и имел

этому в области 700-730 нм стимулированное

длительность 55 фс. Эффективное время пере-

излучение должно включать сателлитную поло-

ходов S_n → S₁ составило 143 фс, на основании

су перехода Q_y (0,1) [20]. В результате в спектре

чего была получена оценка времени перехода

Хл а из работы Cherepanov et al. [19] в области

S₂ → S₁ - 128 фс [13]. Однако время разреше-

710-740 нм возник артефактный минимум,

ния указанных измерений было ограничено

тогда как спектр S₁ на рис. 1, в имеет в этой

кросс-корреляционной функцией ~110 фс, по-

области локальный максимум. Второе отли-

этому полученная оценка представляет лишь

чие также связано с аппроксимацией спек-

верхний предел для времени внутримолекуляр-

тра стимулированного излучения. В работе

ной конверсии Хл a.

Cherepanov et al. [19] его относительная амплитуда

Нам не известно прямых эксперименталь-

составила 92% от амплитуды полосы Q_y (0,0)

ных измерений времени перехода S₂ → S₁ для

линейного спектра поглощения, тогда как в

Хл d, однако в работе Reimers et al. [12] расчёт

спектре на рис. 1, в амплитуда стимулирован-

времени внутримолекулярной S₂ → S₁ релакса-

ного излучения равна 70% от амплитуды погло-

ции Хл d методом теории функционала плотно-

щения. В результате спектр S₁ на рис. 1, в имеет

сти CAM-B3LYP дал оценку 119 фс, что почти

локальный минимум в области 680 нм, который

втрое превышает время 45 фс, полученное в на-

отсутствует в работе Cherepanov et al. [19]. На-

ших экспериментах.

конец, в области Соре 400-450 нм имеют ме-

В последнее десятилетие предметом при-

сто заметные различия как в спектрах основ-

стального внимания стало изучение оксиген-

ного (S₀), так и в спектрах возбуждённого (S₁)

ных фотосинтезирующих организмов, кото-

состояний Хл а. По всей видимости, эти раз-

рые могут в разной степени замещать Хл a

личия возникают из-за существенной разни-

другими длинноволновыми и, следовательно,

цы в диэлектрической проницаемости ДМФ

низкоэнергетическими молекулами Хл d и f в

(ε = 37) и ТГФ (ε = 7,6), так как электронные

пигмент-белковых комплексах обеих фото-

переходы Хл а в области Соре смещены из-за

систем [3, 5, 23-26]. Цианобактерия A. marina

сильных эффектов электрон-фононного со-

была первым обнаруженным организмом, осу-

пряжения [21].

ществляющим оксигенный фотосинтез, в ко-

В нескольких работах проводились изме-

тором универсальный хромофор Хл a почти

рения внутримолекулярной конверсии S_n → S₁

полностью заменён на Хл d [27, 28]. Основной

для Хл a в различных растворителях. В работе

электронный переход Хл d смещён пример-

Shi et al. [22] использовался метод время-раз-

но на 30 нм в сторону более низких энергий

решённой флуоресценции с фемтосекундным

по сравнению с Хл a, как в органических рас-

истощением стимулированного излучения

творителях [29, 30], так и в пигмент-белко-

(FS-TR-SEP-FD) для исследования флуорес-

вых комплексах обеих фотосистем [26, 31].

ценции Хл a в различных растворителях. Для

Красное смещение полосы поглощения Хл d

Хл a в растворе ТГФ оценка времени перехода

соответствует понижению энергии возбуж-

S₂ → S₁, согласно работе Shi et al. [22], состави-

дённого состояния примерно на 100 мэВ, что

ла 138 фс, что вдвое превышает время 54 фс,

существенно уменьшает движущую силу пер-

полученное выше. Различие может быть связа-

вичных процессов разделения зарядов в фо-

но с тем, что кросс-корреляционная функция

тосинтетических комплексах с участием Хл d.

между импульсом накачки и зондирующим им-

В «канонической» ФС I из цианобактерий,

пульсом в работе Shi et al. [22] имела длитель-

содержащей Хл a, изменение свободной энер-

ность около 130 фс, поэтому более быстрые

гии при образовании первичной ион-ради-

процессы в указанной работе не могли быть

кальной пары P⁺⁷⁰⁰A^-0 составляет по разным

разрешены. В наших измерениях длительность

оценкам всего 30-160 мэВ [6, 32-34], поэтому

БИОХИМИЯ том 87 вып. 10 2022

АБСОРБЦИОННАЯ ДИНАМИКА ХЛОРОФИЛЛОВ a И d

1489

объяснение механизма разделения зарядов в

лекулярный механизм первичных фотохимиче-

фотосинтетических комплексах, содержащих

ских реакций в ФС I.

длинноволновые формы низкоэнергетических

молекул Хл d, представляет фундаментальную

Вклад авторов. Д.А. Черепанов, В.А. Над-

проблему [5, 25].

точенко - концепция и руководство работой,

Пигмент-белковый комплекс ФС I из

анализ фемтосекундных измерений, написание

A. marina включает 1-2 молекулы Хл a [35, 36].

и редактирование текста статьи; А.А. Петрова,

На основании измерений переходных спектров

А.И. Вишневская - выращивание цианобак-

нестационарного поглощения (ТА) было вы-

терии A. marina и выделение хлорофилла d;

сказано предположение, что молекула (моле-

М.Д. Мамедов - выделение хлорофилла a;

кулы) Хл a может входить в число кофакторов

Ф.Е. Гостев, И.В. Шелаев, А.В. Айбуш - про-

цепи переноса электрона реакционного центра

ведение фемтосекундных измерений.

ФС I из A. marina, например, выполняя роль

Финансирование. Работы по выращива-

первичного акцептора электрона в сайте eC3,

нию цианобактерии A. marina, выделению и

что соответствует функции первичного акцеп-

спектральной характеризации хлорофилла d,

тора A₀ в каноническом комплексе ФС I [37].

а также измерение фемтосекундных спектров

Недавние структурные исследования [7, 8] по-

возбуждения хлорофиллов a и d выполнены

казали, что кофакторы в положениях eC3 пред-

при поддержке Российского научного фонда

ставляют собой не Хл a, а скорее всего, феофи-

(грант № 21-74-10085). Работы по выделению,

тин a (свободный от магния макроцикл Хл a).

характеризации хлорофилла a выполнены за

Однако из-за недостаточного разрешения

счёт средств госзадания «Химико-физические

структурной модели, полученной методом од-

механизмы взаимодействия интенсивного ла-

ночастичной криоэлектронной микроскопии,

зерного излучения с биологическими система-

не удалось однозначно отнести хромофоры в

ми» (№ АААА-А19-119012990175-9).

позициях eC2, расположенных в реакционном

Благодарности. В работе использовано обо-

центре между P740 и eC3, ни к Хл d, ни к Хл a.

рудование (фемтосекундная установка) Цен-

Молекула хлорофилла в этом сайте может дей-

тра коллективного пользования ФИЦ ХФ РАН

ствовать либо как первичный акцептор элек-

«Анализ химических, биологических систем и

трона, либо как первичный донор электрона,

природных материалов: масс-спектральная ми-

играя ключевую роль в функционировании

кроскопия и фемтосекундная лазерная микро-

фотосистемы ФС I. Таким образом, вопрос об

скопия-спектроскопия» (рег. номер: 506694).

участии Хл a или Хл d в первичной фотохимии

Конфликт интересов. Авторы заявляют об

ФС I из A. marina остаётся открытым, поэтому

отсутствии конфликта интересов.

определение спектров возбуждённых состоя-

Соблюдение этических норм. Настоящая

ний этих хромофоров позволяет более надёжно

статья не содержит описания каких-либо ис-

идентифицировать электронные состояния ко-

следований с участием людей или животных

роткоживущих интермедиатов и уточнить мо-

в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Khatypov, R. A., Khmelnitskiy, A. Y., Leonova, M. M.,

4. Gisriel, C., Shen, G., Kurashov, V., Ho, M. Y.,

Vasilieva, L. G., and Shuvalov, V. A. (2008) Primary

Zhang, S., et al.

(2020) The structure of

light-energy conversion in tetrameric chlorophyll

Photosystem I acclimated to far-red light illuminates

structure of photosystem II and bacterial reaction

an ecologically important acclimation process in

centers: I. A review, Photosynth. Res., 98, 81-93,

photosynthesis, Sci. Adv., 6, eaay6415, doi: 10.1126/

doi: 10.1007/s11120-008-9370-6.

sciadv.aay6415.

2. Mamedov, M., Govindjee, Nadtochenko, V., and

5. Allakhverdiev, S. I., Kreslavski, V. D., Zharmukha-

Semenov, A.

(2015) Primary electron transfer

medov, S. K., Voloshin, R. A., Korol’kova, D. V.,

processes in photosynthetic reaction centers from

et al. (2016) Chlorophylls d and f and their role in

oxygenic organisms, Photosynth. Res., 125, 51-63,

primary photosynthetic processes of cyanobacteria,

doi: 10.1007/s11120-015-0088-y.

Biochemistry (Moscow), 81, 201-212, doi: 10.1134/

3. Nürnberg, D. J., Morton, J., Santabarbara, S.,

S0006297916030020.

Telfer, A., Joliot, P., et al. (2018) Photochemistry

6. Cherepanov, D. A., Shelaev, I. V., Gostev, F. E.,

beyond the red limit in chlorophyll f-containing

Aybush, A. V., Mamedov, M. D., et al.

(2020)

photosystems, Science, 360, 1210-1213, doi: 10.1126/

Evidence that chlorophyll f functions solely as an

science.aar8313.

antenna pigment in far-red-light photosystem I from

БИОХИМИЯ том 87 вып. 10 2022

1490

ЧЕРЕПАНОВ и др.

Fischerella thermalis PCC 7521, Biochim. Biophys. Acta

18.

De Boni, L., Correa, D. S., Pavinatto, F. J., Dos

Bioenerg., 1861 doi: 10.1016/j.bbabio.2020.148184.

Santos, D. S., and Mendoņa, C. R. (2007) Excited

Hamaguchi, T., Kawakami, K., Shinzawa-Itoh, K.,

state absorption spectrum of chlorophyll a obtained

Inoue-Kashino, N., Itoh, S., et al. (2021) Structure

with white-light continuum, J. Chem. Phys., 126,

of the far-red light utilizing photosystem I of

165102, doi: 10.1063/1.2722755.

Acaryochloris marina, Nat. Commun.,

12,

1-10,

19.

Cherepanov, D. A., Gostev, F. E., Shelaev, I. V.,

doi: 10.1038/s41467-021-22502-8.

Aibush, A. V., Mamedov, M. D., et al. (2020) Visible

Xu, C., Zhu, Q., Chen, J., Shen, L., Yi, X., et al.

and near infrared absorption spectrum of the excited

(2021) A unique photosystem I reaction center

singlet state of chlorophyll a, High Energy Chem., 54,

from a chlorophyll d-containing cyanobacterium

145-147, doi: 10.1134/S0018143920020058.

Acaryochloris marina, J. Integr. Plant Biol., 63, 1740-

20.

Rätsep, M., Linnanto, J. M., and Freiberg, A. (2019)

1752, doi: 10.1111/jipb.13113.

Higher order vibronic sidebands of chlorophyll a and

Reimers, J. R., Biczysko, M., Bruce, D., Coker, D. F.,

bacteriochlorophyll a for enhanced excitation energy

Frankcombe, T. J., et al. (2016) Challenges facing

transfer and light harvesting, J. Phys. Chem. B, 123,

an understanding of the nature of low-energy

7149-7156, doi: 10.1021/acs.jpcb.9b06843.

excited states in photosynthesis, Biochim. Biophys.

21.

Sirohiwal, A., Berraud-Pache, R., Neese, F.,

Acta Bioenerg.,

1857,

1627-1640, doi:

10.1016/

Izsák, R., and Pantazis, D. A. (2020) Accurate compu-

j.bbabio.2016.06.010.

tation of the absorption spectrum of chlorophyll a with

10.

Cherepanov, D. A., Shelaev, I. V., Gostev, F. E.,

pair natural orbital coupled cluster methods, J. Phys.

Mamedov, M. D., Petrova, A. A., et al.

(2017)

Chem. B, 124, 8761-8771, doi: 10.1021/acs.jpcb.0c05761.

Mechanism of adiabatic primary electron transfer

22.

Shi, Y., Liu, J. Y., and Han, K. L. (2005) Investigation

in photosystem I: Femtosecond spectroscopy upon

of the internal conversion time of the chlorophyll a

excitation of reaction center in the far-red edge of the

from S3, S2 to S1, Chem. Phys. Lett., 410, 260-263,

Q _Y band, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1858, 895-

doi: 10.1016/j.cplett.2005.05.017.

905, doi: 10.1016/j.bbabio.2017.08.008.

23.

Gan, F., Zhang, S., Rockwell, N. C., Martin, S. S.,

11.

Ritchie, R. J., Sma-Air, S., and Phongphattarawat, S.

Lagarias, J. C., et al. (2014) Extensive remodeling

(2021) Using DMSO for chlorophyll spectroscopy,

of a cyanobacterial photosynthetic apparatus in

J. Appl. Phycol.,

33,

2047-2055, doi:

10.1007/

far-red light, Science, 345, 1312-1317, doi: 10.1126/

s10811-021-02438-8.

science.1256963.

12.

Reimers, J. R., Cai, Z. L., Kobayashi, R., Rätsep, M.,

24.

Chen, M., Li, Y., Birch, D., and Willows, R. D.

Freiberg, A., et al. (2013) Assignment of the Q-bands

(2012) A cyanobacterium that contains chloro-

of the chlorophylls: coherence loss via Qx-Qy mixing,

phyll f - a red-absorbing photopigment, FEBS Lett.,

Sci. Rep., 3, 1-8, doi: 10.1038/srep02761.

586, 3249-3254, doi: 10.1016/j.febslet.2012.06.045.

13.

Bricker, W. P., Shenai, P. M., Ghosh, A., Liu, Z.,

25.

Schmitt, F. J., Campbell, Z. Y., Bui, M. V., Hüls, A.,

Enriquez, M. G. M., et al. (2015) Non-radiative

Tomo, T., et al. (2019) Photosynthesis supported by a

relaxation of photoexcited chlorophylls: Theoretical

chlorophyll f-dependent, entropy-driven uphill energy

and experimental study, Sci. Rep.,

1-16,

transfer in Halomicronema hongdechloris cells adapted

doi: 10.1038/srep13625.

to far-red light, Photosynth. Res.,

139,

185-201,

14.

Kobayashi, M., Akutsu, S., Fujinuma, D.,

doi: 10.1007/s11120-018-0556-2.

Furukawa, H., Komatsu, H., et al. (2013) Physico-

26.

Tomo, T., Allakhverdiev, S. I., and Mimuro, M.

chemical properties of chlorophylls in oxygenic photo-

(2011) Constitution and energetics of photosystem I

synthesis - succession of co-factors from anoxy-

and photosystem II in the chlorophyll d-dominated

genic to oxygenic photosynthesis, in Photosynthesis

cyanobacterium Acaryochloris marina, J. Photochem.

(Dubinsky, Z., ed.) pp. 47-90, doi: 10.5772/55460.

Photobiol. B Biol.,

104,

333-340, doi:

10.1016/

15.

Samanta, A.

(2006) Dynamic Stokes shift and

j.jphotobiol.2011.02.017.

excitation wavelength dependent fluorescence of

27.

Schiller, H., Senger, H., Miyashita, H., Miyachi, S.,

dipolar molecules in room temperature ionic liquids,

and Dau, H. (1997) Light-harvesting in Acaryochloris

J. Phys. Chem. B, 110, 13704-13716, doi: 10.1021/

marina - spectroscopic characterization of a chloro-

jp060441q.

phyll d-dominated photosynthetic antenna system,

16.

Shepanski, J. F., and Anderson, R. W.

(1981)

FEBS Lett.,

410,

433-436, doi:

10.1016/S0014-

Chlorophyll-a excited singlet state absorption

5793(97)00620-0.

measured in the picosecond time regime, Chem. Phys.

28.

Miyashita, H., Adachi, K., Kurano, N., Ikemoto, H.,

Lett., 78, 165-173, doi: 10.1016/0009-2614(81)85577-7.

Chihara, M., et al. (1997) Pigment composition of a

17.

Leupold, D., Struck, A., Stiel, H., Teuchner, K.,

novel oxygenic photosynthetic prokaryote containing

Oberländer, S., et al. (1990) Excited-state properties

chlorophyll d as the major chlorophyll, Plant Cell

of 20-chloro-chlorophyll a, Chem. Phys. Lett., 170,

Physiol., 38, 274-281, doi: 10.1093/oxfordjournals.

478-484, doi: 10.1016/S0009-2614(90)87088-9.

pcp.a029163.

БИОХИМИЯ том 87 вып. 10 2022

АБСОРБЦИОННАЯ ДИНАМИКА ХЛОРОФИЛЛОВ a И d

1491

29. Niedzwiedzki, D. M., and Blankenship, R. E. (2010)

on the reversibility of the primary charge separation

Singlet and triplet excited state properties of natural

in Photosystem I from Chlamydomonas reinhardtii,

chlorophylls and bacteriochlorophylls, Photosynth.

Biochim. Biophys. Acta Bioenerg.,

1797,

106-112,

Res., 106, 227-238, doi: 10.1007/s11120-010-9598-9.

doi: 10.1016/j.bbabio.2009.09.006.

30. Nieuwenburg, P., Clarke, R. J., Cai, Z.-L., Chen, M.,

34. Holzwarth, A. R., Müller, M. G., Niklas, J., and

Larkum, A. W. D., et al.

(2007) Examination

Lubitz, W.

(2005) Charge recombination fluore-

of the photophysical processes of chlorophyll d

scence in photosystem I reaction centers from

leading to a clarification of proposed uphill

Chlamydomonas reinhardtii, J. Phys. Chem. B, 109,

energy transfer processes in cells of Acaryochloris

5903-5911, doi: 10.1021/jp046299f.

marina, Photochem. Photobiol.,

77,

628-637,

35. Ohashi, S., Miyashita, H., Okada, N., Iemura, T.,

doi: 10.1562/0031-8655(2003)0770628eotppo2.0.co2.

Watanabe, T., et al. (2008) Unique photosystems in

31. Hu, Q., Marquardt, J., Iwasaki, I., Miyashita, H., Kura-

Acaryochloris marina, Photosynth. Res., 98, 141-149,

no, N., et al. (1999) Molecular structure, localization and

doi: 10.1007/s11120-008-9383-1.

function of biliproteins in the chlorophyll a/d containing

36. Itoh, S., Mino, H., Itoh, K., Shigenaga, T.,

oxygenic photosynthetic prokaryote Acaryochloris ma-

Uzumaki, T., et al. (2007) Function of chlorophyll d

rina, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1412, 250-261,

in reaction centers of photosystems I and II of the

doi: 10.1016/S0005-2728(99)00067-5.

oxygenic photosynthesis of Acaryochloris marina,

32. Kleinherenbrink, F. A. M., Hastings, G.,

Biochemistry,

46,

12473-12481, doi:

10.1021/

Blankenship, R. E., and Wittmershaus, B. P. (1994)

bi7008085.

Delayed fluorescence from Fe-S type photosynthetic

37. Kumazaki, S., Abiko, K., Ikegami, I., Iwaki, M.,

reaction centers at low redox potential, Biochemistry,

and Itoh, S.

(2002) Energy equilibration and

33, 3096-3105, doi: 10.1021/bi00176a044.

primary charge separation in chlorophyll d-based

33. Giera, W., Ramesh, V. M., Webber, A. N., van

photosystem I reaction center isolated from

Stokkum, I., van Grondelle, R., et al. (2010) Effect of

Acaryochloris marina, FEBS Lett.,

530,

153-157,

the P700 pre-oxidation and point mutations near A₀

doi: 10.1016/S0014-5793(02)03446-4.

COMPARATIVE ABSORPTION DYNAMICS

OF SINGLET EXCITED STATES OF CHLOROPHYLLS a AND d

D. A. Cherepanov^1,2*, A. A. Petrova², M. D. Mamedov², A. I. Vishnevskaya², F. E. Gostev¹,

I. V. Shelaev^1,2, A. V. Aybush¹, and V. A. Nadtochenko^1,3

¹ Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences,

119991 Moscow, Russia; e-mail: tscherepanov@gmail.com

² Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University,

119992 Moscow, Russia

³ Faculty of Chemistry, Lomonosov Moscow State University, 119991 Moscow, Russia

The transient absorption dynamics of chlorophylls a and d dissolved in tetrahydrofuran was measured

by broadband femtosecond laser pump-probe spectroscopy in the spectral range from 400 to 870 nm.

The absorption spectra of the excited singlet states S₁ of chlorophylls a and d were obtained, and the dynamics

of the Q_y band shift of stimulated emission (the Stokes shift of fluorescence) was determined for these pigments

in the time range from 60 fs to 4 ps. The kinetics of intramolecular conversion Q_x → Q_y (the electronic transition

S₂ → S₁) has been measured; the characteristic relaxation time was 54 ± 3 fs for chlorophyll a and 45 ± 9 fs

for chlorophyll d.

Keywords: chlorophyll a, chlorophyll d, femtosecond laser spectroscopy, excited state spectrum, Stokes shift dynamics,

internal conversion

БИОХИМИЯ том 87 вып. 10 2022

10*