najoNanosystems: Physics, Chemistry, MathematicsНаносистемы: физика, химия, математика2220-80542305-7971Университет ИТМОnajo-1439Research ArticleСтатьиThe role of coherency in the phenomena of electron transfer in biochemical nanosystems in the NatureРоль когерентности в явлениях переноса электрона в природных биохимических наносистемахЕреминВ. В.EreminV. V.

Химический факультет

Москва

Chemistry Department

Moscow

vadim@educ.chem.msu.ruГлебовИ. О.GlebovI. O.

Химический факультет

Москва

Chemistry Department

Moscow

glebov_io@mail.ruПоддубныйВ. В.PoddubniyV. V.

Химический факультет

Москва

Chemistry Department

Moscow

vvpoddubnyy@gmail.comМосковский государственный университет им. М. В. ЛомоносоваM. V. Lomonosov Moscow State University20130109202541130138Copyright © Eremin V.V., Glebov I.O., Poddubniy V.V., 20252025Еремин В.В., Глебов И.О., Поддубный В.В.Eremin V.V., Glebov I.O., Poddubniy V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nanojournal.ifmo.ru/jour/article/view/1439

The paper describes the influence of optical coherency and vibration dissipation into protein environment on the effectiveness of electron transfer in reaction centers of purple bacteria

Рассмотрено влияние оптической когерентности и колебательной диссипации в белковое окружение на эффективность переноса электрона в реакционном центре пурпурных бактерий. Для электронных состояний донора и акцептора электрона использована модель одномерных гармонических осцилляторов; колебательная динамика в диссипативной среде описана в рамках теории Редфилда. Показано, что усредненная по времени эффективность переноса электрона практически не зависит от степени когерентности исходного состояния, поскольку когерентность увеличивает вероятность как прямого, так и обратного процесса. В то же время, эффективность переноса электрона тем больше, чем сильнее взаимодействие конечного состояния с белком. Этот результат показывает, что путем тонко настроенной диссипации белковое окружение может увеличивать эффективность квантового транспорта (переноса) в биохимических системах

когерентностьфотосинтезреакционный центрдиссипациярелаксацияперенос электронатеория Редфилдапурпурные бактерииcoherencephotosynthesisreaction centerdissipationrelaxationelectron transferRedfield theorypurple bacteriaРабота выполнена при поддержке грантов РФФИ 12-03-31084 и ФЦП Министерства образования РФ №86-35ReferencesLloyd S. Quantum coherence in biological systems // J. Phys.: Conf. Ser. — 2011. — V. 302. — P. 012037.Lloyd S. Quantum coherence in biological systems // J. Phys.: Conf. Ser. — 2011. — V. 302. — P. 012037.Blankenship R.E. Molecular mechanisms of photosynthesis. Blackwell Science, London, 2009. — 321 p.Blankenship R.E. Molecular mechanisms of photosynthesis. Blackwell Science, London, 2009. — 321 p.Engel G.S., Calhoun T.R., et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems // Nature. — 2007. — V. 446. — P. 782–786.Engel G.S., Calhoun T.R., et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems // Nature. — 2007. — V. 446. — P. 782–786.Fransted K.A., Caram J.R., Hayes D., Engel G.S. Two-dimensional electronic spectroscopy of bacteriochlorophyll a in solution: Elucidating the coherence dynamics of the Fenna-Matthews-Olson complex using its chromophore as a control // J. Chem. Phys. — 2012. — V. 137. — P. 125101.Fransted K.A., Caram J.R., Hayes D., Engel G.S. Two-dimensional electronic spectroscopy of bacteriochlorophyll a in solution: Elucidating the coherence dynamics of the Fenna-Matthews-Olson complex using its chromophore as a control // J. Chem. Phys. — 2012. — V. 137. — P. 125101.Lee H., Cheng Y.-C., Fleming G.R. Coherence dynamics in photosynthesis: protein protection of excitonic coherence // Science. — 2007. — V. — 316. — P. 1462–1465.Lee H., Cheng Y.-C., Fleming G.R. Coherence dynamics in photosynthesis: protein protection of excitonic coherence // Science. — 2007. — V. — 316. — P. 1462–1465.Collini E., Wong C. Y., et al. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature // Nature. — 2010. — V. 463. — P. 644–647.Collini E., Wong C. Y., et al. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature // Nature. — 2010. — V. 463. — P. 644–647.Harel E., Engel G.S. Quantum coherence spectroscopy reveals complex dynamics in bacterial light-harvesting complex 2 (LH2) // Proc. Natl. Acad. Sci. — 2012. — V. 109, No. 3. — P. 706–711.Harel E., Engel G.S. Quantum coherence spectroscopy reveals complex dynamics in bacterial light-harvesting complex 2 (LH2) // Proc. Natl. Acad. Sci. — 2012. — V. 109, No. 3. — P. 706–711.Calhoun T.R., Ginsberg N.S., et al. Quantum coherence enabled determination of the energy landscape in light-harvesting complex II // J. Phys. Chem. B. — 2009. — V. 113, No. 51. — P. 16291–16295.Calhoun T.R., Ginsberg N.S., et al. Quantum coherence enabled determination of the energy landscape in light-harvesting complex II // J. Phys. Chem. B. — 2009. — V. 113, No. 51. — P. 16291–16295.Panitchayangkoon G., Hayes D., et al. Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature // Proc. Natl. Acad. Sci. — 2010. — V. 107, No. 29. — P. 12766–12770.Panitchayangkoon G., Hayes D., et al. Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature // Proc. Natl. Acad. Sci. — 2010. — V. 107, No. 29. — P. 12766–12770.Kassal I., Yuen-Zhou J., Rahimi-Keshari S. Does coherence enhance transport in photosynthesis? // 2012. — arXiv:1210.5022.Kassal I., Yuen-Zhou J., Rahimi-Keshari S. Does coherence enhance transport in photosynthesis? // 2012. — arXiv:1210.5022.Ishizaki A., Fleming G.R. Quantum coherence in photosynthetic light harvesting // Annu. Rev. Condens. Matter Phys. — 2012. — V. 3. — P. 333–361.Ishizaki A., Fleming G.R. Quantum coherence in photosynthetic light harvesting // Annu. Rev. Condens. Matter Phys. — 2012. — V. 3. — P. 333–361.Grover L.K. Quantum Mechanics Helps in Searching for a Needle in a Haystack // Phys. Rev. Lett. — 1997. — V. 79, No. 2. — P. 325–328.Grover L.K. Quantum Mechanics Helps in Searching for a Needle in a Haystack // Phys. Rev. Lett. — 1997. — V. 79, No. 2. — P. 325–328.Mohseni M., Rebentrost P., Lloyd S., Aspuru-Guzik A. Environment-assisted quantum walks in photosynthetic energy transfer // J. Chem. Phys. — 2008. — V. 129. — P. 174106.Mohseni M., Rebentrost P., Lloyd S., Aspuru-Guzik A. Environment-assisted quantum walks in photosynthetic energy transfer // J. Chem. Phys. — 2008. — V. 129. — P. 174106.Panitchayangkoon G., Voronine D.V., et al. Direct evidence of quantum transport in photosynthetic lightharvesting complexes // Proc. Natl. Acad. Sci. — 2011. — V. 108, No. 52. — P. 20908–20912.Panitchayangkoon G., Voronine D.V., et al. Direct evidence of quantum transport in photosynthetic lightharvesting complexes // Proc. Natl. Acad. Sci. — 2011. — V. 108, No. 52. — P. 20908–20912.Kassal I., Aspuru-Guzik A. Environment-assisted quantum transport in ordered systems // New J. Phys. — 2012. — V. 14. — P. 053041.Kassal I., Aspuru-Guzik A. Environment-assisted quantum transport in ordered systems // New J. Phys. — 2012. — V. 14. — P. 053041.Rebentrost P., Mohseni M., et al. Environment-assisted quantum transport // New J. Phys. — 2009. — V. 11, No. 3. — P. 033003.Rebentrost P., Mohseni M., et al. Environment-assisted quantum transport // New J. Phys. — 2009. — V. 11, No. 3. — P. 033003.Frolov D., Wakeham M.C., et al. Investigation of B-branch electron transfer by femtosecond time resolved spectroscopy in a Rhodobacter sphaeroides reaction centre that lacks the QA ubiquinone // Biochimica et Biophysica Acta. — 2005. — V. 1707. — P. 189–198а.Frolov D., Wakeham M.C., et al. Investigation of B-branch electron transfer by femtosecond time resolved spectroscopy in a Rhodobacter sphaeroides reaction centre that lacks the QA ubiquinone // Biochimica et Biophysica Acta. — 2005. — V. 1707. — P. 189–198а.Yakovlev A.G., Shkuropatov A.Y., Shuvalov V.A. Nuclear wavepacket motion producing a reversible charge separation in bacterial reaction centers // FEBS Letters. — 2000. — V. 466. — P. 209–212.Yakovlev A.G., Shkuropatov A.Y., Shuvalov V.A. Nuclear wavepacket motion producing a reversible charge separation in bacterial reaction centers // FEBS Letters. — 2000. — V. 466. — P. 209–212.Yakovlev A.G., Shkuropatov A.Y., Shuvalov V.A. Nuclear Wave Packet Motion between P* and P+BA− Potential Surfaces with a Subsequent Electron Transfer to HA in Bacterial Reaction Centers at 90 K. Electron Transfer Pathway // Biochemistry. — 2002. — V. 41. — P. 14019–14027Yakovlev A.G., Shkuropatov A.Y., Shuvalov V.A. Nuclear Wave Packet Motion between P* and P+BA− Potential Surfaces with a Subsequent Electron Transfer to HA in Bacterial Reaction Centers at 90 K. Electron Transfer Pathway // Biochemistry. — 2002. — V. 41. — P. 14019–14027Глебов И.О., Еремин В.В. Новый cпоcоб pаcчета параметров диссипации в сверxбыстрых биохимических реакциях по данным о структуре белкового окружения // Биофизика. — 2012. — Т. 57, № 4. — С. 589–597.Глебов И.О., Еремин В.В. Новый cпоcоб pаcчета параметров диссипации в сверxбыстрых биохимических реакциях по данным о структуре белкового окружения // Биофизика. — 2012. — Т. 57, № 4. — С. 589–597.Глебов И.О., Еремин В.В. Влияние диссипации на колебательную динамику в системе двух взаимодействующих электронных состояний // Ж. физ. химии. — 2008. — Т. 82, № 4. — С. 684–689.Глебов И.О., Еремин В.В. Влияние диссипации на колебательную динамику в системе двух взаимодействующих электронных состояний // Ж. физ. химии. — 2008. — Т. 82, № 4. — С. 684–689.Redfield A.G. The Theory of Relaxation Processes // Adv. Magn. Res. — 1965. — V. 1. — P. 1–8.Redfield A.G. The Theory of Relaxation Processes // Adv. Magn. Res. — 1965. — V. 1. — P. 1–8.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.