close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

178

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Jj~ ZS-31/0
. -АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ШОХИМИИ. ИМ. А.Н.БАХА
" -"
На правах рукописи
-
*
А.Я.ШКУРОПАТОВ
'
-
.'
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ. И ФОТОХИМИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ СЛОЕВ ХЛОРОФИЛЛА И ХЛОРОФИЛЛ-БЕЛКОВЫХ " '
.СИСТЕМ
' А в т ореф в р а т
диссертации на соискание, ученой степени
. кандидата биологических наук
Москва, 1975 г.
"~
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
у
$J&i<i{lSt-f . " -У;"-
f
\
'"'
, г,
Л ^ - -Л^ьс-
У*^—гч*.» ft.^ « * • , --5 и * - , *
"-
*> « Я ' =ч- ^-ляа»Р>-*^-ь^*«^ *
*-&->
Q
-'** .а-Г-**- """-f - " ^ * ^ . V ^
Ч*~-* •
-
-'
V " , л
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ОРДЕНА "ЛЕНИНА ИНСТИТУТ БИОХИМИИ ИМ. А.Н.БАХА
На правах рукописи
А.Я.ШКУРОПАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОаЯЕКТРИЧЕСКИХ И ФОТОХИМИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ СЛОЕВ ХЛОРОФИЛЛА И ХЛОРОФИЛЛ-БЕЛКОВЫХ
СИСТЕМ
А в то
р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Научные руководители:
доктор биологических наук, профессор
В.Б.ЕВСТИГНЕЕВ
кандидат биологических наук
Ю.М.СТОЛОВИЦКИЙ
Москва, 1975 г.
ч-.-.^х.и.-..
*1 Г
Ж-'&зчо
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Работа выполнена в Институте фотосинтеза Академии
наук СССР.
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Л.Н.Белл
кандидат биологических наук Ф.Ф.Литвин
На официальный отзыв работа направлена в Проблемную
лабораторию космической биологии МГУ.
Автореферат разослан "У* " ,0лх4>аЖ^?и'
197 £ г .
Защита диссертации состоится
на заседании Ученого Совета ордена Ленина Института биохи­
мии им. А.Н.Баха АН СССР.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Отделения биологических наук АН СССР.
Просьба отзывы и замечания присылать по адресу:
Москва B-7I, Ленинский проспект, 33, Ордена Ленина
Институт биохимии им. А.Н.Баха АН СССР, ученому секретарю.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В настоящее время не вызывает сомнения, что основной функцией хлорофилла при фотосинтезе является фотосенсибилизация первичных окислительно-восстановительных реакций це-пи переноса электрона. В результате процесса фотосенсибили­
зации электромагнитная энергия Е превращается в более ста­
бильную электрохимическую энергию ^ пары пространственно
разделенных разноимённых зарядов (первично окисленного и
восстановленного соединений), которая в последующих темновых биохимических процессах преобразуется в энергию химиче­
ских связей относительно стабильных соединений.
Как показали исследования Теренина, Красновского,
Евстигнеева и других авторов, начальный этап в процессе фо­
тосенсибилизации хлорофиллом окислительно-восстановительных
реакций в модельных системах заключается в отдаче или вос­
приятии фотовозбужденным пигментом электрона в зависимости
от донорно-акцепторных свойств партнера по реакции и
свойств окружающей среды. Согласно установившимся представ­
лениям аналогичным образом инициируется фотосенсибилизирующее действие хлорофилла при фотосинтезе. Известно, что пер­
вичный фотохимический акт, по крайней мере в фотосистеме I,
состоит в окислении пигмента Р700 до катион-радикала (Кок,
1968; Baker, Weaver, 1973; Warden, Bolton, 1973). Квантовый
выход первичного разделения зарядов при фотосинтезе весьма
высок и почти достигает I (Борисов, 1973).
Высокая плотность упаковки хлорофилла в ламеллярных
структурах хлоропластов привела к представлению о том, что
первичные стадии фотосинтеза могут включать процессы фото­
генерации, разделения и переноса зарядов по типу процессов,
имеющих место в полупроБОдниках (Katz, I949; Calvin, I959;
Арнольд, Маклей, 1962). Однако, хотя полупроводниковая ги­
потеза была сформулирована впервые около 30 лет назад и
стимулировала интенсивные исследования фотопроводимости
пигментов и фотосинтезируицих объектов, в настоящее время
остается неясным, играют ли свободные носители заряда суще-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 4 ственную роль в фотохимической стадии фотосинтеза и, следо­
вательно, требуется дальнейшая экспериментальная работа по
исследованию фотофизических и фотохимических свойств как
природных, так и модельных систем, обладающих полупроводни­
ковыми свойствами.
Поэтому представлялось интересным и важным провести
дальнейшее исследование фотоэлектрбхимического эффекта
(Евстигнеев, Теренин, 1951) в хлорофилловых слоях на кон­
такте с электролитом, являющихся в определенной степени
структурной и функциональной моделью первичных процессов
фотосинтеза. По имеющимся данным, механизм генерации фото­
потенциала в слоях пигментов включает фотохимическую реак­
цию на границе раздела фаз пигмент-электролит и полупровод­
никовые процессы в слое пигмента, однако изучен он недоста­
точно полно.
.Благодаря исследованиям Красновского, Литвина, Френча
и их сотрудников, а также других авторов, в настоящее время
четко выкристаллизовалось представление о том, что хлоро­
филл in -vi-vo находится в виде системы агрегированных форм,
различающихся в первую очередь пигмент-пигментным взаимо­
действием.
Существование большого количества агрегированных форм
хлорофилла в хлоропластах ставит задачу выяснения роли
различных агрегатов в поглощении квантов, переносе энергии
электронного возбуждения и в фотохимических превращениях.
Одним из начальных этапов в решении этой задачи является
исследование фотохимических и фотоэлектрических свойств
слоев хлорофилла на контакте с электролитом и в вакууме в
зависимости от степени взаимодействия между молекулами пиг­
мента в слое.
Особый интерес вызывает изучение фотохимических и фо­
тоэлектрических свойств пигмент-белкоБОЛипоидных систем,
т.к. согласно современным представлениям агрегаты хлорофил­
ла in vivo входят в состав пигмент-белковолипоидных комп­
лексов. За последние 10 лет, начиная с работы Бордмана и
Андерсон (1964) достигнуты большие успехи в выделении,
очистке и исследовании фотохимических свойств пигмент-бел­
коволипоидных комплексов (ПЕЛК), которые в рамках Z-схемы
могут быть отнесены к комплексам фотосистемы I и фотосисте-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 5 мы П. Однако, и здесь остается много невыясненного. В част­
ности, совершенно недостаточно изучено влияние белковолипоидного компонента на фотохимические и фотоэлектрические
свойства хлорофилла и его аналогов.
Исходя из вышеизложенных соображений, мы поставили
перед"собой в данной работе следующую задачу:
1. С целью выяснения механизма фотоэлектрохимического
эффекта исследовать зависимость фотопотенциала в слоях пиг­
ментов при постоянном и импульсном освещении от температу­
ры, рН среды, поляризации электрода с пленкой и других
экспериментальных факторов.
2. Провести сравнительное исследование фотоэлектрохи­
мического эффекта и фотопроводимости в аморфных и микрокри­
сталлических слоях хлорофилла "а".
3. Получить экспериментальный материал по фотохимиче­
ским и фотоэлектрическим свойствам хлорофилл-белковых слоев
и растворов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования были пленки хлорофилла "а" и
фталоцианина магния, хлорофилл-альбуминовые слои, а также
слои и растворы природного пигмент-белковолипоидного комп­
лекса (ПЕПК) фотосистемы I. Хлорофилл "а" выделяли из
листьев крапивы и очищали на колонках из сахарозы или са­
харной пудры. Фталопианин магния был спектрально чистым
реагентом. Выбор данного пигмента в качестве объекта иссле­
дования обусловлен тем, что как по общему строению молеку­
лы, так и по фотохимическим и фотоэлектрическим свойствам
фталоцианин магния близок к хлорофиллу "а" и ранее неодно.кратно применялся для моделирования реакций хлорофилла. По
сравнению со слоями хлорофилла "а" пленки фталоцианина маг­
ния механически и термически более устойчивы и, поэтому,
использование пленок этого синтетического пигмента в ряде
случаев методически оказывается более удобным.
Природный пигмент-белковолипоидный комплекс был выде­
лен из хлоропластов гороха сорта "Превосходный" методом
хроматографии на ДЕАЕ-целлюлозе (Шутилова и соавт., 1974).
По биохимическому составу и свойствам выделенный комплекс-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 6 аналогичен ПБЛК, описанному в литературе как комплекс фото­
системы I* Слои ПБЛК наносили испарением капли раствора
комплекса.
Конденсированные слои хлорофилла "а" получали испаре­
нием на подложке капли концентрированного раствора пигмента
в бензоле; пленки фталоцианина магния напыляли в вакууме
(Евстигнеев, Теренин, 1951). Хлорофилл-альбуминовые слои
получали путем испарения капли водноацетоновой смеси хлоро­
филла "а" и сывороточного альбумина человека ("Reanal") при
концентрации компонентов 5*10
- 10
Ы.
Относительную толщину слоев контролировали спектрофотометрически, абсолютную - измеряли микроинтерферометром
MM-II.
Микрокристаллические слои хлорофилла "а" получали из
аморфных пленок пигмента, выдергивая последние в течение
нескольких часов г парах этилового спирта и воды в темноте.
Пленки фталоцианина магния активировали в растворе п-бензохинона (Пуцейко, 1963).
Спектры поглощения записывали на регистрирующих спект­
рофотометрах СФ-10, "Specord", "Unlearn SP-8000".
Фотопотенциалы при непрерывном освещении исследовали
в вакуумируемых кварцевых или стеклянных ячейках на уста­
новке, которая включала лампу накаливания 300-750 вт, набор
стеклянных светофильтров в сочетании с тепловым фильтром
(или монохроматор УМ-2), ячейку, электрометрический усили­
тель с достаточно большим входным сопротивлением (рН-340,
71-2) и самопишущий потенциометр КСП-4. Термостатирование
ячеек в области +10 - +60°С осуществлялось термостатом v-8.
Спектры действия фотопотенциалов записывали на установ­
ке УС-11 Института фотосинтеза АН СССР, обеспечивающей авто­
матическую развертку спектра и выравнивание выходного пучка
света по энергии или по числу квантов в спектральном интер­
вале 240-1000 нм. Максимальная интенсивность светового пото­
ка составляла 2»Пг эрг/см^сек при ширине выделяемой поло­
сы не более 10 mi.
Исследование быстрой составляющей фотопотенциала прово­
дили осциллографическим методом: импульс белого света от
лампы ИСШ-500 пропускался для выделения нужного спектрально­
го интервала через стеклянный или интерференционный свето-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 7 фильтр и падал на образец; импульсный фотопотенциал наблю­
дали на экране осциллографа (С1-19Б, CI-I5). Параметры све­
товой вспышки: фронт нарастания ^ I (чсек, время спада в
темноте ва уровне 1/е - 50 мсек, электрическая энергия раз­
ряда 100 дж.
Измерение электропроводности и фотопроводимости произ­
водили на установке, которая позволяла: I) обезгаживать
образцы до остаточного давления не более 5*10~5 - 5«10~^мм
рт.ст., 2) варьировать и измерять температуру образца в
пределах +20 - +100°С, 3) вапылять металлические электроды
с заданным коэффициентом пропускания света, 4) измерять и
записывать на диаграммной ленте самопишущего потенциометра
темновые токи и фототоки.
Основные эксперименты выполнены на ячейках поверхност­
ного типа. Материал подлохев - кварц; в качестве электродов
использовали пленки Al, Ag, Ft. В некоторых случаях слой
пигмента заключали между двумя полупрозрачными(сереОряным
и алюминиевым) электродами (ячейки "сэндвич").
При измерении фотопроводимости с целью уменьшения
ошибки^ связаввой с разогревом образца падающим светом,
освещение слоев производили светом гелий-неонового лазера
ЛГ-38 или светом от лампы накаливания, пропущенным через
светофильтр и 20 миллиметровый слой и,5$ водного раствора
CuSOj.
По результатам измерений рассчитывали, применяя крите­
рий Схьюдента, среднее значение данного параметра и его до­
верительные интервалы. Показатель безошибочности суждения
выбирался соответствующим вероятности 99 или 95%.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
I. Исследование механизма фотоэлектрохимического
эффекта в сдоях пигментов
Фотоэлектрохимический эффект в плевках хлорофилла и
его аналогов (изменение под действием света потенциала пиг­
ментированного ивертвого электрода, погруженного в электро­
лит) был обнаружен Евстигнеевым и Терениным (1951) и
впоследствии изучался в работах Евстигнеева и сотрудников
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
_ 8 (Евстигнеев, Савкива, Гаврилова, 1962), а также в ряде ра­
бот других авторов (Пуцейко, 1963; Комиссаров, Шумов, 1966;
Мейпанов и соавт., 1971; Гетов, Иорданова, 1972). Интерес к
фотоэлектрохимическому эффекту, особенно усилившийся в по­
следнее время, обусловлен,с одной стороны, тем, что изуче­
ние фотохимических и фотофизических свойств пигментных
слоев, погруженных в раствор с донорно-акцепторными добав­
ками, может быть полезно для понимания механизма фотопере­
носа электрона и разделения зарядов при фотосинтезе, а с
другой стороны, наметились определенные перспективы при­
кладного использования подобных систем в качестве солнечных
батарей, а также устройств для разложения воды видимым све­
том (Комиссаров и др., 1969; Wang, I969).
Еще в исходной работе Евстигнеева и Теренина (1951),
а позднее в исследованиях Пуцейко (1963), были получены
первые экспериментальные данные, указывающие на то, что
величина и знак фотопотенциала (д1? ) определяются фотохими­
ческой реакцией на поверхности раздела пигмент-электролит
и последующим переносом заряда по толще слоя. Однако,
в настоящее время нельзя считать механизм генерации фотопо­
тенциала достаточно хорошо выясненным. Различные авторы
придерживаются разных взглядов как на природу первичного
разделения заряда, так и на место локализации его в пигмент­
ном слое.
Отсюда становится очевидной необходимость дальнейшего
выяснения механизма генерации А 1 ? в слоях пигментов.
С этой целью в нашей работе проведено исследование за­
висимости фотоэлектрохимического эффекта в слоях хлорофилла
"а" и фталоцианина магния при непрерывном и импульсном
освещении от интенсивности света, температура, присутствия
в среде акцепторов электрона, поляризации рабочего электро­
да, рН, а также от того, со стороны какой границы (пленкаэлектролит или пленка-металл) освещался пигмент. Особое
внимание уделялось исследованию импульсного фотопотенциала,
по той причине, что импульсные измерения имеют перед изме­
рениями при непрерывном освещении ряд ощутимых преимуществ,
заключающихся в хорошей обратимости и воспроизводимости
фотоэффекта, а самое главное - позволяют выделить электрон­
ные процессы, не осложненные вторичными явлениями.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 9 На рис.I представлены осциллограммы импульсного фото­
потенциала в сдоях хлорофилла "а" (а) и фталоцианина маг­
ния (б). Время нарастания импульсного &Ф в слоях хлоро­
филла "а" составило ~ 5*10"* сек, время спада в темноте десятки или сотни мсек для различных образцов. Импульсный
фотопотенциал в Mg-фтадоцианиновых пленках характеризуется
временем нарастания ^ I0" 6 сек, временем спада - единицы
и десятки мсек для различных образцов.
Рис.1. Осциллограммы импульсного фотопотенциала в пленках
хлорофилла "а" (а) и фталоцианина магния (б) в I N
водном растворе КС1 в аэробных условиях.
Анализ зависимости величины импульсного фотопотенциала
в пленках фталоцианина магния от интенсивности света пока­
зал, что механизм генерации &$ является однофотонным.
Кинетика спада фотопотенциала во многих слоях фталоциа­
нина магния при непрерывном и импульсном освещении удовлет­
ворительно описывается гиперболической зависимостью, что
указывает не преобладание бимолекулярной рекомбинации фотогенерированных носителей заряда*'
Ранее Евстигнеевым (1956) был обнаружен и впоследствии
широко использовался в работах других исследователей (Пуцейко, 1963) эффект"активации", заключающийся в том, что
выдерживание слоев пигментов в парах и растворах полярных
молекул, в частности фталоцианина магния в растворе п-бензохинона, приводит к возрастанию фотопотенциала в аэробных
условиях.
С целью выяснения природы активирующего действия моле­
кул п-бензохинона на фотоэлектрохимический эффект, нами
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
-ИЗбыло проведено сравнение влияния кислорода воздуха на фотопотенциал при непрерывном освещении в свежеприготовленных
и активированных слоях фталоцианина магния. Полученные
экспериментальные данные дают основания полагать, что в
процессе "активации" происходит адсорбция п-бензохинона на
поверхности и стенках пор слоя (наличие пор установлено в
работах Комиссарова и сотр., 1970). Адсорбированные элект­
ронно-акцепторные молекулы могут создавать
дополнительные
эффективные центры распада молекулярных возбуждений пигмен­
та на захваченный электрон и свободную дырку, и как следст­
вие, + &*$ должен возрастать.
Данные о роли адсорбированных акцепторных молекул в
генерации фотопотенциала были дополнены и расширены при из­
мерении температурной зависимости ьУ в пленках фталоциа­
нина магния. Экспериментально наблюдаемое уменьшение величи­
ны положительного фотопотенциала ~ в 4 раза при нагрева­
нии неактивированных слоев пигмента от +10 до +60°С (рис.2,
кривая I) объясняется десорбцией с поверхности слоя адсор­
бированных молекул кислорода. Молекулы п-бензохинона адсор­
бируются на поверхности пленки фталоцианина магния, по-ви­
димому, более прочно (возможно за счет другого механизма
адсорбции), чем молекулы кислорода и поэтому заметная де­
сорбция молекул хинона начинается при более высоких темпе­
ратурах (рис.2, кривая 3). Из этих данных следует, что ад-
Рис.2. Температурная зависимость импульсного фотопотенциала
в пленках фталоцианина магния до (1,2) и после (3)
активации в спиртовом растворе п-бензохинона.
1,3 - нагрев, 2 - охлаждение.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- II -
?
сорбированные слоен, а не растворенные в электролите, ак­
цепторные молекулы являются основными центрами распада воз­
бужденных состояний в пленке пигмента и, следовательно,
играют основную роль в генерации положительного фотопотен­
циала. Из зависимости импульсного фотопотенциала от темпе­
ратуры оценена энергия связи адсорбированных молекул кисло­
рода с поверхностными молекулами в слое фталоцианина маг­
ния, которая оказалась равной 0,29*0,078 эв.
Исследована поляризационная зависимость импульсного
дФ. в слоях фталоцианина магния и хлорофилла "а" в аэроб­
ных условиях. Получено,что при значениях электродного по­
тенциала отрицательнее +0,3 в (относительно н.к.э.) в слоях
фталоцианина магния генерируется + л^Р , который резко уве­
личивается при смещении электродного потенциала от ~ +0,2
до ~ -0,2 в и мало изменяется при потенциалах отрицатель­
нее - 0 , 2 г . При большой анодной поляризации ( > +0,^ в)
наблюдается отрицательный фотопотенциал. Близкая, хотя и
менее четкая зависимость, получена для хлорофилловых слоев.
Для объяснения поляризационных кризых и механизма ге­
нерации фотопотенциала необходимы данные о том, на какой
границе раздела локализован фотоперенос электрона и первич­
ное разделение зарядов. Учитывая противоречивость точек
зрения различных исследователей в отношении этого вопроса,
мы провели сравнительное изучение величины + д^Р в слоях
фталоцианина магния при освещении их поочерёдно со стороны
поверхности раздела пигмент-электролит и со стороны контакта
пигмент - полупрозрачный платиновый электрод, обращая осо­
бое внимание на выравнивание в обоих случаях количества
света, падающего на пигментный слой. Из полученных данных
следует, что процессы фотогенерации и первичного разделения
зарядов могут протекать на обеих поверхностях раздела.
Основной вклад в величину + ДЧ* вносят процессы, обуслов­
ленные фотохимическим взаимодействием возбужденных поверх­
ностных пигментных молекул с адсорбированными акцепторными
молекулами. При поляризационных измерениях удается, по-ви­
димому, выделить явления, связанные с непосредственным
взаимодействием между фотовозбуяденными молекулами и метал­
лом на контакте пигмент - металл.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 12 -
•
Экспериментально показано также, что увеличение + л Ф
в слоях фталоцианина при яодщелачивании среды определяется
в значительной степени изменением темнового электродного
потенциала и, соответственно, изменением условий переноса
электрона на контакте пигмент-металл. При рН < . 5 и рН >.10
существуют также другие механизмы влияния рН на фотоэлектро­
химический эффект. Так, в щелочной области рН влияние кис­
лотно-основного равновесия на + дЧ* может быть связано, повидимому, с проявлением электронно-донорной способности ОН".
2. Фотоэлектрохимический эффект в аморфных и
микрокристаллических слоях хлорофилла "а"
В ряде предыдущих работ (Jacobs et al., 1954; Белавцева, Воробьева, КрасновскиЙ, 1959; Anderson, Calvin,I962)
было установлено, что для кристаллического состояния хлоро­
филла "а" характерна длинноволновая полоса поглощения с
максимумом 740-745 нм, максимум при 670-680 нм приписывает­
ся аморфной форме пигмента.
В диссертации проведено сравнение фотопотенциала в
аморфных и микрокристаллических слоях хлорофилла "а" при
непрерывном освещении и выявлено (рис.3): I) спектры дейст­
вия фотопотенциала в аморфных и микрокристаллических плен­
ках хорошо коррелируют с соответствующими спектрами погло­
щения; 2) величина фотопотенциала в кристаллизованных плен­
ках в 1,5-10 раз превышает величину фотопотенциала в аморф­
ных слоях пигмента. Микрокристаллические слои получали пу­
тем выдерживания аморфных пленок в парах С^Н^ОЫ и Н^О в тем­
ноте. При такой обработке, как показали контрольные экспе­
рименты, химических изменений молекулы хлорофилла не проис­
ходит.
Рассмотрены возможные причины активирующего действия
полярных молекул (п-бензохинон, этанол, Н^О) на фотоэдектрохинический эффект'в слоях хлорофилла и его аналогов.
Чужеродные молекулы-активаторы, адсорбируяоь на поверхности
слоя и проникая в его толщу, могут влиять ва величину фото­
потенциала, создавая дополнительные эффективные центры рас­
пада возбужденных состояний на электрон и дырку, а также
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 13 -
Рис.5. Спектры погяоцения и спектры действия фотопотенциала
аморфных и микрокристаллических слоев хлорофилла "а".
I - спектр поглощения в серной эфире; 2,3 - спектры
поглощения аморфной и микрокристаллической плевок
соответственно; 4,5 - спектры действия фотопотенциа­
ла соответственно в аморфной и микрокристаллической
пленках.
воздействуя на перемещение свободных носителей заряда.в
слое пигмента.
Другая группа причин обусловлена усилением межмолекулярвого взаимодействия в слое пигмента в процессе кристалли­
зации. Фотоперенос электрона от кристаллической формы пиг­
мента к акцептору электрона, по всей вероятности, облегчен
по сравнению с аморфными пленками, так как известно, что
усиление мехмолекулярного взаимодействия проявляется в
уменьшении потенциала ионизации ансамбля молекул по сравне­
нию с мономерами (Теренин, 1967). Кроме того, в кристалли­
ческой форме пигмента вследствие тесного переврывания внеш­
них электронных оболочек молекул должны более эффективно,
чем в аморфных пленках, осуществляться процессы миграции
энергии к фотохимическим центрам реакции, а также процессы
переноса носителей заряда в слое пигмента. Последний вывод
подтвержден исследованием электропроводности и фотопроводи­
мости в аморфных и микрокристаллических слоях хлорофилла
"а".
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 14 3. Сравнение фотопроводимости, темновой
электропроводности и термической энергии активации
фотопроводимости в аморфных и микрокристаллических
слоях хлорофилла "а"
- В данном разделе работы сравнивалась также стационар­
ная фотопроводимость в однородных слоях хлорофилла "а" и в
ламеллярной системе хлорофилл "а" - акцептор. Исследования
такого рода могут дать ценную информацию о механизме гене­
раций свободных носителей тока в полупроводниковой хлоро­
филловой пленке.
из наших экспериментов следует, что воздействие паров
воды и этанола на аморфный пленки хлорофилm "а" приводит
к увеличению фототока и темнового тока как в аэробных усло­
виях, так и в вакууме, что в целом согласуется с результа­
тами работ Теренина и сотр. (1962) и Литвина и Звалинского
(1968). Максимальное увеличение фототока достигало 10 .
Измерение спектров действия фотопроводимости показало,
что максимум длинноволновой полосы в спектре действия аморф­
ного слоя лежит в области 670-680 им. В спектре действия
фотопроводимости в пленках, подвергнутых обработке парами
этанола и воды, наблюдается новая длинноволновая полоса с
максимумом 740-750 нм, соответствующая кристаллической фор­
ме пигмента.
Величина фототока в области обеих длинноволновых полос
в спектре действия фотопроводимости в обработанных пленках
хлорофилла "а" на несколько порядков величины превышает
фототок в аморфных слоях пигмента.
Сравнение температурной зависимости фототока в аморфных
и микрокристаллических слоях позволило установить, что одна
из причин возрастания фототока и д*Р при кристаллизации
заключается в уменьшении термической энергии активации фото­
проводимости дЕф. Уменьшение ДЕф обусловлено, по-видимому,
тем, что в процессе кристаллизации хлорофиллового слоя про­
исходит уменьшение потенциальных барьеров для носителей за­
ряда. Показано, что величина фототока в слоях хлорофилла
значительно возрастает не только при усилении пигнент-пигметного взаимодействия, но и при обработке поверхности слоя
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 15 пигмента акцептором электрона (п-хлоранилоы).
Фототок в ламеллярной системе хлорофилл "а" - п-хлоранил на 1-2 порядна величины больше фототока в однородных
аморфных слоях пигмента при одинаковых экспериментальных
условиях. Темновой ток в аморфных слоях хлорофилла "а" пос­
ле обработки их поверхности п-хлоранияом возрастает в не­
сколько десятков раз. Удаление кислорода воздуха не сказы­
вается на величине темнового тока и фототока.
Контрольные эксперименты позволили сделать заключение
о том, что наблюдаемые эффекты не обусловлены шунтированием
хлорофиллового слоя фотопроводящей пленкой п-хлоранила, а
связаны с образованием хорошопроводящей области на контакте
хлорофилла и акцептора за счет их взаимодействия.
Полученные экспериментальные результаты рассмотрены в
рамках схемы, согласно которой основным путем образования
свободных носителей заряда в слоях хлорофилла "а" является
взаимодействие молекулярных возбуждений с поверхностными
электронно-акцепторными центрами с образованием свободных
дырок в приповерхностной области слоя пигмента и электронов,
локализованных на этих центрах. Из этого следует, что фото­
проводимость в хлорофилловом слое непосредственно связана с
фотопереносом электрона на поверхности раздела пигмент акцептор электрона.
Дополнительные данные о фотогенерации и передвижении
неравновесных носителей в слоях хлорофилла "а" были получе­
ны из измерений зависимости фототока от интенсивности света,
длины волны, напряжения в ячейках А1-пигмент-Ае, в условиях,
когда пигмент неоднородно освещался сильнопоглощаемыи све­
том через полупрозрачный алюминиевый электрод (на контакте
Ai-пигмент образуется запорный слой). По величине фототока
насыщения, найденного из зависимости фототока от напряжения
в запорном направлении, определен квантовый выход фотогене­
рации зарядов ^ в аморфных слоях хлорофилла "а" (7 — 5-10%).
По приближенным оценкам следует ожидать, что п в системе
пигмент-акцептор достигает нескольких десятков процентов..
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 16 4-. Фотоэлектрохимический эффект в хлорофиллбелковых слоях
В серии предварительных экспериментов была сделана по­
пытка зарегистрировать фотопотенциал в слоях, полученных из
буферного раствора природного ПБЛК, водорастворимого искус­
ственного коиплекса хлорофилла "а" с липопротеинами иолока,
водно-ацетоновой смеси хлорофилла "а" и сывороточного аль­
бумина. Цель была достигнута только для случая хлорофиллальбуминовых слоев, которые достаточно прочно удерживались
на платиновом электроде в 90J& этаноле в течение времени,
необходимого для проведения измерений. Освещение таких
слоев красным светом в аэробных условиях приводило к появ­
лению положительного фотопотенциала, предельная величина
которого варьировала от образца к образцу и иногда уменьша­
лась с числом освещений.
Генерация фотопотенциала связана с фотовозбувдением
пигментного компонента слоя, так как в спектральном распре­
делении фотопотенциала наблюдаются два пика в красной и си­
ней области спектра, соответствующие главным полосам погло­
щения хлорофилла "а".
150
д
550 300' 400
500
600
700 А.(нм)° , 0 °
Рис.4, Спектр поглощения (I) и спектр действия фотоэлектро­
химического эффекта (2) хлорофилл-белковых слоев.
Спектр действия снят в аэробных условиях при интен­
сивности падающего света 10 • эрг/см2*сек.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 17 Два экспериментальных факта: положительный знак фото­
потенциала в хлорофилл-альбуминовых слоях в аэробных усло­
виях и значительное уменьшение его величины при удалении
акцептора (кислорода воздуха) указывают на близость меха­
низмов генерации фотопотенциала как в хлорофилл-белковых
слоях, тан и в пленках индивидуальных пигментов.
Наиболее интересным отличием фотоэлектрохиыического
эффекта в хлорофилл-белковых с-оях по сравнению с пленками
хлорофилла является то, что предельная величина фотопотен­
циала в хлорофилл-белковых слоях превышает, как правило,
величину фотопотенциала в аморфных слоях хлорофилла "а".
Это указывает на более эффективный фотоперенос электрона и
разделение зарядов в слоях хлорофилл-альбумин по сравнению
с аморфными слоями пигмента.
Обсуждаются возможные причины различия в величине фото­
потенциала в хлорофилл-белковых и аморфных хлорофилловых
слоях.
5. Полупроводниковые свойства слоев пигментбелковолипоидного комплекса фотосистемы I
Исследованию полупроводниковых свойств хлорофилл-бел­
ковых образований в литературе посвящено, лишь несколько ра­
бот. Объектами исследования в них были либо простые искус­
ственные хлорофилл-белковые спои, либо вытяжки из зеленых
листьев, которые включали, очевидно, сильно разрушенные пигмент-белноволипоидные комплексы. Поэтому представлялось
интересным исследовать проводимость имевшегося в нашем рас­
поряжении комплекса фотосистемы I.
Ряд экспериментальных данных указывает на наличие полу­
проводниковых явлений в твердых слоях ПБЛК фотосистемы I:
I. Характерная для электронных полупроводников экспо­
ненциальная зависимость темновой проводимости от температу­
ры, проявляющаяся в таких экспериментальных условиях (тща­
тельное обезгааивание и прогрев слоя), когда участив в элек­
тропроводности молекул воды, адсорбированной на поверхности
слоя, не должно иметь места.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
-182. Наличие фотопроводимости при освещении слоя светоы,
поглощаемый хлорофилловой частью комплекса.
3. Экспоненциальная зависимость фототока от темпера­
туры.
4. Быстрое достижение темновым током равновесного со­
стояния после включения электрического поля (3800-9300 |JJ).
Термическая энергия активации темновой проводимости в
исследованных нами слоях ПБЛК фотосистемы I составляет
2,7±0,2 эв.
Отношение фототока к темновому току имело небольшую
величину (единицы или десятки процентов)! что делало затруд­
нительным* измерение как абсолютных величин фототока, так и
энергии активации фотопроводимости. Найден.ше из темпера­
турной зависимости значения термической энергии активации
фотопроводимости варьировали от образца к образцу в преде­
лах 0,9-1,4 эв.
Анализ данных по электропроводности белков и синтети­
ческих полимерных полупроводников показывает, что аномально
высокие значения термической энергии активации фотопроводи­
мости в слоях ПБЛК фотосистемы I следует объяснить тем, что
слои комплекса являются гетерогенными структурами, в кото­
рых хорошо проводящие области (пигментные агрегаты) разде­
лены плохо проводящими участками, являющимися высокими по­
тенциальными барьерами для носителей заряда.
б. Исследование потенциометрическим методом
фотохимического взаимодействия пигментбелковопипоидного комплекса фотосистемы I
с п-бензохиноном
В 1965 году Евстигнеев и Гаврилова впервые/наблюдали
образование положительного фотопотенциала при обратимом фо­
тоокислении хлорофилла и его аналогов различными окислителя­
ми в спиртовых растворах. Ыетод фотопотенциала оказался при­
годным также для исследования реакций фотоокисления хлоро­
филла в растворе тритона Х-100 и в суспензии хлоропластов
(Дроздова, Красновский, 1972).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 19 В диссертации показано, что потенциоиетрический катод
может быть с успехом использовав для исследования реакции
фотохимического окисления хлорофилла в составе пигмент-белковолилоидного комплекса, являющегося промежуточным случаен
между такими упрощенными модельными системами, как раство­
ры хлорофилла, и очень сложными по составу суспензиями хлоропластов. В качестве акцептора электрона был выбрав п-бензохинон, ранее неоднократно применявшийся для исследования
элементарных окислительных превращений хлорофилла потенцио­
иетрический методом.
Освещение в аэробных условиях буферного раствора ПЕЛЕ
(р,005М трис-HCI, 0.05J5 тритон Х-100, концентрация хлоро­
филла ~0,04 мг/мл) с добавкой очищенного возгонкой п-бензо­
хинона (5»I0~* - 10~* М) приводило к генерации фотопотен­
циала. В отличие ох растворов пигмента, знак фотопотенциа­
ла в системе ПБЛК + п-бевзохинон.был отрицательным и не за­
висел от рН среды в пределах от рН * *,0 до рН « 9,0, хотя
абсолютная величина фотопотенциала возрастала при подкислении среды от рН*9 до рН«5.
Спектр действия отрицательного фотопотенциала в систе­
ме ПБЛК + п-бензохинон характеризуется двумя полосами, соот­
ветствующими по положению пикам в спеххре поглощения хлоро­
филла в составе ПБЛК. Возможно, что фотохимически активным
является свет, поглощенный не только пигментом, но и бел­
ком, так как в спектре действия фотопотенциала наблюдался
пик с максимумом в области 290-320 мм.
Образование отрицательного фотопотенциала объяснено
взаимодействием с электродом восстановленных форы хинова.
(Дроздова, Красновский, 1972). Такими формами являются, ве­
роятно, анион-радикал п-бензохинона Q" или продукт его протонирования он. Генерация Q~ может осуществляться в резуль­
тате прямого фотохимического взаимодействия возбужденного
комплекса (ПБЛК*) с окислителем (Q)
ПЕЛЕ* + Q ^ - — ПБЛК+ + О",
либо путем сенсибилизированного хлорофиллом восстановления
п-бензохинона донором электрона, содержащимся в комплексе.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 20 ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные в работе исследования зависимости фотоэдектрохимического эффекта в слоях хлорофилла "а" и фталоцианина магния от ряда факторов в совокупности с анализом
литературных данных показали, что механизм генерации фото­
потенциала является сложным многокомпонентным процессом»
Распад возбуаденных состояний пигмента и первичное разделе­
ние носителей заряда, приводящие в конечном счете к появле­
нию фотопотенциала, могут происходить как на границе разде­
ла электролит-пигмент, так и на контакте пигмент-ыеталл.
Основной вклад в величину положительного фотопотенциала
вносят процессы, связанные с взаимодействием поверхностных
возбужденных молекул пигмента с адсорбированными электронноакцепторными молекулами на контакте пигмент-электролит. При
поляризационных измерениях выявляются процессы, обусловлен­
ные взаимодействием фотовозбужденных молекул пигмента с ме­
таллом электрода.
Исходя из поляризационных кривых, логично предположить,
что при электродных потенциалах отрицательнее ~ +0,2 в
происходит перенос электрона от металла на возбужденные
пигментные молекулы (+Д 1 ?), при потенциалах > + 0 , 4 в фото­
перенос электрона происходит в обратном направлении (- £&).
В целом фотоэлектрохимический эффект может быть' пред­
ставлен как результат фотосенсибилизированного агрегирован­
ным слоем пигмента переноса электрона от донора к акцептору
электрона. Ыесколько особенностей делают такой механизм
сенсибилизации особенно интересным при попытках моделирова­
ния процессов первичного разделения заряда при фотосинтезе:
1. Донор и акцептор электрона находятся в связанном со
слоем пигмента состоянии, и, следовательно, реакция фотосен­
сибилизации не лимитируется диффузионными процессами.
2. Слой пигмента пространственно разделяет донор и ак­
цептор электрона, что затрудняет обратную рекомбинацию обра­
зующихся продуктов.
3. Процесс фотосенсибилизации включает, по-видимому,
миграцию энергии.электронного возбуждения к поверхностным
центрам распада. Это способствует повышению эффективности
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 21 использования квантов света в реакции фотосенсибилизации.
4. Процессы окисления и восстановления разделены во
времени полупроводниковыми явлениями.
С позиций полупроводниковой гипотезы фотосинтеза про­
анализированы результаты измерения проводимости ПБЛК фото­
системы I, а также данные по влиянию степени пигмент-пиг­
ментного взаимодействия и акцепторов электрона на эффектив­
ность фотогенерации и разделения зарядов в сухих слоях
хлорофилла "а" и на контакте с электролитом. Анализ показы­
вает, что логично предполагать и экспериментально искать
образование свободных носителей заряда в первичных процессах
фотосинтеза лишь в ансамбле сильно взаимодействующих моле­
кул, входящих в реакционные центры и их ближайшее окружение.
В пользу этого предположения свидетельствуют также оценки
квантового выхода фотогенерации зарядов в однородных плен­
ках хлорофилла "а" и в ламеллярной системе хлорофилл акцептор.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. С целью выяснения механизма фотоэлектрохимического
эффекта в слоях пигментов исследована зависимость от ряда
факторов величины фотопотенциапа в пленках хлорофилла "а" и
фталоцианина магния при непрерывном и импульсном освещении.
Получены экспериментальные данные, позволяющие считать,
что фотоперенос электрона, приводящий в конечном счете к
генерации фотопотенциала, может быть локализован, по-видимо­
му, как на границе раздела пленка - электролит, так и на по­
верхности раздела пленка - металл.
2. Показано, что основными центрами распада возбужден­
ных состояний пигмента при генерации положительного фотопо­
тенциала являются электронно-акцепторные молекулы, адсорби­
рованные на поверхности и на стенках пор слоя. Из зависимо­
сти фотопотенциала от температуры оценена энергия связи меж­
ду адсорбированными молекулами кислорода и поверхностными.
молекулами фталоцианина магния в слое (0,29*0,078 эв).
3. Сравнение фотоэлектрохимического эффекта в аморфных
и микрокристаллических слоях хлорофилла "а" показало, что
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 22 усиление пигмент-пигментного взаимодействия приводит к
появлению новой длинноволновой полосы G*max~740 ни) в
спектре действия фотопотенциала и к увеличению эффективно­
сти процессов фотопереноса электрона и разделения зарядов
в слоях, контактирующих с электролитом.
4. Кристаллизация аморфных слоев хлорофилла "а" вызы­
вает уменьшение энергии антивации фотопроводимости, что
является одной из причин возрастания при кристаллизации фо­
топроводимости и фотопотенциала.
Стационарная фотопроводимость в аморфных слоях хлоро­
филла "а" увеличивается на 1-2 порядка при обработке поверх­
ности слоя акцептором электрона - п-хлоранилом.
5. Обнаружен фотоэлектрохимический эффект в хлорофиллбелковых (альбуминовых) слоях. Предельная величина фотопо­
тенциала в хлорофилл-белковых слоях превышает, как правило,
величину фотопотенциала в аморфных пленках хлорофилла "а",
что указывает на большую эффективность процессов, фотогене­
рации и разделения зарядов в слоях хлорофилла "а" - альбу­
мин по отношению к аморфным пленкам хлорофилла "а".
6. На основании экспериментальных данных сделан вывод
0 наличии полупроводниковых и фотополуироводниковых свойств
в слоях пигмент-бедноволипоидного комплекса фотосистемы I.
Термическая энергия активации темновой проводимости в слоях
комплекса составляет 2,7*0,2 эв. Аномально высокие значения
энергии активации фотопроводимости в слоях комплекса
(0,9-1,4 эв) объясняются необходимостью преодоления фотогенерированныыи носителями заряда потенциальных барьеров, на
границе между хорошо проводящими включениями - пигментными
агрегатами.
7. Из анализа результатов исследования фотопроводимо­
сти в слоях пигывнт-белковолипоидного комплекса фотосистемы
1 и данных по влиянию кристаллизации и акцепторов электрона
на фотопроводимость и фотопотенциал в слоях хлорофилла "а"
и фталоцианина магния следует, что целесообразно предпола­
гать и искать экспериментально образование свободных элект­
ронов и дырок в первичных процессах фотосинтеза не в любом
месте фотосинтетической единицы, а лишь в системе сильно
взаимодействующих мевду собой молекул пигмента,входящих в
реакционный центр и его ближайшее окружение.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 23 8. Потенциометрическим методом исследовано фотохимиче­
ское взаимодействие пигмент-белковолипоидного комплекса фо­
тосистемы I с п-бензохиноном. Предполагается, что отрица­
тельный фотопотенциал, генерируемый при освещении буферного
раствора комплекс + п-бензохиыон, обусловлен взаимодействием
с электродом восстановленных форы хинона.
9. Таким образом, проведенные исследования позволили:
I) получить экспериментальные данные об особенностях про­
цессов фотопереноса электрона и разделения зарядов в агре­
гатах хлорофилла и в пигмент-белковых комплексах; 2)обосно­
вать предположение о реакционных центрах, как возможном
месте локализации стадии свободных носителей заряда в пер­
вичных процессах фотосинтеза.
Полученные данные могут быть* использованы также при
попытках конструирования в прикладных целях преобразовате­
лей солнечной энергии в электрическую.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 24 - .
' Список работ, опубликованных по теме диссертации:
1. Stolovitsky Yu.M„, Shkuropatov А Л а . , Kadoshnikov S.I., Evetigneev V.B. On the photoelectrochemical
effect In solid chlorophyll and chlorophyll-protein films,
FEBS letters, 2A, 147, 1973.
2. Шкуропатов А.Я., Михайлов В.Н., Ванкевич М.М.,
Столовицкий Ю.М. Фотогальванический эффект в пленках
фталоцианина магния при импульсном освещении. В сб.: "Фото­
синтез. Проблемы и метода". Деп. ВИНИТИ J* 7I76-73, 1973.
3. Шкуропатов А.Я., Кадошников С И . , Несаул Т.А.,
Столовицкий Ю.М. Фотоэлектрохимический эффект в хлорофиллбелковых пленках. В сб.: "Фотосинтез. Проблемы и методы".
Деп. ВИНИТИ * 7176-73, 1973.
4. Евстигнеев В.В., Столовицкий Ю.М., Шкуропатов А.Я.,
Кадошников С И . Перенос электрона при освещении и разделе­
ние зарядов в слоях хлорофилла. В сб.: "Итоги исследования
механизма фотосинтеза", Пущино, 1974, стр.3.
5. Столовицкий Ю.М., Шкуропатов А.Я., Евстигнеев В.Б.,
Шичков В.В. Фотохимические и фотоэлектронные свойства ком­
понентов фотосинтетического аппарата. I. Фотогальваниче­
ский эффект при постоянном освещении пленок хлорофилла,
Биофизика, 19, 820, 1974.
6. Шкуропатов А Л . , Шутилова Н.И., Столовицкий Ю.М.,
Евстигнеев В.Б. Исследование фотохимического взаимодейст­
вия пигмент-белковолипоидного комплекса фотосистемы I с
п-бензохиноном потенциометрическим методом, ДАН СССР, 214.
1214, 1974.
7. Евстигнеев В.Б., Шкуропатов А.Я., Столовицкий Ю.М.
Фотогальванический эффект в слоях хлорофилла и фталоцианина
магния при импульсном освещении, studia biophysica, Ш» 271
1975.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отдельные'результаты работы были доложены на:
. I. 17 Международном биофизическом конгрессе, Москва,
1972.
-*"- ~
^-.;
- '. . 2. П Всесоюзном совещании по фотохимии, Сухуми, 1974.
. 3. Всесованой конференции молодых ученых и специалис-'
v
тов, Цущино, 1974.
' , ' - - •
\
4. JQI Международном ботаническом конгрессе, Ленинград,
,1975.
'
-
\-
Отпечатано в ОНТИ НЦБИ Заказ Я 3096Р I8/XII-75 г.-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
847 Кб
Теги
178
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа