Dipole Moment of the S0 → S1 Chlorophyll a Transition in Solvents with a Varied Refraction Index

D. A. Cherepanov; Черепанов Д. А.; G. E. Milanovsky; Милановский Г. Е.; A. V. Aybush; Айбуш А. В.; V. A. Nadtochenko; Надточенко В. А.

doi:10.31857/S0207401X23060031

Дипольный момент перехода S₀ → S₁ хлорофилла a в растворителях с различным индексом рефракции

Авторы: Черепанов Д.А.¹^,2, Милановский Г.Е.², Айбуш А.В.¹, Надточенко В.А.¹^,3
Учреждения:
1. Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
2. Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
3. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Выпуск: Том 42, № 6 (2023)
Страницы: 77-87
Раздел: К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ АКАДЕМИКА В.И. ГОЛЬДАНСКОГО
URL: https://ogarev-online.ru/0207-401X/article/view/139906
DOI: https://doi.org/10.31857/S0207401X23060031
EDN: https://elibrary.ru/UGYOSZ
ID: 139906

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Проведен расчет зависимости дипольного момента перехода S₀ → S₁ хлорофилла a от величины индекса рефракции n растворителя. Проанализированы взаимодействия между электрическим полем световой волны, электронным переходом пигмента в возбужденное состояние и диэлектрической поляризацией оптической среды. Эффект реактивного увеличения переходного дипольного момента молекулы хлорофилла a в растворителях с различной величиной индекса рефракции рассчитан в рамках нестационарной теории функционала плотности (TD–DFT) с использованием гибридного функционала LC-ωPBE и модели поляризуемого континуума. Расчеты ab initio аппроксимированы моделью реактивного поля Онзагера с эффективной поляризуемостью хлорофилла равной 21 Å³. Модель количественно описывает экспериментальную зависимость коэффициента экстинкции хлорофилла a в растворителях с индексом рефракции 1.3 < n < 1.7. В белковом окружении с индексом рефракции n = 1.4 величина дипольного момента перехода хлорофилла составляет 5.5 Д. Для этого окружения было рассчитано распределение электростатического потенциала в основном и возбужденном состояниях хлорофилла; расчеты ab initio аппроксимированы набором парциальных переходных зарядов, расположенных на тяжелых атомах π-сопряженной системы молекулы хлорофилла.

Ключевые слова

хлорофилл a, реактивное поле, сила осциллятора, дипольный момент перехода, модель континуальной поляризуемой среды, переходные парциальные заряды.

Список литературы

Mirkovic T., Ostroumov E.E., Anna J.M. et al. // Chem. Rev. 2017. V. 117. № 2. P. 249; https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00002
Zucchelli G., Jennings R.C., Garlaschi F.M. et al. // Biophys. J. 2002. V. 82. № 1. P. 378; https://doi.org/10.1016/S0006-3495(02)75402-7
Madjet M.E., Abdurahman A., Renger T. // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. № 34. P. 17268;. https://doi.org/10.1021/jp0615398
Seely G.R., Jensen R.G. // Spectrochim. Acta. 1965. V. 21. № 10. P. 1835; https://doi.org/10.1016/0371-1951(65)80095-9
Houssier C., Sauer K. // J. Amer. Chem. Soc. 1970. V. 92. № 4. P. 779; https://doi.org/10.1021/ja00707a007
Colbow K. // BBA – Bioenerg. 1973. V. 314. № 3. P. 320; https://doi.org/10.1016/0005-2728(73)90116-3
Shipman L.L., Cotton T.M., Norris J.R., Katz J.J. // J. Amer. Chem. Soc. 1976. V. 98. № 25. P. 8222; https://doi.org/10.1021/ja00441a056
Linke M., Lauer A., Von Haimberger T. et al. // Ibid. 2008. V. 130. № 45. P. 14904; https://doi.org/10.1021/ja804096s
Shipman L.L. // Photochem. Photobiol. 1977. V. 26. № 3. P. 287; https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1977.tb07486.x
Knox R.S. // Ibid. 2003. V. 77. № 5. P. 492; https://doi.org/10.1562/0031-8655(2003)0770492-daosoc2.0.co2
Oviedo M.B., Sánchez C.G. // J. Phys. Chem. A. 2011. V. 115. № 44. P. 12280; https://doi.org/10.1021/jp203826q
Khokhlov D., Belov A. // Biophys. Chem. 2019. V. 246. P. 16; https://doi.org/10.1016/j.bpc.2019.01.001
Birge R.R., Sullivan M.J., Kohler B.E. // J. Amer. Chem. Soc. 1976. V. 98. № 2. P. 358; https://doi.org/10.1021/ja00418a007
Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Petersson G.A., Nakatsuji H., Li X., Caricato M., Marenich A.V., Bloino J., Janesko B.G., Gomperts R., Mennucci B., Hratchian H.P., Ortiz J.V., Izmaylov A.F., Sonnenberg J.L., Williams-Young D., Ding F., Lipparini F., Egidi F., Goings J., Peng B., Petrone A., Henderson T. // Gaussian 16. Rev. C. 01. Wallingford CT: Gaussian Inc., 2016.
Yanai T., Tew D.P., Handy N.C. // Chem. Phys. Lett. 2004. V. 393. № 1–3. P. 51; https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.06.011
Henderson T.M., Izmaylov A.F., Scalmani G., Scuseria G.E. // J. Chem. Phys. 2009. V. 131. № 4. P. 044108; https://doi.org/10.1063/1.3185673
Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. // Chem. Rev. 2005. V. 105. № 8. P. 2999; https://doi.org/10.1021/cr9904009
Marenich A. V., Cramer C.J., Truhlar D.G. // J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. № 18. P. 6378; https://doi.org/10.1021/jp810292n
Lu T., Chen F. // J. Comput. Chem. 2012. V. 33. № 5. P. 580; https://doi.org/10.1002/jcc.22885
Черепанов Д.А., Милановский Г.Е., Надточенко В.А., Семёнов А.Ю. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 5.
Chako N.Q. // J. Chem. Phys. 1934. V. 2. № 10. P. 644; https://doi.org/10.1063/1.1749368
Lorentz H.A. The Theory of Electrons. 2nd edn. Leipzig, New York: Dover, 1952.
Onsagbr L. // J. Amer. Chem. Soc. 1936. V. 58. № 8. P. 1486; https://doi.org/10.1021/ja01299a050
Fröhlich H. Theory of Dielectrics: Dielectric Constant and Dielectric Loss. Oxford: Clarendon Press, 1949.
Böttcher C.J.F., van Belle O.C., Bordewijk P., Rip A. Theory of electric polarization. 2nd ed. V. 1. Dielectrics in static fields. Amsterdam, New York: Elsevier Scientific Pub. Co, 1974.
Mulliken R.S., Rieke C.A. // Rep. Prog. Phys. 1941. V. 8. № 1. P. 231; https://doi.org/10.1088/0034-4885/8/1/312
Pickett L.W., Paddock E., Sackter E. // J. Amer. Chem. Soc. 1941. V. 63. № 4. P. 1073; https://doi.org/10.1021/JA01849A051/ASSET/JA01849-A051.FP.PNG_V03
Jacobs L.E., Platt J.R. // J. Chem. Phys. 1948. V. 16. № 12. P. 1137; https://doi.org/10.1063/1.1746745
Neporent B.S., Bakhshiev N.G. // Opt. Spectrosc. 1958. V. 5. № 634. P. 1954.
Moffitt W., Moscownz A. // J. Chem. Phys. 1959. V. 30. № 3. P. 648; https://doi.org/10.1063/1.1730025
Bakhshiev N.G., Girin O.P., Libov V.S. // Opt. Spectrosc. 1963. V. 14. P. 255.
Lorenz L. // Ann. Phys. 1880. V. 247. № 9. P. 70; https://doi.org/10.1002/andp.18802470905
Pacak P. // J. Solut. Chem. 1987. V. 16. № 1. P. 71; https://doi.org/10.1007/BF00647016
Bakhshiev N.G. // Opt. Spectrosc. 1958. V. 5. № 646. P. 1954.
Schuyer J. // Recl. des Trav. Chim. des Pays-Bas. 1953. V. 72. № 11. P. 933; https://doi.org/10.1002/recl.19530721104
Bakhshiev N.G., Girin O.P., Libov V.S. // Opt. Spectrosc. 1963. V. 14. P. 395.
Liptay W. // Z. Naturforschg. A. 1966. V. 21. № 10. P. 1605; https://doi.org/10.1515/zna-1966-1010
Weigang O.E. // J. Chem. Phys. 1964. V. 41. № 5. P. 1435; https://doi.org/10.1063/1.1726086
Хохлова С.С., Михайлова В.А., Иванов А.И. // Хим. физика. 2007. Т. 26. № 7. С. 27.
Karakas A., Ceylan Y., Karakaya M. et al. // Open Chem. 2018. V. 16. № 1. P. 1242; https://doi.org/10.1515/chem-2018-0134
Knox R.S., van Amerongen H. // J. Phys. Chem. B. 2002. V. 106. № 20. P. 5289; https://doi.org/10.1021/jp013927+
Knox R.S., Spring B.Q. // Photochem. Photobiol. 2003. V. 77. № 5. P. 497; https://doi.org/10.1562/0031-8655(2003)0770497-dsitc2.0.co2
Adolphs J., Müh F., Madjet M.E.A. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 2010. V. 132. № 10. P. 3331; https://doi.org/10.1021/ja9072222
Novoderezhkin V.I., Palacios M.A., Van Amerongen H., Van Grondelle R. // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. № 20. P. 10493; https://doi.org/10.1021/jp044082f
Adolphs J., Müh F., Madjet M.E.A., Renger T. // Photosynth. Res. 2008. V. 95. № 2–3. P. 197; https://doi.org/10.1007/s11120-007-9248-z
Krawczyk S. // BBA – Bioenerg. 1991. V. 1056. № 1. P. 64; https://doi.org/10.1016/S0005-2728(05)80073-8
Altmann R.B., Haarer D., Renge I. // Chem. Phys. Lett. 1993. V. 216. № 3–6. P. 281; https://doi.org/10.1016/0009-2614(93)90095-I
Хохлова С.С., Михайлова В.А., Иванов А.И. // ЖФХ. 2008. Т. 82. № 6. С. 1161.
Van Manen H.J., Verkuijlen P., Wittendorp P. et al. // Biophys. J. 2008. V. 94. № 8. P. L67; https://doi.org/10.1529/biophysj.107.127837
Vörös J. // Biophys. J. 2004. V. 87. № 1. P. 553; https://doi.org/10.1529/biophysj.103.030072
Zölls S., Gregoritza M., Tantipolphan R. et al. // J. Pharm. Sci. 2013. V. 102. № 5. P. 1434; https://doi.org/10.1002/jps.23479
Byrdin M., Jordan P., Krauss N. et al. // Biophys. J. 2002. V. 83. № 1. P. 433; https://doi.org/10.1016/S0006-3495(02)75181-3
Yang M., Damjanović A., Vaswani H.M., Fleming G.R. // Ibid. 2003. V. 85. № 1. P. 140; https://doi.org/10.1016/S0006-3495(03)74461-0
Akhtar P., Caspy I., Nowakowski P.J. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 2021. V. 143. № 36. P. 14601; https://doi.org/10.1021/jacs.1c05010
Kimura A., Kitoh-Nishioka H., Aota T., et al. // J. Phys. Chem. B. 2022. V. 126. № 22. P. 4009; https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c00869
Philipson K.D., Cheng Tsai S., Sauer K. // J. Phys. Chem. 1971. V. 75. № 10. P. 1440; https://doi.org/10.1021/J100680A013/ASSET/J100-680A013.FP.PNG_V03