Кинетическая модель цитохромного bf комплекса фотосинтетической мембраны тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Джалал Камали Махшид

• Джалал Камали Махшид
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Джалал Камали Махшид

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Система фотосинтетического электронного транспорта в мембране тилакоида.

1.2. Структура и функции цитохромного комплекса.

1.3. Структура и функция комплекса ФС1.

1.4. Подвижные переносчики электрона: пластохинон и пластоцианин.

1.4.1. Хиноны хлоропластов.

1.4.2. Пластоцианин.

1.5. Эксперименты по определению кинетических констант взаимодействия Рс, PQ и цитохрома bf.

1.6. Математические модели.

1.6.1. Модели электронного транспорта в комплексах. Методы математического описания переноса электрона в пределах комплексов.

1.6.2. Модели цитохромного bf комплекса в хлоропластах.

1.6.3. Моделирование взаимодействия комплекса с подвижными переносчиками.

Глава 2. Кинетическая модель цитохромного bf комплекса тилакоидной мембраны.

2.1. Описание модели.

2.1.1. Структура модели.

2.1.2. Формулировка модели.

2.2. Методы решения.

2.2.1. Прямая и обратная задача.

2.2.2. Алгоритмы решения и их реализация.

2.2.3. Методы идентификации параметров.

2.3. Результаты моделирования и идентификации параметров системы.

Глава 3. Сопряжение кинетической модели переноса электрона внутри цитохромного комплекса b6f с броуновской моделью диффузии пластоцианина и пластохинона.

3.1. Метод прямого многочастичного моделирования.

3.2. Описание прямой модели.

3.3. Оценка параметров прямой модели взаимодействия цитохромного комплекса и подвижных переносчиков.

3.4. Механизм сопряжения кинетической модели переноса электрона внутри цитохромного комплекса b6f с броуновской моделью диффузии пластоцианина и пластохинона.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетическая модель цитохромного bf комплекса фотосинтетической мембраны»

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Изучение механизмов регуляции субклеточных энергопреобразующих систем представляет одну из наиболее актуальных проблем современной биологии. Для понимания законов взаимодействия отдельных молекул и молекулярных комплексов и сопряжения физических и биологических законов в единую выработанную в процессе эволюции систему необходимо объединить эти знания в целостной концепции. Методом концептуального объединения разнородных знаний в единую систему является математическое моделирование.

Для моделирования процессов на субклеточном уровне используются кинетические модели, представляющие собой системы дифференциальных уравнений. При описании переноса электронов в мультиферментном комплексе используют уравнения для вероятностей состояний. Взаимодействие комплекса с подвижными переносчиками в кинетических моделях принято описывать с помощью уравнений действующих масс. В самое последнее время на кафедре биофизики биологического факультета МГУ разрабатываются прямые многочастичные модели, позволяющие визуализировать процессы в фотосинтетической мембране.

Фотосинтетическая мембрана представляет собой одну из наиболее хорошо экспериментально изученных субклеточных систем. Имеется большое число математических моделей, которые описывают как процессы в отдельных фотосинтетических реакционных центрах, так и всю совокупность процессов электронного и ионного транспорта в тилакоидной мембране. Наряду с комплексами фотосинтетических реакционных центров фотосистем I и И, важнейшую роль в процессах преобразования энергии играет цитохромный комплекс. Он осуществляет сопряжение электронного транспорта и трансмембранного переноса протонов молекулами пластохинона и таким образом контролирует общую скорость транспорта электронов от первичного донора к терминальному акцептору. Цитохромный комплекс также является участником циклического электронного транспорта с участием фотосистемы I, являясь регулятором соотношения линейного и циклического электронных потоков. Процессы в цитохромном комплексе также играют ключевую роль в создании электрохимического потенциала на мембране. Именно функционирование этого комплекса регулирует выделение протонов во внутреннее люми-нальное пространство тилакоида.

Цитохромный комплекс играет важную роль не только в фотосинтетических процессах. Аналогичный комплекс имеется в энергопреобразующей цепи митохондрий. В цианобактериях на уровне цитохромного комплекса в единой мембране сопрягаются фотосинтетическая и дыхательная цепи.

Кинетические характеристики процессов переноса электрона между компонентами цитохромного комплекса изучены значительно менее подробно, чем это сделано для комплексов фотосинтетических реакционных центров. Причина этого понятна - процессы в цитохромном комплексе не инициируются непосредственно светом, они являются следствием идуцированных светом процессов в фотосистемах 1 и 2, которые вызывают последовательность окислительно-восстановительных процессов в фотосинтетической электрон-транспортной цепи. Сведения о кинетике процессов в цитохромном комплексе получают в эксперименте по спектральным измерениям в полосах поглощения входящих в комплекс цитохромов и пластоцианина, являющегося посредником электронного переноса между цитохромным комплексом и фотосистемой I. При этом бывает сложно выделить вклад отдельных окислительно-восстановительных реакций в экспериментально наблюдаемую кинетическую кривую. Все это делает чрезвычайно актуальным математическое моделирование работы цитохромного комплекса и идентификацию его кинетических параметров по экспериментальным данным.

Настоящая работа посвящена детальному моделированию процессов в ци-тохромном комплексе. Построены модели переноса электрона в комплексе и процессов взаимодействия комплекса с подвижными переносчиками. С помощью нескольких методов проведена идентификация параметров кинетической модели по экспериментальным данным, проведены оценки параметров системы, не доступных прямому экспериментальному измерению. Изученная кинетическая модель цитохромного комплекса сопряжена с прямой многочастичной моделью броуновского движения подвижных переносчиков - пластоциа-нина в люминальном пространстве и пластохинона внутри липидного слоя фотосинтетической мембраны.

Цели и задачи работы. Основная цель работы - изучить механизмы функционирования цитохромного комплекса и провести идентификацию параметров отдельных реакций внутри комплекса. Описать взаимодействие комплекса с подвижными переносчиками - пластоцианином и пластохиноном.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Построить кинетическую модель функционирования цитохромного bf комплекса фотосинтетической мембраны. В рамках модели учесть влияние электрического и электрохимического трансмембранного потенциала на процессы переноса электрона. Пронализировать возможности различных вычислительных процедур и отобрать адекватные вычислительные методы для решения системы уравнений, описывающих переходы между состояниями комплекса.

2. Исследовать кинетику переменных модели. Провести идентификацию параметров модели по экспериментальных данным. Оценить значения внутренних кинетических параметров цитохромного комплекса.

3. Осуществить сопряжение кинетической модели - системы уравнений для вероятностей состояний цитохромного комплекса с прямой многочастичной моделью перемещения молекул пластоцианина в люминальном пространстве и пластохинона во внутримембранном пространстве.

Научная новизна. Разработана кинетическая модель функционирования цитохромного bf комплекса в соответствии со схемой Q-цикла Митчелла. Переменными модели являются вероятности состояний комплекса, осуществляющего перенос электронов от пластохинона на пластоцианин, сопряженный с переносом протонов из стромы хлоропласта в люмен тилакоида. В модели учтена зависимость скоростей реакций электронного переноса от величины трансмембранного потенциала. С использованием ряда вычислительных методов проведена идентификация параметров модели по экспериментальным данным, в том числе проведена оценка величин параметров, не доступных экспериментальному изучению. Проведена оценка концентрации протонов в люмене тилакоида и трансмембранного электрического потенциала, а также электрической емкости тилакоидной мембраны. Выполнено сопряжение кинетической модели процессов в цитохромном комплексе с прямой многочастичной моделью переноса электрона подвижными молекулами пластоцианина в люмене тилакоида. Получены кинетические характеристики окислительно-восстановительных превращений при взаимодействии цитохромного комплекса с донором фотосистемы I пластоцианином.

Практическая значимость. Построенная детальная модель переноса электрона в цитохромном комплексе может быть использована как элемент полной обобщенной кинетической и прямой модели процессов в фотосинтетической мембране. Модель также может быть использована как элемент модели процессов в мембране цианобактерий, где на уровне цитохромного комплекса происходит сопряжение энергопреобразующих процессов фотосинтетической и дыхательной цепей. Модель позволяет выявить роль цитохромного комплекса в процессе создания электрохимического потенциала на энергопреобразующих мембранах тилакоидов и цианобактерий. Модель может быть использована в учебных курсах и практикумах по темам «Математическое моделирование в биологии» и «Фотосинтез» для специальностей биофизика, физиология растений, экология.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: 3-ем Съезде биофизиков России, Воронеж, 2004; 10-той и 11-ой Международных конференциях «Математика. Компьютер. Образование», Пу-щино, 2003, Дубна, 2004; семинарах кафедры биофизики биологического факультета МГУ.

Список публикаций по теме диссертации.

1. Лебедева Г.В., Джалал Камали М., Демин О.В., Беляева Н.Е., Ризниченко. Г.Ю. Кинетическая модель цитохромного bf комплекса. Идентификация параметров модели по экспериментальным данным, полученным на суспензии ти-лакоидов. Математика. Компьютер. Образование. Сб. научных трудов. М.-Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. Вып. 10, т. 3. С. 253-262.

2. Джалал Камали М. Лебедева Г. В. Идентификация параметров кинетической модели цитохромного bf комплекса. Тезисы докладов III Съезда биофизиков России. Воронеж, 2004, т. И. С.411-412.

3. М. Джалал Камали, Г.В. Лебедева*, О.В. Демин*, Н.Е. Беляева, Г.Ю. Ризниченко, А.Б.Рубин, Кинетическая модель цитохромного bf комплекса. Оценка кинетических параметров. Биофизика, 2004, том 49, № 6.

4. Прямое моделирование процессов взаимодействия пластоцианина с фотосистемой 1 в фотосинтетической мембране. Коваленко И.Б., Абатурова A.M., Джалал Камали М., Устинин Д.М., Ризниченко Г.Ю., Грачев Е.А., Рубин А.Б. Сб. научных трудов «Математика. Компьютер. Образование» 2004, Вып. 12, т.2, Изд. РХД, М-Ижевск

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, содержащих описание методов и результатов работы, выводов, списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Джалал Камали Махшид

Выводы

1. Разработана кинетическая модель работы цитохромного комплекса, представляющая собой систему дифференциальных уравнений для вероятностей состояний комплекса и учитывающая зависимость скоростей реакций от величины трансмембранного электрохимического потенциала.

2. Проведена идентификация параметров модели по экспериментальным данным с использованием нескольких процедур идентификации, оценены константы скоростей и константы равновесия реакций, не доступных прямому экспериментальному наблюдению. Согласно нашим оценкам, величина константы равновесия реакции переноса электрона от пластохинола QH2 на центр Риске составляет 180. Выполнены оценки равновесных значений концентрации протонов в люмене тилакоида (2.10* мМ, что соответствует рН 5.7) и трансмембраного электрического потенциала (120 мВ). Показано, что при наличии электрона на bh перенос электрона с центра Риске FeS на пластоцианин происходит более эффективно.

3. Детальное рассмотрение процессов в цитохромном комплексе позволило проанализировать особенности кинетической кривой восстановленного цитохрома Ь. Показано, что основной вклад в регистрируемый сигнал вносит состояние цитохромного комплекса Сб (с восстановленным bh и окисленными Ъ\ и FeS).

4. Выполнено сопряжение кинетической модели с прямой многочастичной моделью перемещения молекул пластоцианина в люминальном пространстве. Модель позволяет получить пространственные, кинетические и статистические характеристики системы.

Благодарности

Автор диссертации выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.ф.-м.н., профессору Г.Ю. Ризниченко за постановку интересной задачи, научное руководство и постоянное внимание при выполнении всех стадий данной работы.

Автор хотела бы выразить огромную признательность Г.В. Лебедевой за консультации, поддержку и помощь во время приведения работ и полезные обсуждения полученных результатов и благодарит И.Б. Коваленко и Д. М. Устинина за разработку прямой модели и помощь при подготовке диссертации.

Автор благодарит член-корр. РАН профессора А.Б. Рубину, заведующему кафедрой биофизики биологического факультета МГУ, за научное руководство и благодарит всех сотрудников кафедры биофизики биологического факультета МГУ.

Заключение

Фотосинтетическая энергопреобразующая мембрана представляет собой одну из наиболее изученных субклеточных систем. Изучена молекулярная структура компонентов, принимающих участие в процессах электронного транспорта, известны пространственные (геометрические) характеристики системы, с помощью спектрофотометрическх методов оценены константы скоростей отдельных окислительно-восстановительных реакций. Эти разнородные данные, полученные разными экспериментальными методами и на разных объектах, можно объединить в единую систему знаний с помощью компьютерной имитационной модели фотосинтетической мембраны. В настоящей работе построена и изучена субмодель такой обобщенной модели, описывающая процессы в цитохромном комплексе.

Цитохромный комплекс представляет собой один из ключевых элементов целостной энергопреобразующей системы - своеобразный «перекресток». Он осуществляет сопряжение процессов линейного транспорта электронов от второй к первой фотосистеме и циклического электронного транспорта вокруг фотосистемы 1, сопряжение процессов электронного и протонного транспорта у зеленых растений и сопряжение фотосинтетической и дыхательной цепей у циановых бактерий (сине-зеленых водорослей).

Идентификация параметров построенной в данной работе кинетической модели позволила на основе экспериментальных данных оценить значения констант скоростей отдельных реакций, в том числе реакций внутри цитохромного комплекса. Важной особенностью модели является учет зависимости параметров реакций от электрохимического потенциала на мембране. Наиболее электрогенными являются реакции переноса электрона внутри комплекса (между низко- и высокопотенциальным темами цитохрома Ь). Корректный учет этой зависимости возможен лишь в модели, учитывающей эту внутреннюю для цитохромного комплекса стадию переноса электрона.

Осуществлен первый этап работы по встраиванию субмодели цитохромного комплекса в прямую компьютерную имитационную модель процессов в фотосинтетической мембране. С помощью разработанной сотрудником кафедры биофизики Биологического факультета МГУ Д.М. Устининым программы вероятностная модель процессов в цитохромном комплексе сопряжена с моделью броуновского движения подвижных переносчиков - пластохинона в мембране и пластоцианина в люмене. Для построения системы уравнений вероятностной модели в соответствии со схемой возможных состояний цитохромного комплекса использована программа, разработанная дипломником каф. компьютерных методов в физике Физического факультета МГУ Виталием Мурашевым для описания процессов в мультиферментных комплексах. С помощью методики, разработанной сотрудником кафедры биофизики Биологического факультета МГУ И.Б.Коваленко получены кинетические кривые редокс превращений компонентов и визуальная картина процессов в системе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Джалал Камали Махшид, 2004 год

1. Albertsson, Р.-А. 2001. A quantitative model of the domain structure of the photosynthetic membrane. TRENDS in Plant Science 6: 349-354.

2. Allen, J. F. 2003. Cyclic, pseudocyclic and noncyclic photophosphorylation: new links in the chain. TRENDS in Plant Science 8: 15-19.

3. Bendall, D. S., and R. S. Manasse. 1995. Cyclic photophosphorylation and electron transport. Biochim. Biophys. Acta 1229: 23-38.

4. Berry, S., and B. Rumberg, eds. 1995. Photosynthesis: From Light to Biosphere. Kluwer, Dordrecht, The Netherlands.

5. Berry, S., and B. Rumberg. 1996. Biochim. Biophys. Acta. 1276: 51-59.

6. Berry, S., and B. Rumberg. 1999. Biochim. Biophys. Acta. 1410: 248-261.

7. Berry, S., and B. Rumberg. 2000. Kinetic modeling of the photosynthetic electron transport chain. Bioelectrochemistry 54: 35-53.

8. Blackwell, W. 1990. Biophys. J. 58: 1259-71.

9. Blackwell, M., C. Gibas, S. Gygax, D. Roman, and B. Wagner. 1994. The plastoquinone diffusion coefficient in chloroplasts and its mechanistic implications. Biochim. Biophys. Acta 1183: 533-543.

10. Bouges-Bocquet, B. 1981. Biochim. Biophys. Acta. 635: 327-340.

11. Buchanan, B. 2000. Biochemistry&molecular biology of plant.

12. Bulychev, A. A., and WimJ. 1999. Physiologia Plantarum. 105: 577-584.

13. Carrell, C. J., H. Zhang, W. A. Cramer, and J. L. Smith. 1997. Biological identity and diversity in photosynthesis and respiration: structure of the lumen-side domain of the chloroplast Rieske protein. Structure 5: 1613-25.

14. Carrell, C. J. 1999. Biochemistry 38: 9590.

15. Fernandes-Velasko, J. G., Jamshidi A., Gong X.-S., Zhou J., Ueng R.Y. J. 2001.

16. Hall, D. O., and К. K. Rao. 1994. Photosynthesis.

17. Hauska G., H. E., Gabellini N., Lockau W. 1983. Biochim. Biophys. Acta. 726: 97133.

18. Heimann, S., C. Klughammer, and U. Schreiber. 1998. FEBS Letters. 426: 126130.

19. Holzapfel, C., and R. Bauer. 1975. Computer simulation of primary photosynthetic reactions compared with experimental results on 02 - exchange and chlorophyll fluorescence of green plants. Z. Naturforsch. 30: 489-498.

20. Hope, А. В., L. Handley, and D. B. Mathews. 1985. Aust. J. Plant Physiol. 12.: 387-394.

21. Hope, А. В., J. Liggins, and D. B. Matthews. 1989. The kinetics of reactions in and near the cytochrome b/f complex of chloroplasts. Cytochrome b-563 reduction. Aust. J. Plant Physiol 16: 353-364.

22. Hope, A. B. 1993. The chloroplast cytochrome bf complex: a critical focus on function. Biochim. Biophys. Acta 1143: 1-22.

23. Hope, A. B. 2000. Electron transfers amongst cytochrome f, plastocyanin and photosystem I: kinetics and mechanisms. Biochim. Biophys. Acta 1456: 5-26.

24. Hosier, J. P., and C. F. Yocum. 1985. Biochim. Biophys. Acta 808: 21-31.

25. Hsu, B.-D. 1992. A theoretical study on the fluorescence induction curve of spinach thylakoids in the absence of DCMU. Biochim. Biophys. Acta 1140: 30-36.

26. Hsu, B.-D. 1993. Evidence for the contribution of the S-state transitions of oxygen evolution to the initial phase of fluorescence induction. Photosynth. Res. 36: 81-88.

27. Joliot, P., and A. Joliot. 1984. Biochim. Biophys. Acta. 765:210-226.

28. Joliot, P., J. Lavergne, and D. Beal. 1992. Plastoquinone compartmentation in chloroplasts. I. Evidence for domains with different rates of photo-reduction. Biochim. Biophys. Acta 1101: 1-12.

29. Jones, R. W., and J. Whitmarsh. 1988. Biochim. Biophys. Acta. 933: 258-268.

30. Jordan, P., P. Fromme, O. Klukas, H. T. Witt, W. Saenger, and N. Krauss. 2001. Nature 411: 909-917.

31. Kaant, A., S. Young, and D. S. Bendall. 1996. The role of acidic residues of plastocyanin in its interaction with cytochrome f. Biochim. Biophys. Acta 1277: 115-126.

32. Kirchhoff, H., S. Horstmann, and E. Weis. 2000. Control of the photosynthetic electron transport by PQ diffusion microdomains in thylakoids of higher plants. Biochim. Biophys. Acta 1459: 148-168.

33. Kobayashi, Y., S. Neimanis, and U. Heber. 1995. Plant Cell Physiol. 36: 16131620.

34. Kramer, D. M., and A. R. Crofts. 1993. Biochim. Biophys. Acta. 1183: 72-84.

35. Malik, M., G. Y. Riznichenko, and A. B. Rubin. 1990. Biological electron transport processes. Their mathematical modeling and computer simulation. Academia, Horwood, Praha, London.

36. Malkin, S. 1971. Fluorescence induction studies in isolated chloroplast. On the electron-transfer equilibrium in the pool of electron acceptors of photosystem II. Biochim. Biophys. Acta 234: 425-427.

37. Aust. J. Plant Physiol. 26: 709-716. Metzger, S. U., W. A. Cramer, and J. Whitmarsh. 1996. Biochim. Biophys. Acta. 1319: 233-241.

38. Ort, D. R., and C. F. Yocum. 1996. Oxygenic Photosynthesis:The Light Reactions. Pearson, D. C., Jr., and E. L. Gross. 1998. Brownian Dynamics Study of the interaction between plastocyanin and cytochrome f. Biophysical Journal 75: 2698-2711.

39. XI International Congress on Photosynthesis, Budapest, Hungary. Sackstede, C. A. 2000. Photosynthesis Research. 66: 145-158. Sacksteder C.A., Kanazawa A., Jacoby M.E., Kramer D.M. 2000. PNAS. V. 97. P. 14283-14288

40. Scheller, H. V. 1996. In vitro cyclic electron transport in barley thylakoids followstwo independent pathways. Plant Physiol. 110: 187-194. Sainz, G. 2000. Biochemistry 39: 9164. Semenov, A. Y. 1993. FEBSLett. 321: 1-5.

41. Setif, P. 2001. Ferredoxin and flavodoxin reduction by photosystem I. Biochim.

42. Biophys. Acta 1507: 161-179. Shahak, Y., D. Crowther, and G. Hind. 1981. Biochim. Biophys. Acta 636: 234243.

43. Trissl, H.-W., Y. Gao, and K. Wulf. 1993. Theoretical fluorescence induction curves derived from coupled differential equations describing the primaryphotochemistry of photosystem II by an exciton-radical pair equilibrium. Biophys. J. 64: 974-988.

44. Ubbink, M., M. Ejdebeck, B. G. Karlsson, and D. S. Bendall. 1998. The structure of the complex of plastocyanin and cytochrome f, determined by paramagnetic NMR and restrained rigid-body molecular dynamics. Structure 6: 323-335.

45. Ullmann, G. M., E.-W. Knapp, and N. M. Kostic. 1997. Computational simulation and analysis of dynamic association between plastocyanin and cytochrome f. Consequences for the electron-transfer reaction. J. Am. Chem. Soc. 119: 4252.

46. Van Kooten, O., J. F. H. Snel, and W. J. Vredenberg. 1986. Photosynth. Res. 9: 211-227.

47. Voltz, E., and B. Rumberg, eds. 1990. Current Research in Photosynthesis. Kluwer, Dordrecht, The Netherlands.

48. Whitelegge, J. P., H. Zhang, R. Taylor, and W. A. Cramer. 2002. Mol. Cell. Proteomics 1: 816.

49. Wikstrom, M., Krab K. 1986. Bioeng. Biomembr 18: 181-193.

50. Witt, H. 1975. Biochim. Biophys. Acta. 505: 355-427.

51. Zhang.H, K. G., Shmith.L,Cramer. W. A. 2003. Pages 5160. Natl.Acad.Sci., U.S.A.

52. Дёмин О. В., X. В. Вестерхофф., Б .Н. Холоденко. 1998. Математическое моделирование процессов генерации супероксида bcj комплексом митохондрий. Биохимия. Т. 63. С. 755.

53. Шинкарев, В. П., и П. С. Венедиктов. 1977. Вероятностное описание процессов транспорта электронов в комплексах молекул-переносчиков. Биофизика 22: 413-418.