Обобщенная модель первичных процессов фотосинтеза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Беляева, Наталья Евгеньевна

• Беляева, Наталья Евгеньевна
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Беляева, Наталья Евгеньевна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы. Механизмы первичных процессов фотосинтеза в хлоропластах и их математические модели.

Введение.

1.1. Конкуренция процессов захвата и потерь световой энергии в антеннах фотосистем.

1.1.1. Миграция энергии в антенных комплексах и фотохимический захват в РЦ фотосистем 1,2.

1.1.2. Флуоресценция в антенных комплексах фотосистем 1 и 2. Индукция флуоресценции.

1.1.3. Концепция энергетических пулов Батлера

1.2. Стабилизация разделения зарядов в РЦ фотосистемы 2.

1.2.1. Модель обратимой радикальной пары (ОРП) Шатца.

1.2.2. О применимости термодинамических представлений в модели ОРП.'. . . L.

1.2.3. Учет воздействия электрического поля в модели ОРГ7.

1.2.4. Результаты применения модели ОРП.

1.2.5. Область применения модели ОРП.

1.2.6. Значение модели ОРП и выводы.

1.3. Акцепторная и донорная сторона ФС2.

I 1.3.1. Энергетика переноса электронов.

1.3.2. Экспериментальное определение редокс-потенциалов первичных акцепторов ФС 2.

1.3.2.1. Физиологическое значение различий редокс-форм акцепторов электронов

1.3.2.2. Достоверность численных оценок редокс- потенциалов.

1.3.3. Вторичный акцептор электронов ФС2.

1.3.4. Особенности переноса электронов в ФС 2.

1.3.5. Модель двухэлектронных ворот ФС2. Объединение с моделью ОРП.

1.3.6. Математические модели донорных и акцепторных процессов ФС2.

1.3.6.1. Модель, учитывающая процессы КВК.

1.3.6.2. Модель, учитывающая изменение выхода рекомбинации радикальной пары в закрытых РЦ.

1.3.6.3. Модель, учитывающая процессы КВК и рекомбинации радикальной пары в закрытых РЦ.

1.3.7. Выводы о результатах моделирования процессов ФС 2.

1.4. Молекулярные комплексы тилакоидной мембраны - b6f комплекс и фотосистема 1 (ФС1).

1.4.1 .Механизмы переноса электронов и модели цитохромного bf комплекса.

1.4.2. Модели фотосистемы 1 (ФС1) и подвижные переносчики электронов. Циклический транспорт электронов.

1.5. Модели процессов в компартментах тилакоида.

1.5.1. Модель, связывающая световые и темновые процессы фотосинтеза.

1.5.2. Модель, учитывающая протонный транспорт в тилакоидах. . 40 1.5.4. Выводы к пунктам 1.4. и 1.5.

1.6. Электрохимический потенциал мембраны тилакоида.

1.6.1. Электрический потенциал мембраны тилакоида и потоки ионов.

1.6.2. Модель потоков ионов через тилакоидную мембрану Ван Кутена.

1.6.3. рН и буферные системы стромы и люмена.

1.6.4. Составляющие электрохимического потенциала А/лн+

1.6.5. F0F, АТФ синтаза тилакоидной мембраны.

1.6.6. Вывод к пункту 1.6.

1.7. Вывод ко всему лит обзору.

1.8. Постановка задачи создания обобщенной модели первичных процессов фотосинтеза.

Глава 2.Общие теоретические принципы создания модели первичных процессов фотосинтеза.

2.1. Компартментальная схема тилакоида.

2.2. Кинетические механизмы функционирования первичных процессов фотосинтеза.

2.2.1 Описание функционирования мультиферментного комплекса.

2.2.2. Описание функционирования подвижных переносчиков.

2.2.3. Баланс зарядов и электрохимический потенциал в модели тилакоида.

2.3. Способы задания скоростей реакций.

2.3.1 .Константы скоростей и константы равновесия реакций.

2.3.2. Применимость термодинамических представлений в кинетической модели.

2.3.3. Зависимость параметров реакций переноса заряда через мембрану тилакоида от потенциала.

2.3.4. Оценка эффективного сечения поглощения антенных комплексов.

2.4. Модель тилакоида, принципы формирования и отладка блоков модели.

2.4.1. Выбор экспериментальных результатов для отладки модели тилакоида.

2.4.2. Проблемы компьютерной обработки модели тилакоида.

ГлаваЗ. Модель изолированной фотосистемы 2 (ФС2).

3.1. Экспериментальное обоснование структуры модели.

3.1.1. Кинетические и термодинамические характеристики ФС2.

3.1.2. Постановка задачи моделирования ФС2.

3.2. Формулировка модели. (Полная схема и система уравнений).

3.2.1 .„Набор состояний переносчиков ФС2.

3.2.2. Последовательность процессов ФС2.

3.2.3. Математическое описание процессов ФС2.

3.2.4. Учет воздействия потенциала при формировании констант реакций трансмембранного переноса электрона в модели ФС2.

3.2.5. Пулы состояний переносчиков ФС2.

3.2.6. Особенности компьютерного эксперимента для модели ФС 2.

3.3. Результаты расчетов в модели изолированной ФС2. Процессы на донорной и акцепторной сторонах ФС2.

3.3.1. Влияние интенсивности света на быструю фазу ИФ.

3.3.1.1. Изменения выхода флуоресценции

3.3.1.2. Величина выхода флуоресценции на стадиях ИФ при увеличении интенсивности света.

3.3.1.3. Постановка задач для анализа результатов моделирования.

3.3.1.4. Изменение во времени концентраций редокс- форм и степени восстановленности первичного хинонного акцептора.

3.3.2. Моделирование влияния реагентов на донорной и акцепторной сторонах ФС2.

3.3.2.1. Действие диурона на быструю фазу ИФ.

3.3.2.2. Влияние параметров пула подвижных хинонов на быструю фазу ИФ.

3.3.2.3. Моделирование воздействия на КВК. Гидроксиламин. Ограничение допирования электрона от КВК в ФС2.

3.3.2.4. Влияние рН стромы и люмена на быструю фазу ИФ.

3.4. Результаты расчетов в модели изолированной ФС2. Моделирование влияния электрического потенциала на процессы ФС2.

3.4.1. Быстрая фаза ИФ при изменении потенциала.

3.4.1.1. J-1-уровни ИФ при увеличении потенциала. Сравнение с экспериментом.

3.4.1.2. Воздействие потенциала на кинетику редокс-компонент на J-I-уровнях быстрой ИФ в модели ФС2.

3.4.2. Моделирование влияния потенциала на стационарные значения флуоресценции ФС2. Сравнение с экспериментом.

3.4.2.1. Влияние потенциала в условиях средней степени восстановленное™ РЦ ФС2.

3.4.2.2. Влияние потенциала в условиях высокой и низкой степени восстановленное™ РЦ.

3.4.3. Воздействие потенциала на стационарные величины концентраций редокс- состояний в модели ФС2.

3.4.4. Воздействие потенциала на пул рекомбинирующей радикальной пары (РРП).

3.4.5. Воздействие потенциала на потоки электронов в ФС2.

Глава 4. Модель первичных процессов фотосинтеза в хлоропластах (модель тилакоида).

4.0. Постановка задачи разработки обобщенной модели тилакоида.

4.1. Переход от модели ФС2 к модели тилакоида.

4.1.1. Светоиндуцированный потенциал в модели ФС2.

4.1.2. Результаты моделирования процессов ФС2 с учетом потоков ионов.

4.1.3. Моделирование процессов переноса электронов в цитохромном Ьб f комплексе.

4.1.3.1. Экспериментальное обоснование структуры модели b6 f комплекса.

4.1.3.2. Формулировка модели b6 f комплекса.

4.1.3.3. Цели моделирования процессов в цитохромном b6 f комплексе.

4.1.4. Кинетические вклады блоков модели ФС2+потенциал+(АТФ-аза) +( Ьб f комплекс) в энергизацию тилакоидной мембраны.

4.1.4.1. Электрический потенциал.

4.1.4.2. Электрохимический потенциал протонов.

4.1.4.3. Вклады процессов переноса зарядов в формирование

4.1.5. Моделирование процессов ФС1.

4.1.6. Модель потоковых процессов в тилакоиде в темноте.

4.1.7. Выводы о результатах моделирования первичных процессов в блоках мультиферментных комплексов.

4.2. Моделирование первичных процессов фотосинтеза в обобщенной модели тилакоида.

4.2.1. Формулировка модели тилакоида.

4.2.2. Моделирование индукции флуоресценции в модели тилакоида.

4.2.3. ИФ и концентрации редокс- форм, рассчитанные в обобщенной модели при различных интенсивностях света.

4.2.3.1 Динамика заполнения редокс- состояний компонент

ЭТЦ при низких световых интенсивностях.

4.2.3.2 Динамика заполнения редокс- состояний компонент

ЭТЦ при высоких световых интенсивностях.

4.2.3.3 Кинетические компоненты ИФ при увеличении интенсивности освещения.

4.2.4. Моделирование электрохимического потенциала тилакоидной мембраны в модели тилакоида.

4.2.4.1 Светоиндуцированный электрический потенциал.

4.2.4.2 Моделирование светоиндуцированного А]йн+.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обобщенная модель первичных процессов фотосинтеза»

Актуальность. Первичные процессы фотосинтеза включают сопряженные стадии преобразования энергии, протекающие в компартментах, которые образованы тилакоидными мембранами хлоропластов. Механизмы отдельных стадий достаточно подробно изучены экспериментально и теоретически. Вместе с тем, существует проблема регуляции целостной системы первичных процессов фотосинтеза, решение которой должно быть основано на совокупности данных о механизмах отдельных стадий процессов, протекающих в системе.

При изучении фотосинтезирующих объектов имеется возможность количественно регистрировать светоиндуцированные кинетические зависимости, характеризующие перенос электронов и выражающиеся в явлениях индукции флуоресценции (ИФ), генерации А/3/у+ . Известно, что возбужденные состояния хлорофилла фотосистемы 2 (ФС2) вносят основной вклад в регистрируемую флуоресценцию. Особенности процессов ИФ, генерации А/лн + обусловлены совокупным взаимодействием всех стадий переноса электронов в ФС2, ФС1, цитохромном 66/ комплексе, и сопряженными процессами переноса протонов и других ионов в компартментах тилакоида. Для теоретического анализа результата взаимодействия этих процессов и их влияния на форму кривой ИФ, регистрируемой в эксперименте, используются методы математического моделирования.

Большинство имеющихся в литературе моделей, описывающих быструю фазу ИФ (подъем от начального до максимального уровня), подробно рассматривают процессы в фотосистеме 2. Тем не менее, эти модели способны описать только некоторые особенности изменения флуоресценции, регистрируемые в эксперименте при действии диурона (Trissl el а/. 1993), при высокой (Stirbet et al. 1998), при низкой (Baake, Shloeder 1992) световых интенсивностях на интервале времени от 0 до 0.5 с. Модели, которые можно назвать обобщенными, не детализируют процессы в пределах одного комплекса, а рассматривают перенос электрона между ФС2 и ФС1. Это позволяет описать кинетику ИФ, а также анализировать влияние цикла Кальвина на ход индукции флуоресценции на временах больше секунды (Караваев, Кукушкин 1993). Известны также работы по моделированию светоиндуцированных потоков протонов и ионов, позволяющие описать кинетику формирования АЧ* (Van Kooten el ей. 1986), либо АрН (Вершубский и др. 2003) либо А/лн+ (Cruz et al. 2001).

В настоящей работе мы исходили из того, что полное кинетическое описание начальных стадий фотосинтеза возможно лишь в рамках единой модели, описывающей перенос электронов, процессы трансмембранного переноса ионов и генерацию светоиндуцированного А]2Н+ .

Цели и задачи исследования. Основная цель работы - разработать комплексную модель кинетики первичных процессов фотосинтеза для описания индукционных явлений флуоресценции и генерации AfiH+, наблюдаемых экспериментально. Для достижения этой цели решались задачи:

1) Дать полное описание процессов переноса электрона в ФС2, ФС1, цитохромном b(J' комплексе и процессов сопряженного трансмембранного переноса протонов и противоионов, синтеза-гидролиза АТФ в комплексе АТФ синтазы с учетом буферных свойств люмена и стромы. Проверить адекватность полной модели по ее соответствию кинетическому ходу экспериментальных кривых ИФ как на малых (микросекунды), так и на более длительных (секунды) временах при различных световых интенсивностях.

2) В рамках единой модели учесть процессы ИФ, формирования А/лн+, включив в модель в явном виде генерацию AVF и АрН и их влияние на реакции переноса заряда.

3) Дать описание полного цикла функционирования ФС2, рассмотрев процессы разделения зарядов, стабилизации электрона и переноса его в пул хинонов. Определить временную область и диапазон световых интенсивностей, в которых применима модель изолированной ФС2.

Научная новизна. На основе детального рассмотрения механизмов первичных процессов, протекающих в компартментах хлоропластов и участвующих в создании Д/7Л/+ , разработана обобщенная модель первичных процессов фотосинтеза. Дано количественное описание семейства кривых индукции флуоресценции и процессов генерации А]йИ+, наблюдаемых при действии света от низких до высоких интенсивностей. Найдены значения констант переноса зарядов, которые не могут быть определены в прямых экспериментальных измерениях. Результаты расчетов в модели выявляют вклады отдельных стадий в ИФ при разных интенсивностях света, роль ФС2 при высоких иптенсивностях, цитохромного комплекса, ФС1, AVF и переноса ионов при низких. Определены количественные параметры влияния ДЧ'на кинетику ИФ. Путем анализа модели характерным стадиям кинетических кривых ИФ удается сопоставить соответствующие кинетики редокс-состояний в процессе переноса электрона, генерации трансмембранных потоков ионов, образования Л47 и АрН.

Практическая значимость. Результаты анализа обобщенной модели позволяют проводить определение констант отдельных стадий переноса электронов и ионов, протекающих в конкретных экспериментальных условиях при воздействии света различной интенсивности и под влиянием ингибиторов. Модель позволяет выявить отдельные стадии фотосинтетических процессов, которые чувствительны к модификациям условий среды (интенсивное освещение, голодание, вредные экологические воздействия). Модель тилакоида может быть использована для преподавания по курсам «Фотосинтез» и «Математическое моделирование в биологии».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы представлены на IV Съезде Общества физиологов растений России (Москва, 1999); на 2-м Съезде биофизиков России (Москва, 1999); на 3-м Съезде фотобиологов России (Воронеж, 2001); на 8-10 конференциях «Математика. Компьютер. Образование.» (Пущино, 2001,2003, Дубна 2002); на конференции «Первичные процессы фотосинтеза» (Пущино, 2003). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, главы 1 - обзора литературы, главы 2 - описания модели, глав 3,4- описания и обсуждения результатов моделирования, выводов, приложений 1 и 2, списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Беляева, Наталья Евгеньевна

ВЫВОДЫ.

1. Разработана обобщенная модель первичных процессов фотосинтеза (модель тилакоида), которая включает процессы переноса зарядов в ФС2, ФС1, цитохромном Ь6 f комплексе, подвижными переносчиками, трансмембранный перенос ионов и протонов в АТФ синтазе, а также зависимость процессов переноса зарядов от трансмембранного ДТ.

2. Результаты анализа обобщенной модели позволяют проводить определение констант отдельных стадий переноса электронов и ионов, протекающих в конкретных экспериментальных условиях при воздействии света различной интенсивности и под влиянием ингибиторов.

3. Показано, что динамика накопления флуоресцирующих состояний определяется интенсивностью света (низкая, средняя, высокая), при которой получены кривые ИФ.

3.1. При высоких интенсивностях света характер изменения выхода флуоресценции на O-J-I-P-стадиях ИФ определяется главным образом переносом электрона на акцепторной стороне ФС2.

3.2. При низких интенсивностях света кинетика изменения флуоресценции на О-1-Р-стадиях ИФ определяется уже совокупностью процессов переноса с участием ФС2, Ь6 f комплекса, ФС1 и циклического транспорта, а, следовательно, может быть описана только в обобщенной модели.

4. Как показано в модели ФС2, влияние Д^Р тилакоидной мембраны (в люмене Д*Р>0) приводит к замедлению роста флуоресценции на J-I-стадиях ИФ, что обусловлено торможением переноса электрона на первичный хинонный акцептор QA. В тех же условиях увеличение амплитуды главного максимума на Р-уровне ИФ вызвано усилением степени обратимости реакции разделения зарядов в закрытых РЦ.

5. На временах в диапазоне от микросекунд до 10 секунд анализ обобщенной модели позволил представить в явном виде изменения во времени редокс состояний переносчиков электронов, образования ДТ и рН, трансмембранных потоков ионов, которые сопровождают изменения флуоресценции в процессе ИФ.

Заключение и общие выводы.

На основании данных о механизмах фотосинтетических процессов реализовано количественное описание переходов между редокс состояниями мультиферментных комплексов, их взаимодействий с подвижными переносчиками, переноса протонов и других ионов через мембрану тилакоида, а также влияния электрического трансмембранного потенциала ДТ на трансмембранный перенос заряда. Теоретические результаты анализа модели тилакоида и моделей отдельных блоков соответствуют экспериментальным данным, полученным под действием света различной интенсивности, в условиях воздействия потенциала ДТ, рН , а также при действии ингибиторов и модификации условий среды. Теоретический анализ регистрируемых в конкретных условиях эксперимента кривых ИФ, образования AjuH + , а также светоиндуцированных изменений редокс состояний компонентов ЭТЦ позволяет найти значения констант отдельных стадий переноса электронов и ионов. В том числе могут быть определены константы реакций, которые не поддаются прямому экспериментальному определению. Анализ обобщенной модели позволяет в явном виде представить зависимости во времени различных процессов, сопровождающих индукцию флуоресценции: кинетику редокс состояний переносчиков электронов, образования ДТ и рН, трансмембранных потоков ионов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Беляева, Наталья Евгеньевна, 2004 год

1. Auslander W., Junge W. BBA (1974) 357: 285-298.

2. Baake E., Shloeder J.P. Bull. Math. Biol. 1992. V.54. P.999-1021. Modelling the fast fluorescence rise of photosynthesis.

3. В end all D.S., Manasse R.S., BBA (1995) 1229 23-28. Cyclic photophosphorylation and electron transport.

4. Bernhardt K. Trissl H-W. BBA (1999) 1409, 125-142. Theories for kinetics and yield of fluorescence and photochemistry: how, if at all, can different models.

5. Berry S., Rumberg В. BBA. (1996) 1276, 51-56 НЛАТР ratio at the unmodulated CF0CF,-ATP synthase determined by proton flux measurements.

6. Berry S., Rumberg B. Bioelectrochemistry 2000, 53, 35-53. Kinetic modeling of the photosynthetic electron transport chain.

7. Boork J.,BBA (1984) 767, 314-320 .

8. Bouge-Bouquet B. //Biochim. Biophys. Acta. 1977. V. 462. P.371-379.

9. Bouge-Bouquet В. II Biochim. Biophys. Acta. 1981. V. 635. P.327-340.

10. Bowes J.M., Crofts A.R. BBA (1980) 590 373-384 Binary oscillations in the rate of the reoxidation of the primary acceptor of photosystem II.

11. Boyer P.D. BBA (1993) 1140 215-250.

12. Brettel K. Biochim. Biophys. Acta. 1997. V. 1318. P.322-373. Electron transfer and arrangement of the redox cofactors in photosystem I.

13. Breyton C. BBA (2000) 1459 467-474. The cytochrome 6,5/complex: structural studies and comparison with the b\c complex.

14. Britt R.D. in Advances in photosynthesis. V.4. Oxygenic photosynthesis: the light reactions. Ed. by D.R. Ort and C.F. Yocum. 1996. Oxygen evolution.

15. Biochemistry & Molecular Biology of Plants, B. Buchanan, W. Gruissem, R. Jones, Eds. ©2000, American Society of Plant Physiologists.

16. Brown G.C., Brand M.D. (1986) Biochem. J., 234, 75-81.

17. Bulychev A.A., Vredenberg W.J. BBA (1976) 423 548-556. The effect of cations and membrane permeability modifying agents on the dark kinetics of the photoelectric response in isolated chloroplasts.

18. Bulychev A.A., Vredenberg W.J. Physiologia plantarum (1999) 105, 577-584. Light-triggered electrical events in the thylakoid membrane of plant chloroplast.

19. Bulychev A.A., Vredenberg W.J. Bioelectrochemistry 54 (2001) 157-168 Modulation of photosystem II chlorophyll fluorescence by electrogenic events generated by photosystem I.

20. ButlerW.L., Strasser R.J. Proc.Natl.Acad.Sci. USA 1977, 74, 3382-3385.

21. Cleland R.E., Bendall B.S. Photosynth. Res. 1992, 34, 409-418. Photosystem I cyclic electron transport. Measurement of ferredoxin-plastoquinone reductase activity.23