Альтернативные пути электронного транспорта в хлоропластах высших растений

На правах рукописиКУВЫКИН ИЛЬЯ ВЯЧЕСЛАВОВИЧАЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ПУТИ ЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТАВ ХЛОРОПЛАСТАХ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙСпециальность 03.00.02 – биофизика03.00.16 – экологияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009 г.Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорТихонов Александр НиколаевичОфициальные оппоненты:доктор биологических наукИванов Борис Николаевичдоктор физико-математических наук, профессорКараваев Владимир АлександровичВедущая организация:Институт химической физикиим.

Н.Н. Семенова РАНЗащита состоится «17» декабря 2009 г. в 15:00 ч.на заседании диссертационного совета Д 501.002.11 при Московскомгосударственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: Москва,Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет,аудитория5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУим.

М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан«_____» ноября 2009 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.11доктор физико-математических наукХомутов Г.Б.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыФотосинтез играет исключительно важную роль в круговороте веществ иэнергии в биосфере. Изучение механизмов регуляции электронного и протонноготранспортаиальтернативныхпутейпереносаэлектроноввклеткахфотосинтезирующих бактерий, водорослей и в хлоропластах высших растений –актуальная задача биофизики фотосинтеза.

Известно, что в фотосинтетическихсистемах оксигенного типа кроме основной цепи переноса электронов от воды кNADP+ (нециклический электронный транспорт) могут функционировать цепициклического переноса электронов вокруг фотосистемы 1 (ФС1).

В том случае,когда конечным акцептором электрона в ФС1 является не NADP+, а молекулярныйкислород (который в конечном итоге восстанавливается до воды), работает цепьпсевдоциклического транспорта электронов (цикл «вода-вода»: Н2О → ФС2 →ФС1 → О2 → Н2О). Существование разных путей электронного транспортаобеспечивает условия для оптимальной работы фотосинтетического аппарата.Перенос электронов по циклической и псевдоциклической цепям электронноготранспорта, который не приводит к восстановлению NADP+, сопряжен сгенерацией трансмембранной разности электрохимических потенциалов ионовводорода, необходимой для работы АТР-синтазных комплексов. Благодаря этомуобеспечивается стехиометрическое отношение ATP/NADPH = 3:2, необходимоедляоптимальногофункционированияциклаКальвина.Такимобразом,альтернативные пути переноса электронов могут оказывать существенное влияниена кинетику световых и темновых стадий фотосинтеза в фотосинтетическихсистемах оксигенного типа.

Математическое моделирование электронного ипротонного транспорта в хлоропластах высших растений может играть важнуюроль в анализе механизмов регуляции световых и темновых стадий фотосинтеза.Цель и задачи исследованияЦелью данной диссертационной работы является изучение альтернативныхпутей электронного транспорта в хлоропластах.В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе былиопределены следующие задачи:31) исследовать методами ЭПР-спектроскопии и РАМ-флуориметрии влияниекислорода на кинетику электронного транспорта в хлоропластах in situ;2) для оценки вклада альтернативных путей переноса электронов врегуляцию электронного транспорта в хлоропластах разработать обобщеннуюматематическую модель, учитывающую процессы рН-зависимой диссипацииэнергии возбуждения в ФС2 и активации реакций цикла Кальвина.Научная новизна и практическая значимость работы1.

Разработана математическая модель электронного и протонного транспорта вхлоропластах, учитывающая перенос электронов на кислород, активациюреакций цикла Кальвина и рН-зависимую диссипацию энергии в ФС2.2. С помощью математической модели проанализирован вклад различныхфакторов в появление многофазной кинетики фотоиндуцированных редокс+превращений P700в хлоропластах.3.

Методами ЭПР-спектроскопии и РАМ-флуориметрии показано, что наличиекислорода (альтернативного акцептора электронов) в атмосфере позволяетподдерживать электронный транспорт на относительно высоком уровне дажепри невысоких концентрациях CO2 (< 350 ppm).4. Анализэкспериментальныхданныхврамкахматематическоймоделиэлектронного транспорта показал, что в листьях китайской розы стационарныйпоток электронов на кислород достигает ≈ 40 % от общего потока электронов,протекающих через ФС1.Представленные в диссертации экспериментальные данные могут бытьиспользованыдляколичественногоанализарегуляциисветовыхстадийфотосинтеза и оценки влияния экологических факторов (содержание СО2 и О2 ватмосфере) на работу фотосинтетического аппарата в хлоропластах высшихрастений.Апробация работы и публикацииОсновныерезультатыдиссертационнойработыпредставленынаМеждународной конференции «Ломоносов-2006», секция «Физика» (Москва), наVI Международной молодежной конференции «Биохимическая физика» ИБХФ4РАН-ВУЗы 2006 (Москва), на XIV Международной научной конференциистудентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2007», секция «Физика»(Москва), на VII Международной молодежной конференции «Биохимическаяфизика» ИБХФ РАН-ВУЗы 2007 (Москва), Vth Meeting of Russian Society forPhotobiology and the International Conference “Light Energy Conversion inPhotosynthesis” (Pushchino, 2008), на XIX Пущинских чтений по фотосинтезу иВсероссийской конференции «Фотохимия хлорофилла в модельных и природныхсистемах» (Пущино, 2009).По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ,включая 3 статьи в журналах из списка ВАК.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов,списка литературы и приложения.

Общий объем работы составляет ___ стр. текста,включая ___ рис. и список литературы, содержащий ___ наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведениеВо введении рассмотрена актуальность темы диссертационной работы,сформулирована цель работы и определены основные задачи исследования.Глава 1. Обзор литературыВ первом разделе Главы 1 даны краткие сведения о фотосинтезе. Вследующем разделе рассмотрено строение хлоропластов и цианобактерий. Третийраздел содержит описание цепи электронного транспорта в фотосинтетическихсистемахоксигенноготипа,рассмотренасхемарасположенияэлектрон-транспортных комплексов (ФС1, ФС2 и b6f-комплекс) и их взаимодействие втилакоидной мембране.

Обсуждаются альтернативные пути переноса электронов.Рассчитывается стехиометрия переноса электронов, протонов и синтеза ATP.Четвёртый раздел Главы 1 посвящен регуляции фотосинтеза в хлоропластах.Рассмотрены такие механизмы регуляции, как явление фотосинтетическогоконтроля, нефотохимическая диссипация энергии в ФС2, фосфорилирование5ферментов цикла Кальвина и ATP-синтазы, редокс-регуляция фотосинтетическихферментов.В пятом разделе описан псевдоциклический транспорт электронов и влияниесостава газовой атмосферы на кинетику фотосинтетического электронноготранспорта, рассмотрены процессы фотодыхания.Шестой раздел посвящён описанию основ метода РАМ-флуориметрии,который широко используются для изучения процессов регуляции переносаэлектронов в фотосинтезирующих объектах.Вседьмомразделекраткорассмотренытеоретическиеработыпоматематическому моделированию электронного транспорта в фотосинтетическихсистемах, которые наиболее близки к теме настоящей диссертационной работы.Глава 2.

Материалы и методыГлава 2 посвящена описанию материалов и методов, использованных вдиссертационной работе. Объектами служили листья китайской розы (Hibiscusrosa-sinensis). Кинетику фотосинтетического транспорта электронов изучали по+фотоиндуцированным изменениям сигнала ЭПР I от P700– окисленного первичногодонораэлектронаФС1.Скоростьэлектронноготранспортаипроцессынефотохимического тушения флуоресценции в ФС2 изучали методом PAMфлуориметрии.Для анализа экспериментальных данных была расширена математическаямодель электронного и протонного транспорта в хлоропластах, первоначальныйвариант которой был разработан Вершубским, Приклонским, Фроловым иТихоновым. Обобщенная модель включает в себя описание альтернативных путейэлектронного транспорта, рН-зависимые процессы нефотохимического тушениявозбуждения в ФС2 и активации реакций цикла Кальвина.6J cellцитоплазмаA DP +PikC C+стромаJH+AT PHcyt+HoCC+Hiлюмен_kF N {FNR}NADPkFOH+СтромаAT PA D P +PiJp a sР680H+H+kH 2 OH 2OkP 6 8 0kFQ{FQR}QQ H2kQkP 7 0 0Р700bfkQ2 H+1 /2 O 2 + 2 H +O2F dkN Q{NDH-1}2 H+тилакоиднаямембранаDkN -kNHJAT PkR CNADP+NADPHP c /C 6kP cbdaakO X 1Внутритилакоидное пространствоkO X 2O2O2Рис.

1. Цепь электронного транспорта и пути трансмембранного переноса протонов(на врезке), рассматриваемые в модели.Схема описываемых в модели процессов показана на рис. 1. Эта схемавключает в себя цепь переноса электронов, а также реакции трансмембранногопереноса протонов. В качестве переменных выбраны концентрации окисленных+переносчиков электронов: [ P700] – концентрация окисленных центров Р700+(первичный донор электронов в ФС1), [ P680] – концентрация окисленных центровР680 (первичный донор электронов в ФС2), [Pc] – концентрация окисленныхпереносчиков,являющихсянепосредственнымидонорамиэлектроновдляокисленных центров Р700 (пластоцианин и/или цитохром с6), [Q] – концентрацияокисленного пластохинона, [Fd+] – концентрация окисленного ферредоксина, [N+]– концентрация терминального акцептора ФС1 – NADP+, [NH] – концентрацияпротонированной формы NADPH, [О2] – концентрация кислорода в среде.Переменная [ATP] описывает изменения концентрации ATP.

[ H i+ ] – концентрацияпротонов во внутритилакоидном пространстве, [ H o+ ] – концентрация протонов встроме.7Для описания процессов электронного и протонного транспорта вхлоропластах использовали следующую систему дифференциальных уравнений:d [ATP]= ω1 ([A d N]0 − [ATP] )J ATP (t ) − ω 2 kCC ([NH ], [ATP ])dtd [NH ]= k NH [ H o+ ]([ N ] 0 − [ N + ] − [NH ]) − k N − [NH ] − k NQ [ H o+ ][Q][NH] − kCC ([NH ], [ATP ])dtd [N + ]= kCC ([NH], [ATP]) − [N + ] 0.5k FN [Fd]0 − [Fd + ] + k RC + k NQ [ H o+ ][Q][NH]dt{()}d [Fd + ]+= k FQ [ H o+ ][Q] + k FN [N + ] + k FO [O 2 ] [Fd]0 − [Fd + ] − L1 k P 700 [Fd + ] [P700 ]0 − [P700]dt{}()({())}d [O 2 ]+= 0.25k H 2O [P680] − 0.5[O 2 ] kOX 1 ([Q]0 − [Q]) + kOX 2 ([Pc]0 − [Pc]) + k FO [Fd]0 − [Fd + ]dt+d [P680]++= L2 k H o [ H o+ ][Q] [P680 ]0 − [P680] − k H 2 O [P680]dt()+]d [P700++= L1 k P 700 [Fd + ] [P700 ]0 − [P700] − k Pc [P700]([Pc]0 − [Pc])dt()d [Pc]+= k OX 2 ([Pc] 0 − [Pc])[O 2 ] + k Pc [ P700]([Pc] 0 − [Pc]) − 2σ bf k Q ([Q], [Pc], [ H i+ ])dtd [Q]= 0.5σ bf k Q ([Q],[Pc],[ H i+ ]) + 0.5kOX1 ([Q]0 − [Q])[O 2 ] −dt+− [Q][ H o+ ] k NQ [NH] + 0.5k FQ [Fd]0 − [Fd + ] + 0.5 L2 k P 680 [P680 ]0 − [P680]{()({()})()}+[Q][ H o+ ] k NQ [NH] + k FQ [Fd]0 − [Fd + ] + L2 k P 680 [P680 ]0 − [P680] dH o+K o Bo2 +++ [][]1+=−+k[H]([N]−[N]−NH)−kNH+k[O][Fd]−[Fd]0− NH oFO20+ 2Nlo  ( K o + [H o ])  dt+ kCC ([NH ], [ATP]) + J cell (t ) − J pas (t ) − ([A d N]0 − [ATP])J ATP (t ) ( d [H i+ ] 2K i Bi+1+= k P680 [P680 ]0 − [P680] [H o+ ] + 2σ bf kQ ([Q], [Pc],[H i+ ]) − [ADP]J ATP − J pas ∑+ 2(K+[H])dtliiii{())}k ATP[ H o+ ] ⋅ [10 ∆pH − 1]σ M k0 k1 ([ H i+ ] − [ H o+ ])J ATP (t ) =⋅, J pas (t ) =m α + [ H o+ ] ⋅ [10 ∆pH + β ]k0 ( K o + [ H o+ ]) + ki ( K i + [ H i+ ])τQ =1T [H + ] T [H + ]1+ 1 i + 2 i + T3 +k Z ([Q]0 − [Q])H1H22k Pc [ Pc + ]Параметры L1 и L2 определяют количество квантов света, попадающих в единицувремени к восстановленным реакционным центрам Р700 и Р680 соответственно.Постоянные величины, отмеченные нижним индексом “0”, суть максимальные8концентрации соответствующих переменных.