Альтернативные пути электронного транспорта в хлоропластах высших растений, страница 3

6 видно, что с понижением концентрации [O2] стационарная+концентрация P700падает. Для листьев китайской розы двукратное уменьшение+] наблюдается при концентрации кислорода ≈ 2.5%. Для листьев шпината –[ P700при [О2] ~ 5%.150.8P,отн.ед.A120.430.00.8эксперимент:2350 ppm CO2, 320 мВт/м1225000 ppm CO2, 320 мВт/м335 ppm CO2, 300 мВт/м2(Heber et al., 2002)P,отн.ед.Б60.4540.005мат.

модель: [Fd]0/[P700]04.54556610[O2], %1520+Рис. 6. Зависимость стационарных концентраций P700от концентрации кислорода.На панели А показаны экспериментальные данные для листьев китайскойрозы (1 – [CO2] = 0.035 %; 2 – [CO2] = 0.5–1 %) и для листьев шпината (3[Heber et al., 2002]), соответствующие интенсивностям света 300 Вт/м2. Напанели Б показаны теоретические кривые, рассчитанные при значенияхпараметра [Fd]0/[P700]0 = 4.5, 5 и 6, соответственно для кривых 4, 5 и 6;другие параметры модели: [NADP]0/[P700]0 = 10, [AdN]0/[P700]0 = 200, где[NADP]0 – суммарная концентрация окисленной и восстановленной формNADP, [AdN]0 – суммарная концентрация ADP и ATP.Различие концентрационных зависимостей для листьев китайской розы и шпинатаможет быть обусловлено разными причинами. Одна из возможных причин –различие в количестве электронных переносчиков ФС1.

На рис. 6Б приведенытеоретические кривые, рассчитанные для параметров модели kO2 = 8000 (с-1M-1),[NADP]0/[P700]0 = 10 и трех значений относительной емкости пула ферредоксина[Fd]0/[P700]0 = 4.5, 5 и 6. Видно, что даже незначительное варьирование размеров16пула ферредоксина существенно сказывается на форме концентрационныхзависимостей. С увеличением общего числа молекул ферредоксина стационарная+концентрация P700возрастает. Для листьев китайской розы все экспериментальныеточки попадают в область пространства между двумя теоретическими кривыми,полученными для [Fd]0/[P700]0 = 5 и 6.

Данные для листьев шпината лежат ближе ктеоретической кривой, полученной для [Fd]0/[P700]0 = 4.5. Таким образом, привыбранныхнамикислородом,константах,теоретическиехарактеризующихкривыедостаточноокислениехорошоферредоксинасогласуютсясэкспериментальными данными.Раздел 2 Главы 4 посвящён моделированию влияния активации ферментовЦК, а Раздел 3 нефотохимической диссипации энергии в ФС2 на ЭТ вхлоропластах. Рисунок 7 иллюстрирует распределение потоков электронов наакцепторной стороне ФС1 в зависимости от условий активации цикла Кальвина инефотохимического тушения. В нашей модели поток электронов на акцепторнойстороне ФС1 разделяются на три части.

Это линейный транспорт электронов отферредоксина на NADP+ (кривая 1), циклический транспорт через ферредоксинхинон-редуктазу (FQR), при котором электроны возвращаются в цепь электронноготранспорта на уровне пластохинонового пула (кривая 2), и поток электронов накислород (кривая 3).Моделирование процессов pH-зависимой активации ферментов циклаКальвина показало, что в ходе освещения происходит перераспределение потоковэлектронов на акцепторном участке ФС1 (рис. 7): на первых этапах наблюдаетсябольшой поток электронов на кислород и низкий отток электронов в циклКальвина, по мере активации цикла Кальвина поток электронов на кислородуменьшается, а поток электронов в цикл Кальвина увеличивается. Потокэлектронов на кислород наиболее велик на начальном этапе освещения, когдаферментыциклаКальвинанеактивны,благодарячемунепроисходит«перевосстановления» акцепторного участка ФС1, что могло бы приводить кобразованиюактивныхформкислорода,фотосинтетический аппарат.17способныхингибироватьав204331011_Поток электронов, e экв.

[P700]0 c-1 -14202бг2044210230311012301Время, мин23Рис. 7. Потоки электронов на акцепторной стороне ФС1: кривая 1 – отферредоксина к NADP+ (в цикл Кальвина), 2 – от ферредоксина к хинону(циклический транспорт), 3 – от ферредоксина на кислород (реакцияМелера), 4 – суммарный поток электронов. Панели а, в – цикл Кальвина неактивирован, б, г – есть активация цикла Кальвина.

Панели а, б – нетнефотохимического тушения, в, г – с учётом эффекта нефотохимическоготушения возбуждения в ФС2.В условиях, когда цикл Кальвина не активирован (рис. 7 панели а, в), потокэлектронов к NADP+ становится исчезающее малым (кривая 1), при этом основнойпоток электронов от ФС1 направлен на кислород (кривая 3). В этих условиях такжеработает цепь циклического транспорта вокруг ФС1 через FQR, но этот потокэлектронов на порядок меньше, чем отток электронов на кислород.

С течениемвремени, после перехода системы в метаболическое состояние 4, оба этих потокауменьшаются, поскольку происходит торможение переноса электронов на участкемежду ФС2 и ФС1 вследствие закисления внутритилакоидного пространства. Изсравнения кинетических кривых, показанных на панелях а и в, видно, чтонефотохимическая диссипация энергии в ФС2 слабо сказывается на распределенииэлектронных потоков, хотя и приводит к некоторому увеличению циклическогопотока электронов.

Диссипация энергии в ФС2 приводит к уменьшению потокаэлектронов от ФС2 на пластохинон. В результате этого пул пластохинонов18становится более окисленным. Окисленный пул пластохинонов, в свою очередь,стимулирует циклический транспорт электронов.В случае, когда имеет место pH-зависимая активация реакции циклаКальвина,происходитгораздоболеесущественноеперераспределениеэлектронных потоков на акцепторной стороне ФС1. В результате ускоренногопотребления субстратов в цикле Кальвина резко возрастает поток электронов кNADP+ и одновременно резко уменьшается поток на кислород (рис.

7). При этомтакже ослабляется циклический поток электронов вокруг ФС1. В отличие отпредыдущего случая, рН-зависимая диссипация энергии в ФС2 приводит куменьшению общего потока электронов более чем на 20 %.В разделе 4 Главы 4 описаны результаты моделирования влиянияциклическоготранспортафотоиндуцированныхэлектроноввокругредокс-превращенийР700ФС1инадругихкинетикуэлектронныхпереносчиков. Рассмотрены, в частности, причины появления многофазной+кинетики редокс-превращений P700. Показано, что среди причин возникновениямногофазнойкинетики–различноезначениеначальнойконцентрацииэлектронных переносчиков, переход хлоропластов из метаболического состояния 3в состояние 4 (эффект фотосинтетического контроля), активация реакций циклаКальвина и рН-зависимая диссипация энергии в ФС2.

Рассмотрено также влияниециклического транспорта электронов вокруг ФС1 на кинетику редокс-превращений+P700и других электронных переносчиков. Показано, что циклический транспортможет способствовать дополнительному синтезу молекул ATP и позволяетизбежать «перевосстановления» акцепторов электрона ФС1.Раздел 5 Главы 4 описывает моделирование влияния интенсивности света наперенос электронов в хлоропластах.

Обсуждаются зависимости кинетики редокс+превращений P700 , стационарных концентраций P700и внутритилакоидного pH отинтенсивности света. Проведено сравнение результатов расчётов с литературнымиэкспериментальными данными. Показано, что особенности световых зависимостейпараметровэлектронноготранспортамогутопределятьсяметаболическимсостоянии системы и тем, какие альтернативные пути переноса электроноввключены в работу фотосинтетического аппарата растений.В заключении подведены основные итоги выполненных исследований.19ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1. Разработана математическая модель электронного и протонного транспорта вхлоропластах,учитывающаяразличныепутициклическоготранспортаэлектронов вокруг ФС1, перенос электронов от ФС1 на кислород, рНзависимую активацию ферментов цикла Кальвина и рН-зависимую диссипациюэнергии в ФС2.2.

Анализ экспериментальных данных в рамках разработанной модели позволилвыделить вклад различных факторов в появление многофазной кинетики+в хлоропластах:фотоиндуцированных редокс-превращений P700а) редокс-состояние электронных переносчиков, предшествующее началуосвещения;б) переход хлоропластов из метаболического состояния 3 в состояние 4;в) рН-зависимая активация ферментов цикла Кальвина;г) рН-зависимая диссипация энергии в ФС2.3. Методами ЭПР-спектроскопии и РАМ-флуориметрии показано, что наличиекислорода в атмосфере позволяет поддерживать электронный транспорт наотносительно высоком уровне при невысоких концентрациях CO2 (< 350 ppm).4.

Количественный анализ экспериментальных данных, выполненный в рамкахразработанной математической модели, показал, чтоа) в листьях китайской розы стационарный поток электронов на кислороддостигает ≈ 40 % от общего потока электронов, протекающих через ФС1.+б) уменьшение стационарной концентрации [ P700] в анаэробных условияхможет быть связано с «перевосстановлением» акцепторного участка ФС1 иослаблением эффекта фотосинтетического контроля.5. Численноемоделированиеэлектронногоипротонноготранспортавхлоропластах показало, что при активации ферментов цикла Кальвина можетпроисходить перераспределение потоков электронов на акцепторном участкеФС1: на первых этапах освещения, когда активность ферментов цикла Кальвинамала, усиливается поток электронов на кислород, в дальнейшем оттокэлектронов на кислород уменьшается и возрастает поток электронов в циклКальвина.20СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1. Кувыкин И.В., Вершубский А.В., Птушенко В.В., Тихонов А.Н.

«Кислород какальтернативный акцептор в фотосинтетической цепи электронного транспортаС3-растений». // Биохимия. 2008. Т. 73. № 10. С. 1329–1343.2. Кувыкин И.В., Вершубский А.В., Тихонов А.Н. «Альтернативные путифотоиндуцированного электронного транспорта в хлоропластах».