Теоретическое исследование взаимосвязи флуоресценции фотосистемы II и состояния цепи электронного транспорта

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиКИРЖАНОВ Дмитрий ВикторовичТеоретическое исследование взаимосвязифлуоресценции фотосистемы IIи состояния цепи электронного транспортаСпециальность: 03.00.02 – «биофизика»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико–математических наукМосква2009Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультетаМосковского государственного университета имени М. В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физ.–мат.

наук, профессорКукушкин Александр КонстантиновичОфициальные оппоненты: доктор биол. наук,Бухов Николай Георгиевичкандидат физ.-мат. наук,Кузнецова Софья АлексеевнаВедущая организация:Учреждение Российской академии наукИнститут химической физикиим.

Н. Н. Семенова РАНЗащита состоится “17” декабря 2009 г. в 17 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.002.11 при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: Москва, ГСП–1, 119991, Ленинские горы, МГУ, дом 1, строение 2, физический факультет, аудитория5–19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.

В. Ломоносова.Автореферат разослан “17” ноября 2009 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.11,доктор физ.–мат. наукГ. Б. ХомутовОбщая характеристика работыАктуальность темы диссертации. К настоящему времени подробноисследованы пространственное строение и химический состав фотосинтетического аппарата. Однако, механизмы регуляции, влияющие на эффективность фотосинтеза в целом и способность фотосинтезирующих организмов защищать цепь электронного транспорта от повышенных концентраций восстановленных переносчиков, не изучены до конца. Повышениеэффективности фотосинтеза необходимо для решения многих хозяйственных, экономических и экологических проблем. Поиск путей решения этойзадачи связан с изучением регуляции фотосинтеза. В настоящее времяматематические модели стали важным инструментом для выполнения таких исследований.

Практическое значение имеют модели использованиекоторых позволяет объяснить разные проявления регуляции. Такие модели должны позволять исследовать взаимодействие световых и темновыхстадий фотосинтеза в широком диапазоне времён и описывать зависимости стационарных скоростей стадий фотосинтеза от условий внешней среды. Для изучения регуляции фотосинтеза необходимо теоретически объяснить изменения, наблюдаемые в двух фотосистемах, цепи электронноготранспорта и цикле Кальвина–Бенсона, наблюдаемые при резкой сменевнешних условий. Математическая модель регуляции фотосинтеза позволит определять наиболее перспективные направления экспериментальныхработ, направленных на изменение соотношения между концентрациямиферментов или изменение констант ферментативных реакций фотосинтеза.

Некоторые данные из литературы позволяют предположить, что возникающие при фотосинтезе колебания вызваны регуляторными механизмами, определяющими эффективность этого процесса. При этом средиисследователей отсутствует согласие в описании причин возникновенияколебаний. Отсюда следует необходимость создания математических моделей фотосинтеза, позволяющих описать наблюдаемые в экспериментахколебания. С использованием моделей аналогичных предложенной в настоящей работе, ранее были получены колебания быстрой и замедленнойфлуоресценции.

Однако, наблюдаемые во многих экспериментах колебания концентрации окисленных реакционных центров фотосистемы I исследованы не были. В связи этим важно получение и объяснение с использованием математической модели новых колебательных режимов, в+которых существуют колебания концентрации P700. Состояние цепи электронного транспорта хлоропласта критически важно для эффективногофотосинтеза.

В настоящее время многие исследователи определяют её состояние по изменениям флуоресценции фотосистемы II. Однако, используемые для этого формулы не нашли теоретического обоснования. Следовательно, актуально создание математической модели, которая позволилабы установить такую связь и подтвердить или опровергнуть существую1щие предположения. Индукция фотосинтеза состоит из множества стадийс характерными временами от нескольких наносекунд до нескольких минут. Для исследования состояния цепи электронного транспорта на разныхстадиях индукции необходима математическая модель, учитывающая всеэти стадии.

Отсюда следует необходимость создания математической модели, позволяющей исследовать фотосинтез в широком диапазоне времён.Цель работы состоит в выявлении теоретической связи между индукционными изменениями, возникающими при фотосинтезе, и состояниемцепи электронного транспорта. Для достижения этой цели необходимо создать математическую модель фотосинтеза высших растений, пригоднуюдля исследования как быстрых, так и медленных стадий этого процесса.Эта модель должна позволять исследовать фотосинтез как при постоянных, так и при меняющихся внешних условиях, и объяснять существующие экспериментальные данные.Были поставлены следующие задачи:1.

Создание математической модели, описывающей взаимодействие световых и темновых стадий фотосинтеза и позволяющей исследоватьпроцессы с существенно различными характерными временами. Модель должна учитывать процессы с характерными временами отнескольких наносекунд до нескольких минут. Создание программыдля численного интегрирования системы дифференциальных уравнений этой модели.2. Описание с использованием созданной математической модели приодном наборе параметров зависимостей флуоресценции фотосистемы II и сигнала ЭПР фотосистемы I от времени, наблюдаемых вэкспериментах.3.

Поиск параметров, при которых возникают колебания переменной+модели, соответствующей концентрации P700, и объяснение полученных колебаний.4. Поиск и обоснование связи интенсивности флуоресценции фотосистемы II и состояния цепи электронного транспорта.Научная новизна работы заключена в создании математической модели, позволяющей исследовать взаимодействие световых и темновых стадий фотосинтеза в широком диапазоне времён. Впервые в созданной модели получен режим, в котором на индукционных зависимостях присутствуют колебания переменной, пропорциональной сигналу ЭПР фотосистемы I, и переменных, соответствующих интермедиатам цикла Кальвина–Бенсона. В то же время, в этом режиме отсутствуют периодические изменения переменных, которые описывают состояние фотосистемы II.

Впервые получена формула, устанавливающая связь между интенсивностью2флуоресценции и концентрацией восстановленных первичных акцепторовэтой фотосистемы II. Предложенная формула получена из системы дифференциальных уравнений модели с использованием нескольких дополнительных предположений.Научная и практическая значимость работы заключена в создании математической модели, позволяющей исследовать взаимодействиесветовых и темновых стадий фотосинтеза в широком диапазоне времён,также программы для ЭВМ, упрощающей работу с этой моделью.

С помощью созданной модели можно изучать различные переходные процессыпри постоянных и изменяющихся внешних условиях. Получение и исследование нового колебательного режима имеет большое значение для исследования индукции фотосинтеза и поиска путей повышения его эффективности. Особенно важна с практической точки зрения предложеннаянелинейная связь между интенсивностью флуоресценции и состояниемпервичных акцепторов фотосистемы II. Эта связь может быть использована при анализе экспериментов по изучению индукции флуоресценциифотосистемы II с целью исследования состояния первичных акцепторовэтой фотосистемы и цепи электронного транспорта. Такие исследованияважны для изучения механизмов защиты цепи электронного транспорта хлоропласта от излишнего количества восстановленных переносчиков(«перегрузки» электрон–транспортной цепи).Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на 10–инаучных конференциях, в том числе на Гордоновской исследовательскойконференции «CO2 assimilation in plants: genome to biome» (Биддефорд,2008), Всероссийских научных конференциях «Преобразование энергиисвета при фотосинтезе» (XVIII Пущинские чтения по фотосинтезу, Пущино, 2005) и «Фотохимия хлорофилла в модельных и природных системах»(XIX Пущинские чтения по фотосинтезу, Пущино, 2009), научных конференциях «Ломоносовские чтения – 2008» (Москва, 2008) и «Ломоносовскиечтения – 2009» (Москва, 2009), ХII, XIV, ХV и XVI Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов»(Москва, 2005, 2007, 2008 и 2009 годы), а также VI ежегодной молодежной научной конференции «ИБХФ РАН–ВУЗы – Биохимическая физика»(Москва, 2006).Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, списка цитируемой литературы и одного приложения.Общий объем диссертации 137 страниц. Диссертация содержит 5 таблиц,35 рисунков и список литературы из 123 наименований.3Содержание работыВо введении дана краткая характеристика рассмотренной научнойпроблемы. Обоснована важность исследования фотосинтеза и поиска путей повышения его эффективности для решения ряда существующих хозяйственных, экономических и экологических проблем. Для поиска путейповышения эффективности фотосинтеза необходимо построение математической модели, описывающей взаимодействие световых и темновых стадий фотосинтеза, и их регуляцию.

Такая модель должна объяснять существующие экспериментальные зависимости стационарных скоростей разных стадий фотосинтеза, а также различные виды индукции. Исследование состояния цепи электронного транспорта важно для понимания регуляции фотосинтеза. Излишнее восстановление переносчиков этой цепиможет привести к фотоповреждению. В то же время, прямое измерениеконцентраций многих промежуточных соединений затруднено, а иногда –невозможно без разрушения образца.