Теоретическое исследование рН-зависимой регуляции электронного и протонного транспорта в хлоропластах

На правах рукописиФРОЛОВ АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ рН-ЗАВИСИМОЙРЕГУЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО И ПРОТОННОГО ТРАНСПОРТАВ ХЛОРОПЛАСТАХСпециальность 03.00.02 - БиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорТихонов Александр НиколаевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорКараваев Владимир Александровичкандидат физико-математических наук,Черепанов Дмитрий АлександровичВедущая организация:Институт химической физики имениН.Н.Семенова РАНЗащита состоится 18 июня 2009 года в 16 час.

на заседании Совета по защитедиссертаций Д501.002.11 по физико-математическим наукам при Московскомгосударственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: Москва,ГСП-1, 119991, Ленинские горы 1-2, МГУ, физический факультет, аудитория5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В.ЛомоносоваАвтореферат разослан 14 мая 2009 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.002.11доктор физико-математических наукГ.Б. Хомутов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыИзучение механизмов регуляции процессов электронного и протонноготранспортавклеткахфотосинтезирующихбактерий,водорослейивхлоропластах высших растений – актуальная задача биофизики фотосинтеза.Фотосинтез играет исключительно важную роль в круговороте веществ иэнергиивбиосфере.Известно,чтовцепиэлектронноготранспортафотосинтезирующих организмов оксигенного типа имеются несколько участков,скорость электронного транспорта на которых контролируется значениями рНвнутритилакоидного пространства (люмена) и стромы.

Протолитическая реакцияокисления пластохинола цитохромным b6f-комплексом – лимитирующая стадияпереноса электронов между фотосистемами 2 и 1 (ФС2 и ФС1), скоростькоторой зависит от рН люмена (pHi). Скорость электронного транспорта наакцепторном участке ФС1 зависит от активности ключевых ферментов циклаКальвина, которая, в свою очередь, контролируется величиной рН стромы (pHo).Таким образом, фотоиндуцированные изменения pHi и pHo могут оказыватьсущественное влияние на кинетику световых и темновых стадий фотосинтеза вфотосинтетических системах оксигенного типа.

Математическое моделированиерН-зависимых стадий электронного и протонного транспорта в хлоропластахвысших растений может играть важную роль в анализе механизмов регуляциисветовых и темновых стадий фотосинтеза.Цель и задачи исследованияОсновной целью данной диссертационной работы является теоретическоеисследование рН-зависимой регуляции электронного и протонного транспорта вхлоропластах.

Для решения этой задачи в диссертационной работе быливыполнены теоретические исследования, направленные на решение двухконкретных задач.1) Построение математической модели электронного и протонноготранспортавхлоропластахвысшихрастений,учитывающейфотоиндуцированные изменения рН в люмене и в строме хлоропласта.32) Квантово-химическое моделирование реакции окисления пластохинолав активном центре Qo цитохромного b6f-комплекса, являющейся лимитирующейстадией в цепи электронного переноса между двумя фотосистемами.Научная новизна и практическая значимость работыВпервые построена математическая модель процессов электронного ипротонного транспорта в хлоропластах, учитывающая наряду с изменениями pHiфотоиндуцированные изменения рН в строме, влияющие на скорость оттокаэлектронов от ФС1 за счет активации ферментов цикла Кальвина. Эта модельописывает основные закономерности сложной кинетики фотоиндуцированногоокисления Р700 в интактных хлоропластах.Построеныдвемодельныесистемыдляквантовомеханическогоисследования реакции двухэлектронного окисления пластохинола в Qo центрецитохромного b6f-комплекса.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, чтопервая стадия окисления хинола (переноса атома водорода от хинола к железосерному центру Риске) является эндоэргическим процессом, скорость котороголимитирует время оборота b6f-комплекса.Апробация работыОсновныерезультатыдиссертационнойработыпредставленынаМеждународной конференции «Ломоносов-2004», серия «Физика» (Москва),Vth Meeting of Russian Society for Photobiology and the International Conference"Light Energy Conversion in Photosynthesis" (Pushchino, 2008).ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 4 работы, из них врецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК – 2, тезисов докладов наРоссийских и международных научных конференциях – 2.Объем и структура работыДиссертация состоит из введения, четырех глав, включая обзорлитературы и методы, заключения и выводов.

Общий объем работы составляет___ стр. текста, включая ___ рис., 2 таблицы и список литературы, содержащий___ наименований.4СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведениеРассмотренаактуальностьтемыдиссертационнойработы,сформулирована цель работы и определены основные задачи исследования.Глава 1. Обзор литературыВ первом разделе Главы 1даны краткие сведения о фотосинтезе,рассмотрена схема строения хлоропластов. Следующий раздел содержитописание цепи электронного транспорта в фотосинтетических системахоксигенного типа, рассмотрена схема расположения электрон-транспортныхкомплексов (ФС1, ФС2 и b6f-комплекса) и их взаимодействие в тилакоидноймембране.Обсуждаютсямеханизмысопряженияэлектрон-транспортныхпроцессов с процессами трансмембранного переноса протонов, особое вниманиеуделено роли пластохинона вэтих процессах.

Рассмотрено сопряжениеэнергодонорных реакций электронного транспорта с энергоакцепторнымипроцессами синтеза ATP.Третий раздел Главы 1 посвящен регуляции фотосинтеза в хлоропластах.Основное внимание уделено анализу двух механизмов рН-зависимой регуляции,имеющих непосредственное отношение к теме диссертационной работы.1.

Регуляция электронного переноса на донорной стороне ФС1, обусловленнаязамедлением электронного транспорта в результате снижения рНi.2. Ускорение оттока электронов от ФС1 вследствие индуцированной светомактивации ферментов цикла Кальвина.В четвертом разделе описана структура и особенности функционированияцитохромного b6f комплекса. Основное внимание уделено реакции окисленияпластохинола,являющейсялимитирующейстадиейвработецепифотосинтетического транспорта электронов.Впятом разделе краткоматематическомурассмотренымоделированиютеоретическиеэлектронногоработы потранспортавфотосинтетических системах, которые наиболее близки к теме настоящейдиссертационной работы.

В последнем разделе Главы1 рассмотренытеоретические аспекты электронного и протонного транспорта в биологическихсистемах.5Глава 2. МетодыВ главе 2 приведены краткие сведения о методе функционала плотности.Описана программа «Природа» (автор Д.Н. Лайков), которая позволяетпроводить расчеты методом функционала плотности для достаточно большихсистем. Все основные расчеты были выполненыс использованием обменно-корреляционного функционала PBE и наборов базисных функций 3z и 4z.Глава 3. Моделирование электронного и протонного транспорта вхлоропластах с учётом активации цикла Кальвина и измененийрН стромыВ этой главе описана разработанная в диссертации математическая модельэлектронного и протонного транспорта в хлоропластах высших растений иклеткахцианобактерий,учитывающаяфотоиндуцированныеизменениявнутритилакоидного pH (pHi) и рН стромы (pHo).

Наряду с нециклическимтранспортом электронов от ФС2 к конечному акцептору ФС1, в моделиучитываютсяпроцессы синтеза АТР, сопряженного с трансмембраннымпереносом протонов через АТР-синтазу, а также потребление АТР и NADPH вцикле Кальвина. Учет фотоиндуцированных изменений рН в строме и в люменепозволил описать влияние рН-зависимых процессов регуляции электронноготранспортанадонорнойфотоиндуцированныхиакцепторнойредокс-превращенийсторонахрядаФС1напереносчиковкинетикуэлектрон-транспортной цепи.Для оценки фотоиндуцированных изменений pH в строме хлоропластарассмотрена модель, предполагающая наличие трех замкнутых компартментов(рис.1).

Мы принимаем, что все электронные переносчики, встроенные втилакоидную мембрану (ФС1, ФС2, цитохромный b6f-комплекс, АТР-синтаза),равномерно распределены в мембране. Подвижные переносчики, связывающиеФС2 и ФС1, также равномерно распределены в системе – в тилакоидноймембране находятся молекулы пластохинона, во внутритилакоидном объеме –пластоцианин, в строме находятся терминальные акцепторы ФС1.

Электронныйперенос на участке b6f-комплекс → пластоцианин → ФС1 не являетсялимитирующим звеном в цепи нециклического транспорта электронов.6Считается, что скорость окисления пластохинола контролируется величинойвнутритилакоидного рНi.Цитозоль (рН = 8,0)JATPСтрома (рНо)HJcellJpasH+-+ADP+PiH+B +H+ATP H+H+H+-BHB +H+BHlВнутритилакоидное пространство (рНi)Рис. 1. Схема компартментализации фотосинтетического аппарата вхлоропласте.Рассматриваютсяследующиепроцессыпротонноготранспорта.Появление протонов внутри тилакоида происходит за счет разложения воды вФС2 и окисления пластохинола b6f-комплексом. Изменение концентрации ионовводорода в стромепластохинона,происходит вследствие связывания протонов молекуламивосстанавливаемымиФС2,атакжевосстановленнымимолекулами NADP.