Альтернативные пути электронного транспорта в хлоропластах высших растений (1102326)
Текст из файла
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 oFO20+ 2Nlo ( 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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
