Альтернативные пути электронного транспорта в хлоропластах высших растений (1102326), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Константа σbf − поверхностнаяплотность b6f-комплексов в мембране; kH2O, kР680, kQ, kPc, kP700, kFQ, kFO, kFN, kCC, kN-,kOX1, kXO2, kNH и kNQ – эффективные константы скоростей реакций, показанных нарис. 1.ВеличинаkRCсоответствуетэффективнойконстантескоростивосстановления NADP+ за счет нефотосинтетических метаболических процессов(например, за счет пентозофосфатного пути окисления глюкозы).Функция kQ{[Q],[Pc],[ H i+ ]} = 1/τQ является эффективной константой скорости,характеризующей совокупность процессов, связанных с окислением молекулыпластохинола QH2.
Характерное время окисления пластохинола τQ определяетсяскоростью ее непосредственного взаимодействием с b6f-комплексом и временемпереноса электрона от b6f-комплекса на молекулу пластоцианина. Скоростьокисления QH2 зависит от концентрации ионов водорода внутри тилакоидов.Совокупность параметров модели Ki и Bi (i = 1, … n) характеризуют буферныесвойства системы.
Здесь Ki – константа равновесия для реакции связыванияпротонов буферными группами i-го типа, находящихся внутри тилакоидовмембраны; Bi – концентрации этих буферных групп. Параметры модели lo и liхарактеризуют линейные размеры стромы и внутритилакоидного пространства,соответственно.Константа ω1 выражает стехиометрию процессов переноса протонов черезATP-синтазу, а константа ω2 – расход ATP и конечного акцептора электрона NADPHв реакциях цикла Кальвина и они равны 14/3 и 3/2, соответственно.Потребление NADPH и АТР в цикле Кальвина описывается с помощьюпараметрической функции: ssk min − k max[ATP ] ⋅ [NH]sk CC ([NH ], [ ATP ]) = + k max ⋅ sssspH−Xo0 1 + exp k 2 + k 3 [ ATP ] + k 4 [NH ] + k 5 [ ATP ] ⋅ [NH ] ∆XПервый множитель в формуле является функцией Больцмана, феноменологическиописывающей рН-зависимую активацию ферментов цикла Кальвина за счетфотоиндуцированного защелачивания стромы.Для моделирования процессов нефотохимического тушения константа L2,характеризующая число квантов света попадающих в единицу времени к Р680, былафеноменологически задана в виде функции L2(рНi), параметрически зависящей от9рН внутритилакоидного пространства (рНi).
Таким способом учитывалось, что призакислении люмена происходит ослабление фотохимической активности ФС2.Функция L2(рНi) имеет следующий вид:[( L / 2) (1 − Lmin )[2 − e − k [pHi −pK] ] + 2 LminL2 (pH i ) = 0k [pH i −pK]+ 2 Lmin ] ( L0 / 2)[(1 − Lmin )e]pH i > pKpH i ≤ pKКонстанты k, L0 и Lmin – параметры модели. Численные значения константскоростей приведены в Приложении.Глава 3.
Экспериментальные результатыВ этой главе описаны экспериментальные результаты по влияниюпредыстории освещения и газового состава атмосферы на электронный транспорт вхлоропластах in situ.В первом разделе Главы 3 изучено влияние предыстории освещения (времяадаптации к темноте и циклам освещения) на кинетику фотоиндуцированных+и быструю и медленную индукцииизменений величины сигнала ЭПР от P700флуоресценции хлорофилла.
Рассмотрено также влияние интенсивности света напараметры, полученные методом PAM-флуориметрии. Измеренные в этом разделеданныепозволиливыработатьоптимальныеусловияизмеренийистандартизировать протокол измерений.Следующий раздел Главы 3 посвящён исследованию влияния атмосферного+кислорода на кинетику фотоиндуцированных изменений сигнала ЭПР от P700,быструюиндукциюфлуоресценцииипроцессыфотохимическогоинефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла в хлоропластах in vivo(листья Hibiscus rosa-sinensis).Показано, что наличие кислорода (~ 20 %) в атмосфере даже припониженныхконцентрацияхСО2(< 50 ppm)способствуетподдержанию+стационарного уровня P700близкому к стационарному уровню при атмосферныхконцентрациях O2 и CO2 (рис. 2).10+ЭПР сигнал от P700, отн.ед.1.00.50.01234N2N2+O2N2+CO25воздух воздух+CO2+Рис.
2. Влияние газового состава на стационарный уровень концентрации P700. (1)N2 – продув кюветы с листом азотом ([O2] < 0.5 %, [CO2] < 50 ppm), (2)N2+O2 – продув кюветы смесью азота и кислорода ([O2] = (21±0.5) %, [CO2]< 50 ppm), (3) N2+CO2 – продув кюветы смесью азота и CO2 ([O2] < 0.5 %,[CO2] = (5000±1000) ppm), (4) воздух – продув кюветы с листом воздухом([O2] = (21±0.5) %, [CO2] = (500±100) ppm), (5) воздух+CO2 – продув кюветыс листом воздухом с повышенным содержанием CO2 ([O2] = (21±0.5) %,[CO2] = (5000±1000) ppm).Как видно из рис. 2, в атмосфере N2 (при этом [O2] < 0.5 %, [CO2] < 50 ppm)+уровень сигнала ЭПР от P700составляет (23±5) % от контрольного значения.
Вприсутствии кислорода ([O2] = 21 %) или CO2 ([CO2] ≥ 500 ppm), стационарныезначения концентрации P700+ в пределах погрешности не отличаются отконтрольных значений (при [O2] = 21 %, [CO2] = (500±100) ppm).С помощью метода PAM-флуориметрии (см. схему освещения и обозначенияна рис. 3) исследовано влияние кислорода и CO2 на электронный транспорт ипроцессы нефотохимического тушения в хлоропластах in situ. Для этогоиспользовалисьследующиепараметры:qp=Fm '− FFm '− F0–коэффициентфотохимического тушения флуоресценции хлорофилла, отражающий долю«текущего» квантового выхода ФС2 от максимального квантового выхода ФС2 ихарактеризующий скорость электронного транспорта в ФС2; NPQ =11Fm − Fm '–Fm 'коэффициент нефотохимического тушения, характеризующий диссипацию энергиив ФС2, связанную с переходом энергии возбуждения в тепло.Fm|Fm100Fv=Fm - F0Интенсивность флуоресценции, отн.ед.155FF0Действующий свет0-300ИС30НС6090120150Время, сРис.
3. Кинетика медленной индукции флуоресценции, записанной по протоколуPAM-флуориметрии. ИС – измерительный свет, НС – вспышкинасыщающего света.Исследование кинетики фотоиндуцированных изменений qP в зависимостиот газового состава атмосферы (рис. 4) показало, что в условиях, когда в атмосферелиста нет ни кислорода ([O2] < 0.5 %), ни СО2 ([CO2] < 50 ppm), являющегосяконечным физиологическим акцептором электронов, стационарное значение qPмало (~ 20 % от значения qp на воздухе).
Это означает, что в отсутствие ватмосфере кислорода и СО2 нециклический (и/или псевдоциклический) транспортэлектронов мал, поскольку при этом не может эффективно работать цикл Кальвинаи отсутствует альтернативный поток электронов от ФС1 к кислороду. Отметим, чтов присутствии кислорода ([O2] = 21 %) даже при низкой концентрации CO2 ([CO2]< 50 ppm) наблюдается заметное увеличение qP. Присутствие СО2 способствуетзаметному увеличению потока электронов через ФС2 как в аэробных, так и ванаэробных условиях.
По мере роста концентрации СО2, электронный поток растети достигает максимального значения (рис. 4А и рис. 5А). Отметим, что заметноевлияние кислорода на величину qP проявляется только при концентрациях[CO2] < 1000 ppm, при высоких концентрациях CO2 ([CO2] > 1000 ppm) значения qP12совпадают в пределах точности эксперимента. Следовательно, отток электронов накислород может способствовать поддержанию электронного транспорта принедостаточно эффективной работе цикла Кальвина.qP0.6Aвоздух+CO2воздух0.4N2+CO20.2N2+O2N20.0030NPQ2.06090120Б150N2N2+O21.5воздухN2+CO21.0воздух+CO20.50.00306090120Время освещения, с150Рис.
4. Влияние газового состава атмосферы на фотохимическое (A) инефотохимическое (Б) тушение флуоресценции. Лист во время 10 минутнойадаптации и непосредственно во время измерений находился в атмосфереазота([O2] < 0.5 %,[CO2] < 50 ppm),азота+CO2([O2] < 0.5 %,[CO2] = (500±100) ppm), воздуха ([O2] = (21±0.5) %, [CO2] = (500±100) ppm),воздухасповышеннымсодержаниемCO2([O2] = (21±0.5) %,[CO2] = (1000±100) ppm).Изучение влияния газового состава атмосферы показало, что удалениекислородаилиCO2изатмосферылистаприводиткувеличениюнефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла. В отсутствии кислородаи/или CO2 параметр NPQ заметно выше, чем в контроле (при [O2] = 21 %,13[CO2] ~ 500 ppm). Это может быть обусловлено тем, что состояние акцепторногоучастка ФС1 влияет на величину трансмембранной разности рН. При низкойконцентрации CO2 нет потребления ATP и NADPH в цикле Кальвина, при этом вхлоропластах накапливается избыток АТР, что может привести к более сильномузакислению люмена и, как следствие этого, к усилению нефотохимическоготушения.
Увеличение концентрации CO2 приводит к усилению потребления АТР вцикле Кальвина, что влечет за собой более интенсивную утечку протонов черезАТР-синтазные комплексы, что проявляется в падении параметра NPQ. Этоподтверждается результатами «численных экспериментов», выполненных спомощью разработанной нами математической модели (Глава 4).qP0.6воздух+CO2AN2+O2N2+CO20.40.2N20.0NPQБ1.5N2+CO21.00.5 воздух+CO20.00.00.10.2[CO2]атм (%)0.3Рис.
5. Зависимости фотохимического (A) и нефотохимического (Б) тушенияфлуоресценции от концентрации CO2 в атмосфере листа. Измерениявыполнены в условиях гипоксии (обдув листа газом, содержащим N2 иCO2, [O2]< 0.5 %) или в присутствии кислорода в атмосфере (воздух+CO2,[O2] = 20–21 %).14Глава4. Математическое моделированиетранспорта в хлоропластахэлектронногои протонногоГлава 4 содержит результаты математического моделирования электронногои протонного транспорта в хлоропластах. В разделе 1 Главы 4 описываютсярезультаты «численных экспериментов», посвященных моделированию влияниякислорода на кинетику электронного транспорта. Была исследована зависимостькинетики фотоиндуцированного окисления P700 от содержания кислорода ватмосфере листа. Показано, что экспериментальные зависимости стационарной+концентрации P700от содержания кислорода, полученные для разных растений илипри разной концентрации CO2 в атмосфере листа, можно описать адекватно,варьируя отношение ферредоксин/ФС1 (рис.
6). Сопоставление результатоврасчетов с экспериментальными данными показало, что в аэробных условиях ([O2]= 20–21 %) поток электронов на O2 достигает ≈ 40 % от общего потока электронов,проходящих через ФС1. На рис. 6А приведены наши экспериментальные данныедля листьев китайской розы, а также данные для листьев шпината, заимствованныеиз работы [Heber et al., 2002].
Подчеркнем, что интенсивности света,использованные в этой работе и в наших экспериментах, были близкими.Приведенные на рис. 6А данные для листьев китайской розы были получены принормальном (∼ 0.035 %) или повышенном (∼ 0.5–1 %) содержании СО2 в потокегаза, обдувающего образец. Данные для листьев шпината соответствуютконцентрации СО2 вблизи точки компенсации (0.0035 %). На рис. 6Б приведенытеоретические кривые, рассчитанные для трех значений параметра [Fd]0/[P700]0,характеризующего относительный размер пула молекул ферредоксина ([P700]0 –суммарная концентрация окисленной и восстановленной форм P700).Из рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
