Теоретическое исследование рН-зависимой регуляции электронного и протонного транспорта в хлоропластах (1104975), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Кроме этого, учитывается связывание протонов буфернымигруппами, расположенными в строме и на обеих поверхностях тилакоидноймембраны(рис.2).Рассматриваютсятрансмембранный перенос протонов,сопряженный с синтезом АТР (поток JATP), а также пассивная утечка протонов изтилакоида в строму (поток Jpass), не связанная с синтезом АТР, и поток протоновиз стромы в цитозоль (поток Jcell). Локализованный в строме восстановленныйтерминальный акцептор электрона А− принимает протоны из стромы.7Протонированная форма этого переносчика (АН) потребляется в реакциях циклаКальвина. Схема редокс-превращений конечного акцептора электрона Апоказана на рис. 2.ADP+PikCCAHСтромаAkA-O2JATPkAHJpas2H+Р680+HkHoA_kQQH2QHH2O+1/2O2+2HР700bfk2+ADP+Pik1+kQ2HPckPcH+Внутритилакоидное пространствоРис.

2. Схема электрон-транспортных и протон-транспортных процессов,рассматриваемых в модели.Для описания электрон-транспортных процессов введены следующие+переменные: 1) [ P700] – концентрация окисленных реакционных центров,входящих в состав комплексов ФС1; 2) [Pc] – концентрация окисленного+пластоцианина; 3) [Q] – концентрация окисленного пластохинона; 4) [ P680] –концентрация окисленных центров ФС2; 5) [A] – концентрация окисленнойформыконечногоакцептораэлектрона;6)[AH ]–концентрациявосстановленной протонированной формы конечного акцептора электрона,[ ATP] – концентрация ATP. Для описания протон-транспортных процессоввведены переменные [ H i+ ] и [ H o+ ] – активности ионов водорода внутритилакоида и в строме, соответственно.

Система уравнений, описывающаякинетику редокс-превращений электронных переносчиков, имеет следующийвид:8+d [ P700]++= L1 k1 [ A]([ P700 ]0 − [ P700]) − k Pc [ P700]([ Pc]0 − [ Pc]) ,dt(1)σ bfkd [ Pc]+= −4K Q ([Q], [ Pc], [ H i+ ]) + 2 Pc [ P700]([ Pc]0 − [ Pc]) ,dtll(2)d [Q]1+= σ bf K Q ([Q], [ Pc], [ H i+ ]) − L2 k H o [Q][ H o+ ]([ P680 ]0 − [ P680]) ,dt2(3)+d [ P680]++= L2 k H o [Q][ H o+ ]([ P680 ]0 − [ P680]) − k 2 [ P680],dt(4)где L1 , L2 – числа квантов света, попадающих к первичным донорам ФС1 и ФС2 вединицувремени;k1 , k2 , k Pc , k H o –эффективныеконстантыскоростейсоответствующих реакций, σ bf – поверхностная плотность b6f-комплекса, l –толщина внутритилакоидного пространства (рис. 1, 2).

Функция K Q ([Q], [ Pc], [ H i+ ])характеризует совокупность процессов, связанных с окислением молекулыпластохинола цитохромным b6f-комплексом.Следующиедвауравненияописываютизмененияконцентрацийокисленной (А) и восстановленной протонированной (АН) форм конечногоакцептора электрона ФС1:d [ A]2ε+= − L1k1 [ A]([ P700 ]0 − [ P700]) + kCC ([ AH ], [ ATP ]) + kOx ([ A]0 − [ A] − [ AH ]) ,dtl(5)d [ AH ]= k AH [ H o+ ]([ A]0 − [ A] − [ AH ]) − kA − [ AH ] − kCC ([ AH ], [ ATP ]) ,dt(6)где k AH , k A – константы скоростей реакций превращения конечного акцептора,−kOx – константа скорости окисления восстановленной формы конечного акцептораэлектрона (A–) кислородом; ε - отношение внутреннего объема тилакоида к объемустромы.Функция (7) описывает в обобщенной форме потребление NADPH и АТРв различных процессах биосинтеза (цикл Кальвина, синтез жирных кислот ит.д.).[ ATP ][ AH ]kCC ([ AH ], [ ATP ]) = RCC ⋅  ssss+[]+[]+[][]kkATPkAHkATPAH345 29(7)Множитель RCC является функцией, феноменологически описывающей процессырН-зависимой активации ферментов цикла Кальвина.

Для описания этихпроцессов была выбрана функция, имеющая следующий вид: sk − kssRCC =  min pH o −maxk+max  .X0 1 + e ∆X(8)При выборе этой функции мы исходили из литературных данных о зависимостиактивности ключевых ферментов цикла Кальвина от рН стромы.Синтез ATP из ADP и ортофосфата ATP-синтазными комплексами и ихрасход в реакциях биосинтеза описывали уравнением:d [ ATP ] 2ε1=J ATP −kCC ([ AH ], [ ATP ]) ,Ω1lΩ2dt(9)где Ω 2 и Ω 2 – стехиометрические коэффициенты соответствующих реакций.Система уравнений, описывающая протон-транспортные процессы, имеетвид: d [ H i+ ] 22 K ims Bims+1+= (k 2 [ P680] + 2σ b / f K Q − J pas − J ATP ) , ∑2 +sdtllKH([])+mimi(10) d [ H o+ ] 2εK V BV2εKos Bos++1++ l ( K s + [ H + ]) 2 ( K V + [ H + ]) 2  dt = l J pas + J ATP − J cell − L2k H o [Q ][ H o ]([ P680 ]0 − [ P680 ]) +ooon2nεkCC ([ AH ], [ ATP ]) −+ k A − [ AH ] − k AH [ H o+ ]([ A]0 − [ A] − [ AH ]) +j ATPΩ2Ω1l[](11)Параметры K os , K ims , K V , Bos , Bims , B V характеризуют буферные свойства системы.Функция(12) определяет пассивную утечку протонов через тилакоиднуюмембрану:J pas =σ M ko ki ([ H i+ ] − [ H o+ ])ko ( K M o + [ H o+ ]) + ki ( K M i + [ H i+ ]).(12)Здесь σ M - поверхностная плотность протон-проводящих групп тилакоидноймембраны; ki , ko - константы скоростей, характеризующих перенос ионов водородачерез тилакоидную мембрану; K M , K M - константы равновесия, характеризующиеioвзаимодействие протонов с буферными группами на внутренней и внешней10сторонах тилакоидной мембраны.

Аналогичным образом задаются потокипротонов через АТР-синтазу ( JATP) и между стромой и цитозолем ( J ).cellНа рис. 3 показана кинетика изменений pHi, pHo и концентрации АТРпослевключения[ ATP ] /[ ATP ] 0 → 1 ,существенносвета.Стационарноесостояниедостигается,когдапри этом поток ионов водорода через АТР-синтазууменьшается.Нарис. 4показаныфотоиндуцированных изменений концентрацийдля+P700примеракривыеи различных формконечного акцептора электрона. Теоретически рассчитанная кинетика изменений+[ P700] имеет немонотонный вид, характерный для нативных фотосинтетическихсистем оксигенного типа (кривая O-P-M-S-T-F).

Сравнительный анализкинетическихкривыхдляразныхэлектронныхпереносчиковифотоиндуцированных изменений pHi и pHo позволил выделить два основныхфактора рН-зависимой регуляции электронного транспорта, определяющих+немонотонную временную зависимость [ P700]: а) торможение электронноготранспорта между фотосистемами вследствие уменьшения pHi, и б) ускорениеоттока электронов от ФС1 вследствие увеличения pHo.pHo8pH76pHi5[ATP]/[ATP]01,00,80,6051015t, c202530Рис. 3. Кинетика фотоиндуцированных изменений pHo(t), pHi(t) (наверху) иконцентрации [ ATP](t ) /[ ATP] 0 (внизу).11SP0.5M0.0Отн. концентрацияFT+[P700]/[P700]01.0O1.0AAH0.5−A0.0051015202530t, cРис.

4. Кинетика фотоиндуцированных изменений концентраций+[ P700](t ) /[ P700 ]0 (наверху), [ A](t ) /[ A]0 , [ AН ](t ) /[ A]0 и [ A − ](t ) /[ A]0 (внизу).Глава 4. Квантовохимическоемоделированиереакцииокисленияпластохинола в Qo центре цитохромного b6f-комплекса4.1. Расчет спектров ЭПР для пластосемихинона и его аналоговВ данном разделе приведены результаты расчетов спектров ЭПР методомфункционала плотности для анион-радикалов пластохинона и его аналогов,проведено сравнение расчетных и экспериментальных спектров (рис. 5).Модельные системы, построенные для анализа двух последовательныходноэлектронных шагов окисления хинола (рис.

6, 7 и 8) содержат триметил-1,4бензохинол (TMQH2) – аналог пластохинола без изопреновой цепи. ОкислениеTMQH2 рассматривается как модельная реакция для окисления пластохинола вактивном центре Qo. Расчеты спиновой плотности на атомах, на основаниикоторыхбылсмоделированспектрЭПРанион-радикаламолекулытриметилхинона, дали хорошее согласие с экспериментом (рис.

5). Этосвидетельствует об адекватности использованного нами метода расчетаэлектронных характеристик молекул хиноидной природы.124.2. Квантовохимическое моделирование реакции окисления пластохинола допластосемихинона в активном центре Qo b6f-комплексаНа рис.

7 показана модельная система, использованная для расчетовизменения энергии для первой стадии окисления хинола (QH2 + ISPox → QH• +H+ISPred),включающаявсебядваждывосстановленныйтриметил-1,4-бензохинол (TMQH2), железо-серный кластер [Fe2S2] и ближайшие к немуфрагменты полипептидной цепи C, окружающей железо-серный кластер(Cys134-Thr135-His136-Leu137-Gly138-Cys139,Cys154-His155-Gly156-Ser157,Cys152 и Tyr159). Исходная геометрия этой системы была построена на основерентгеноструктурных данных для b6f-комплекса из Chlamidomonas reinhardtii(код структуры 1Q90).Энергетические профили реакции окисления хинола до семихинонаПервая стадия окисления пластохинола обычно рассматривается каклимитирующая стадия, которая определяет скорость работы b6f комплекса.Знание энергетических характеристик этого процесса было использовано дляоценки константы скорости окисления QH2.

Нами было рассчитано, как энергиямодельной системы меняется при перемещении атома водорода от QH2 к Nεатому His-155 железо-серного белка Риске (ISP). В качестве координаты реакции(O−H···Nε → O···H−Nε) выбрано расстояние между атомами H и Nε (параметрRN−H). Нами были выполнены расчеты для четырех конформаций модельнойсистемы: 1) исходная (неоптимизированная) система, построенная на основерентгеноструктурных данных (модель X−1), 2) частично оптимизированнаясистема, полученная на 35-м шаге процедуры оптимизации (модель A−1),3) частично оптимизированная система, полученная на 257-м шаге процедурыоптимизации (модель B−1), и 4) полностью оптимизированная система (модельC−1).

Характеристики

Список файлов диссертации