Г.Ю. Ризниченко - Лекции по математическим моделям в биологии (2-е издание) (1117248), страница 78
Текст из файла (страница 78)
В модели мы предполагали, что общее изменение количествазаряда в люмене и строме при трансмембранном переносе определяет значение 482ЛЕКЦИЯ 23КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГОэлектрического потенциала как переменной величины модели. При этом мембрана рассматривается как конденсатор [5]:Здесь cm — удельная емкость тилакоидной мембраны, F —константа Фарадея, υ (q люмен ), υ (qстрома ) — скорости производ-сm d (Δψ )×= υ (qлюмен ) − υ (qстрома ).Fdtства объемной плотности зарядов в люмене и строме;q люмен , qстрома являются функциями концентраций ионов H+,K+, Cl- в соответствующих компартментах тилакоида, которыеявляются переменными модели.Концентрационная составляющая электрохимического потенциала ∆рН также является переменной модели и в каждыймомент времени определяется разностью концентраций протонов в строме и люмене:∆рН = ln[Hp] – ln[Hn].Рис. 23.6.
Общая схема первичных процессов фотосинтеза, описываемых в обобщеннойкинетической модели процессов в фотосинтетической мембране. ФСI, ФСII — фотосистемы I и II, bf — цитохромный b6f-комплекс, Хл — хлорофилл антенны, P680 и P700 —пигменты реакционных центров фотоситем II и I. QA — первичный хинонный акцепторэлектронов ФСII, цит bL и bH — низко- и высокопотенциальный гемы цитохрома b, цитf — цитохром f, FeS — акцепторный комплекс ФCI, PQ — пластохинон; PQH2 — пластохинол; Фд — ферредоксин, Пц — пластоцианин.
R-COO- — буферные группы. Знаки«+» и «–» показывают, что в результате светоиндуцированных процессов люмен тилакоида заряжается положительно, а строма хлоропласта — отрицательно. Жирные стрелки обозначают кванты света и флуоресценции. Тонкими стрелками показан переносэлектронов по цепи электронного транспорта и потоки ионов H+, K+ и Cl− после включения освещения. 483Лебедева Галина Владимировна. Выпускница кафедры биофизикибиологическогоф-таМГУ, специалист в области метаболическихсетей, фотосинтеза, математического моделирования субклеточныхпроцессовТаким образом, наряду с концентрациями отдельных переносчиков, модель описывает кинетику изменений электрического и электрохимического потенциала на фотосинтетической мембране.
Рассмотрим основные типы структурных элементов системы и их описание в модели.Мультиферментные комплексы. В липидную мембранувстроены пигмент-белковые комплексы фотосистемы I, фотосистемы II, цитохромный комплекс, комплекс АТФ-синтазы,Натальякоторые в определенных обстоятельствах могут перемещаться БеляеваЕвгеньевна — старв мембране, однако скорости этого перемещения малы по ший научный сотрудниккафедрыбиофизикисравнению с характерными временами первичных процессов биологического фа-1культетаМГУ,специафотосинтеза (менее 0.1 с ). Для описания процессов в пределист в области матемалах мультиферментных комплексов мы использовали уравне- тического моделирования для вероятностей состояний комплекса; их структура ния фотосинтеза.и примеры рассмотрены в лекции 22.Схемы состояний отдельных мультиферментных комплексов могут входитьв модель с разной степенью подробности в зависимости от целей моделирования. Наиболее часто используемым индикатором состояния фотосинтетическогоаппарата фотосинтетической мембраны является флуоресценция, источникомкоторой служит фотосистема II.
Поэтому наиболее детально нами рассматривалась схема состояний ФСII (рис. 23.7). Обозначения приведены в пояснениик рисунку. На рис. 23.8, 23.9 приведены схемы состояний цитохромного комплекса и фотосистемы I. Более подробному описанию этих комплексов посвящены наши работы [18, 17]. 484ЛЕКЦИЯ 23Рис.23.7. Схема каталитического цикла фотосистемы II. Каждый прямоугольник представляет собой одно из кинетических состояний ФСII, определяемое редокс-состояниемвходящих в него переносчиков электрона. Затененными показаны состояния, способныек испусканию квантов флуоресценции. Chl — весь хлорофилл ФСII, включая пигментыантенны и пигмент реакционного центра Р680; Phe — первичный акцептор электроновфеофитин; QA и QB — первичный и вторичный хинонные акцепторы; PQ — пластохинон; PQH2 — пластохинол; HL+ — протоны, выделяемые в люмен; HS+ — протоны, поглощаемые из стромы тилакоида.
Пунктирными стрелками показаны быстрые (с характерным временем менее 0.1 мс) стадии цикла, сплошными стрелками — медленные(с характерным временем не менее 1 мс) стадии, жирными стрелками — световые стадии. Цифры рядом со стрелками соответствуют номерам реакций, буквы над прямоугольниками (xi, yi, zi, gi, i = 1, ..., 7) — обозначениям переменных модели [21]. КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО485Рис.23.8. Схема каталитического цикла цитохромного b6f-комплекса. Каждый прямоугольник представляет собой одно из возможных кинетических состояний b6f-комплекса,определяемое редокс состоянием входящих в него переносчиков электрона.
Блок цитохромного b6f-комплекса включает перенос электронов от PQH2, восстановленного настромальной стороне ФСII согласно схеме процессов, называемой Q-циклом. После восстановления в ФСII пластохинол PQH2 диффундирует в мембране (реакция 41). При окислении PQH2 в люменальном сайте b6f-комплекса один электрон поступает на железосерный центр Риске (высокопотенциальный путь), другой — на окисленный гем bl (низкопотенциальный путь). Электрогенными полагали стадии: (1) выделение двух протоновв люмен (реакции 43–48), сопутствующее окислению PQH2 до PQ, (2) поглощение двухпротонов (Hs+) из стромы (реакции 55–60) в стромальном сайте, (3) трансмембранный перенос электрона от гема bl к окисленному высокопотенциальному гему bh (реакции 61–63).roxБуквы ci, i = 1, 2, …, 12, обозначения переменных модели.
Pc и Pc — пластоцианин, восстановленный и окисленный [17].Зависимость параметров модели от потенциала. Фотосинтетическая мембрана представляет собой своеобразный конденсатор. Процессы трансмембранного переноса электронов и ионов приводят к созданию трансмембранного электрического потенциала на мембране, который, в свою очередь, оказывает влияниена электронные потоки.
Многочисленные эксперименты с воздействием внешнего поля подтверждают, что скорость переноса электрона в пределах мультиферментного комплекса зависит от потенциала на тилакоидной мембране [Dau andSauer, 1992, 13]. 486ЛЕКЦИЯ 23КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО(PSI4)FdoxP700PcoxFeSr71Fdr70Pcr(PSI2)(PSI1)68P700FeSoxPcoxP700*69P700+FeSoxFeSr(PSI3)Fdox7372P700+PcrFeSoxFdr(PSI5)Рис. 23.9. Упрощенная схема процессов переноса электрона в ФСI. Р700 — хлорофиллреакционного центра.
FeSr и FeSox , Fdr и Fdox, Pcr и Pcox — акцепторный комплекс ФСI,ферредоксин и пластоцианин в восстановленном (r) и окисленном (ox) состояниях. Обозначения PSIi, i = 1, 2, …, 5, соответствуют переменным модели.В модели мы полагали, что скорость переноса электрона на участках, перпендикулярных плоскости мембраны, зависит от ∆ψ. При этом для равновесного состояния справедливо следующее соотношение:⎛ nF Δψ ⎞K = K eq ⋅ exp ⎜⎟.⎝ RT ⎠В левой части формулы стоит величина константы равновесия, представляющая собой отношение прямой и обратной констант реакций, в правой части — Keq — константа равновесия в отсутствие ∆ψ, умноженная на величину,учитывающую изменение свободной энергии за счет воздействия ∆ψ на суммарный переносимый заряд; F — константа Фарадея, n — общее число зарядов, переносимых через мембрану.
Подобное соотношение использовали для оценкиэлектрогенности каждой отдельной стадии переноса заряда, при этом константыскорости соответствующих реакций зависят от ∆ψ следующим образом:k j ( Δψ ) = k 0j exp (δ β j F Δψ / 2 RT ) ,k j − ( Δψ ) = k 0j − exp ( −(1 − δ ) β j F Δψ / 2 RT ) . 487Здесь верхний индекс нуль относится к константе скорости при ∆ψ = 0, βj указывает вклад каждой электрогенной стадии в генерацию ∆ψ, δ — часть общего мембранного потенциала (βj ∆ψ), которая влияет на константу скорости прямой реакции.Учет зависимости скоростей реакций от трансмембранного электрическогопотенциала является важной особенностью модели и позволяет описать в рамкахединой модели целый класс экспериментальных зависимостей.Подвижные переносчики.
Перенос электрона между комплексами осуществляется подвижными переносчиками, при этом в каждом из пространственныхкомпартментов системы перемещаются биомакромолекулы разной природы.В люменальном внутреннем пространстве тилакоида это молекулы белка пластоцианина, во внешнем стромальном пространстве — молекулы белка ферредоксина, внутри бислойного липидного слоя мембраны — молекулы пластохинонав нейтральной и дважды протонированной форме (пластохинол). В лекции 24 мырассмотрим подход «прямого» моделирования, позволяющий с помощью формализма броуновской динамики описывать поведение индивидуальных подвижныхпереносчиков в различных компартментах тилакоида. В кинетической обобщенной модели мы описывали их взаимодействие с комплексом при помощи традиционного аппарата уравнений действующих масс (см.
уравнения (23.7)).Трансмембранный перенос протонов и других ионов. Трансмембранныйперенос протонов внутрь мембраны против градиента концентраций сопряженс процессами электронного транспорта и происходит на нескольких участках фотосинтетической цепи.Наибольший вклад в создание электрохимического протонного потенциалана мембране вносит перенос протонов молекулами двухэлектронного переносчика пластохинона.
Подвижная в мембране молекула пластохинона присоединяетсяк акцепторному сайту ФСII, получает последовательно два электрона и присоединяет из стромального пространства два протона. Дважды протонированнаянейтральная молекула пластохинола (PQH2) отсоединяется от комплекса ФСIIи начинает свободно диффундировать во внутримембранном пространстве, покане осуществится контакт с люминальным сайтом цитохромного комплекса.В процессе этого контакта два электрона последовательно переходят в цепь цитохромного комплекса, а два протона выделяются в люминальное пространство,внося вклад в создание электрохимического градиента протонов на мембране.Выделение протонов в люминальное пространство происходит также в процессеразложения воды водоразлагающим комплексом на донорной стороне ФСII.
Этипроцессы включены в схему переходов между состояниями мультиферментногокомплекса ФСII (рис. 23.7), учитывающую процессы, связанные с созданиемтрансмембранного градиента протонов.Перенос протонов внутрь тилакоида может происходить также в процессе циклического транспорта электронов вокруг фотосистемы I с участием молекул PQ.Расходование ∆µН происходит в процессе работы АТФ-синтазы, в ходе которой создаются молекулы АТФ из АДФ и неорганического фосфата. При этом используется энергия градиента протонов, процесс сопровождается возвращениемпротонов из люминального в стромальное пространство. Уменьшение градиентапротонов происходит и вследствие пассивной утечки протонов из люминальногопространства. 488ЛЕКЦИЯ 23КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГОνI =VI ⋅ eδ Iψ ⋅ ( I p − e−ψ ⋅ I n )⎛I p ⋅ eδ Kψ⎜⎜1 +Kp⎝⎞ ⎛I ⋅ eδ Iψ ⎞⎟⎟ ⋅ ⎜1 + n⎟Kn ⎠⎠ ⎝Интенсивность флуоресценцииЗахват и освобождение протонов в стромальном и люминальном сайтах ФСIIи цитохромного комплекса, сопряженные со светоиндуцированным переносомэлектрона, приводят к перераспределению зарядов в строме и люмене.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
