Г.Ю. Ризниченко - Лекции по математическим моделям в биологии (2-е издание) (1117248), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Создаваемый электрический потенциал (∆ψ) вызывает пассивные потоки ионов через тилакоидную мембрану. Наряду с пассивной утечкой протонов, имеют место потоки других ионов, в нашей модели мы учитывали потоки ионов H+, K+, Cl-.Для описания процессов утечки ионов мы использовали представлениео трехбарьерном механизме переноса ионов через канал (эйринговский подход).Влияние трансмембранного потенциала ∆ψ на скорость процесса описывалив соответствии с формулой [Рубин, 2000]:.Этот же формализм использовали для описания механизма АТФ-синтазнойреакции.В формировании градиента протонов принимают участие буферные группы,локализованные в люминальном и стромальном пространстве. В модели учитываются реакции ассоциации–диссоциации этих групп.5(а)489100%P10%41%321F00-21010-1100101102103104105(б)Флуоресценция — индикатор состояния фотосинтезирующейсистемыСовременные исследования сосредоточены в основном на изучении хлоропластов и целых фотосинтезирующих клеток водорослей и высших растений.Спектральные измерения, регистрирующие изменение редокс-состояний отдельных переносчиков, входящих в состав фотосинтетических реакционных центровна нативных объектах, значительно затруднены по сравнению с выделеннымифотосинтетическими реакционными центрами.
Поэтому основным показателемфотосинтетической активности является флуоресценция. В значительной степениэто связано также с тем, что для наблюдения кинетической кривой индукциифлуоресценции разработаны удобные экспериментальные приемы, например, такназываемые РАМ-флуорометры, использующие быстро следующие друг за другом насыщающие импульсы света малой длительности [4, 10].Основным источником испускания флуоресценции являются возбужденныемолекулы хлорофилла ФСII, однако интенсивность свечения зависит от всей совокупности процессов, происходящих в фотосинтетической мембране. Такимобразом, регистрируя кинетическую кривую изменения интенсивности флуоресценции во времени при различных условиях, можно получать информациюо процессах, происходящих на разных стадиях преобразования энергии в фотосинтетической мембране. Рис.
23.10. Экспериментальные и модельные кривые индукции флуоресценции (ИФ)хлорофилла при разных интенсивностях освещения. а) кривые ИФ, полученные в эксперименте при освещении адаптированных к темноте листьев гороха красным (650 нм)светом интенсивностью 600 (100 %), 60 (10 %) и 6 (1 %) Вт⋅м−2 (цитируется по [Strasseret al., 1995]); б) кривые индукции флуоресценции, рассчитанные с помощью модели.Расчеты производились для трех разных уровней освещения объекта: 1000 (100%), 100(10%) и 10 (1%) Вт⋅м−2, которым соответствовали значения световых констант ФСII,равные 1500, 150 и 15 с−1 [21].Классические экспериментальные индукционные кривые флуоресценции дляразных интенсивностей света приведены на рис.
23.10а. Кинетическую кривуюфлуоресценции, регистрируемую после включения освещения, принято разделять 490ЛЕКЦИЯ 23на две фазы: быстрая фаза — возрастание интенсивности флуоресценции от начального уровня F0 до максимального Р за времена порядка одной секунды,и медленная фаза — релаксация интенсивности флуоресценции к некоторомустационарному состоянию за времена порядка десятков секунд. Кривая можетиметь весьма сложный характер, причем отдельные кинетические особенностиприписываются влиянию разных компонентов фотосинтетического аппарата [7].Встает вопрос, что можно сказать о состоянии фотосинтетического аппарата растительной клетки, изучая кинетическую кривую индукции флуоресценции, и насколько эти выводы однозначны.В последнее десятилетие большинство моделей фотосинтетических процессов ставило своей целью воспроизвести особенности индукционной кривойфлуоресценции.
Большинство работ посвящены изучению и моделированию кинетических особенностей быстрого нарастающего участка индукционной кривой(рис. 23.10, участок OIJP [11, 8, 12, 14, 1]). Рассматриваются процессы, протекающие на временах от миллисекунд до одной секунды в изолированной ФСII.Однако модель изолированной ФСII не позволяет описать кинетику индукциифлуоресценции при средних и низких интенсивностях света, а также медленнуюфазу индукционной кривой.
Причина этого очевидна: в более медленных процессах лимитирующими становятся реакции не в самой ФСII, а реакции на болееудаленных стадиях электрон-транспортной цепи. Понятно, что на таких временахначинают сказываться регуляторные влияния более медленных процессов генерации трансмембранного электрохимического потенциала, взаимодействия системы первичных реакций с циклом Кальвина фиксации углерода, процессы энергизации мембраны, хлоропластного дыхания и другие.Разработанная нами обобщенная модель [21, Rubin and Riznichenko, 2009, 25],включающая описание всей электрон-транспортной цепи, позволяет описать видкривой индукции флуоресценции при различных интенсивностях света.
Результаты моделирования экспериментальной кинетической кривой быстрой индукциифлуоресценции при разных интенсивностях света, основанные на детальном рассмотрении схемы возможных состояний комплекса реакционного центра ФСIIпредставлены на рис. 23.10б. Интенсивность флуоресценции пропорциональнасумме состояний с индексами 2 и 6 в схеме состояний комплекса фотосистемы II,приведенной на рис. 23.7. Обозначения даны в поснениии к рисунку.Исследование показало, что для описания индукции флуоресценции принизких интенсивностях света и процессов на временах более 1 с (медленная фаза индукции флуоресценции) необходимо включить в модель процессы генерации электрического и электрохимического потенциала, а также рассмотретьпроцессы в цепи переноса электрона, происходящие в цитохромном комплексеи комплексе фотосистемы I.
Подробное описание результатов моделированиядано в [15, 21, 25]. КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО491Результаты и возможности кинетического моделированияСформулированная модель дает возможность изучать поведение целостнойфотосинтетической мембраны на основе заложенных в модель представлений оботдельных элементах системы и их взаимосвязи. Интеграция знаний в виде генерализованной модели позволяет проводить вычислительные эксперименты, в процессе которых изучать кинетику отдельных компонентов при разных значенияхвнутренних и внешних параметров системы и таким образом выяснять механизмы регуляции процессов. Кинетика компонентов системы при включении светаразной интенсивности приведена на рис.
23.11. Анализ и сравнение кинетическогоРис. 23.11. Индукционные кривые, рассчитанные с помощью модели первичных процессов фотосинтеза для трех разных интенсивностей освещения объекта: 1000, 100 и 10(1%) Вт⋅м−2. Рисунки, расположенные в одном столбце, соответствуют одинаковомууровню освещенности.
Результаты показаны на логарифмической шкале времени. (а)Относительный выход флуоресценции (F) и значение трансмембранного электрическогопотенциала (Δψ). (б) Концентрации различных возбужденных состояний ФСII.(в) Скорости процессов, генерирующих и потребляющих электрический заряд в люмене тилакоида: H+b6f — поток протонов в люмен при окислении пластохинола на люменальной стороне b6f-комплекса; H+OEC — поток протонов в люмен от кислородвыделяющего комплекса ФСII; H+ATP — скорость потребления протонов люмена в АТФсинтазной реакции; K+leak — скорость утечки ионов K+ из люмена тилакоида [21]. 492ЛЕКЦИЯ 23КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГОхода кривых позволяет выявить роль отдельных состояний комплекса фотосистемыII (рис. 23.11б) и ионных потоков (рис.
23.11в) в формировании индукционныхкривых флуоресценции и трансмембранного электрического потенциала(кривая F и кривая ∆ψ на рис. 23.11а).Примером такого исследования служит задача идентификации параметровпроцессов безызлучательной диссипации энергии в фотосинтетических реакционных центрах ФСII, решаемая в работах [16, 1] путем фитирования модельныхкривых по данным эксперимента по освещению объекта мощной очень короткой(наносекунды) вспышкой света. При этом для описания кинетики флуоресценцииможно использовать модель изолированной ФСII и считать, что вспышка приводит в возбужденное состояние все пигменты реакционного центра P680.На рис.
23.12 представлена схема эксперимента, проведенного в лабораториипрофессора Ренгера (Институт технологии, Берлин) и результаты фитированияданных по регистрации выхода флуоресценции во временном интервале от 100 нсдо 10 с после мощной короткой вспышки (продолжительностью 10 нс).
Применение модели переходов между состояниями ФСII, в которой дополнительноучтены процессы безызлучательной диссипации энергии, позволяет оценитьконстанты скоростей диссипативных процессов, включая процессы нефотохимического тушения, связанные с окисленной формой фотоактивного пигмента Р680и каротиноидами. Подробное описание модели и обсуждение результатов представлено в [16, 1].Таким образом, кинетические модели позволяют проверить адекватностьпредставлений о механизмах функционирования отдельных участков фотосинтетической цепи, оценить вклад различных процессов в формирование кинетических индукционных кривых и соотношение электронных потоков на отдельныхстадиях электронного транспорта. Идентификация параметров модели по совокупности экспериментальных данных дает возможность оценить значения кинетических параметров, прямое экспериментальное наблюдение которых в настоящее время невозможно.Моделирование процессов в фотосистеме II, вызванных короткоймощной вспышкой светаОбобщенная кинетическая модель содержит большое число переменныхи параметров.
Значения некоторых из них можно найти в литературе. Другие,например константы скоростей безызлучательных диссипативных процессовв фотосинтетических реакционных центрах, не поддаются прямому экспериментальному измерению. Для любой сложной системы число таких параметров достаточно велико. Чтобы оценить значения этих параметров, необходимо ставитьспециальные эксперименты, создавать такие условия, чтобы для описания процессов можно было использовать упрощенную модель с меньшим числом параметров. Соответственно, их идентификация становится более простой задачей.Lg(I/Iизм)10 ns90Литература к лекции 23100ns−50μs10 s0sабРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
