Г.Ю. Ризниченко - Лекции по математическим моделям в биологии (2-е издание) (1117248), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Ячейку, в которой находится частица,При определении частиц, с которыми данная частица может столкнуться илипристыковаться, рассматриваются не все частицы, а только те, которые находятсяв той же ячейке, что и данная, или в ближайших соседних ячейках (см. рис. 24.5).Очевидно, что все частицы за пределами ближайших ячеек находятся дальше,чем на максимальном расстоянии взаимодействия, и, таким образом, их можно нерассматривать. При концентрации частиц, характерной для моделируемой системы, в ближайших ячейках находится порядка 2-3 частиц, и, таким образом, времявычислений растет практически линейно с увеличением числа частиц (если ихсредняя концентрация не изменяется).Если случайное перемещение частицы на данном шаге приводит к ее столкновению с другой частицей, шаг отбрасывается, и перемещение разыгрывается снова.Для каждого типа комплекса и подвижного переносчика задается свое характерное время реакции образования и распада комплекса и характерное время передачи электрона между комплексом и подвижным переносчиком.Кинетические кривые, полученные методом многочастичного моделированиядля взаимодействия двух типов частиц в растворе, совпадают с теоретическимикинетическими кривыми, соответствующими закону действующих масс.
Это подтверждает правомерность применения метода прямого моделирования для описания процессов электронного переноса.Моделирование циклического транспорта электроноввокруг фотосистемы IМетод прямого моделирования был применен для описания процессов циклического электронного транспорта вокруг фотосистемы I. Параллельно была506ЛЕКЦИЯ 24ПРЯМЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ507построена серия кинетических моделей разной степени детализации. Решали задачу о механизмах формирования кинетики релаксации сигнала ЭПР (рис. 24.6а)при различных концентрациях добавленного Фд, в частности, вопрос о природемедленного компонента сигнала.
В литературе этот вопрос многократно обсуждался. Высказывалась гипотеза, что этот компонент связан с восстановлениемфотоактивного пигмента фотосистемы I Р700 от пула неспецифических донорови акцепторов.Рис. 24.7. Схема кинетической модели циклического транспорта электронов вокруг ФСI.Прямоугольниками обозначены комплексы ФСI, FQR и цитохромный b6f-комплекс.Р700 — пигмент реакционного центра ФСI, А — обобщенный акцептор, R — центр Риске, b — высокопотенциальный цитохром bh, Fd — ферредоксин, Pc — пластоцианин,Q — пластохинон, Q– – — пластохинол, Qn — семихинон на n-сайте комплекса цитохромов (у внешней поверхности мембраны). Стрелками показаны пути электронного транспорта, kin, kout, k1, …, k14 — константы скоростей соответствующих реакций переносаэлектрона.
Пунктирными линиями изображены границы тилакоидной мембраны и граница пула неспецифических акцепторов и доноров электронов [Коваленко и др., 2003].Рис. 24.6. Экспериментальный сигнал ЭПР (а) и полученная на прямой модели кинетика+(б) окислительно-восстановительных превращений P700в натурных и численных экспериментах по изучению организации циклического транспорта вокруг фотосистемы 1(Коваленко и др., 2003).Схема кинетической модели циклического транспорта вокруг фотосистемы I представлена на рис. 24.7.
В схеме учтены процессы докинга молекул подвижного переносчика Фд на акцепторной стороне ФСI, участие цитохромногокомплекса в окислительно-восстановительных превращениях PQ. Предполагается, что передача электрона с Фд на PQ осуществляется с помощью белковогокомплекса ферр–доксин–хинон–редуктазы FQR, имеющего сайт посадки Фд,экспонированный в стромальную область, и сайт посадки PQ, экспонированныйвнутрь мембраны.Кинетическая модель была построена с использованием систем уравненийдля вероятностей состояний мультиферментных комплексов реакционного центра фотосистемы 1 и цитохромного комплекса.
Взаимодействие подвижных переносчиков с комплексами описывали с помощью закона действующих масс.Модель позволила описать совокупность экспериментальных данных по кинетикевосстановления Р700 при различных концентрациях Фд.Как и в эксперименте, амплитуда и вклад быстрой фазы сигнала увеличивается с ростом концентрации Фд, причем характерное время этой фазы практическине меняется, поскольку определяется скоростью взаимодействия PQ с цитохромным комплексом. Природа медленной фазы (характерное время — несколько секунд) остается неясной и вызывает большую дискуссию в литературе [3, 4, 17].В соответствии с высказанными предположениями, в кинетической модели этафаза определяется существованием неспецифического пула доноров и акцепторовэлектрона (рис.
24.7).С помощью метода прямого многочастичного моделирования как быстрая,так и медленная фазы сигнала могут быть описаны без привлечения дополнительных гипотез. Причем наличие медленной фазы оказывается связанным с пространственной гетерогенностью системы, роль которой не может быть выявленав рамках рассмотренной кинетической модели.Трехмерная сцена модели прямой циклического транспорта вокруг ФСI представлена на рис.
24.8. Известно, что циклический транспорт электронов происходит в межгранальных стромальных ламеллах, а в гранальных и концевых областях мембран осуществляется линейный транспорт [2]. Поэтому сцена на рис. 24.8обладает латеральной гетерогенностью, в ней присутствуют две различные смежные области — гранальная и стромальная.508ЛЕКЦИЯ 24ПРЯМЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ509генностью системы. При этом нет необходимости в дополнительных предположениях о существовании пула неспецифических доноров и акцепторов.Прямая модель циклического транспорта электронов вокруг ФСI нагляднодемонстрирует тот факт, что наблюдаемая в эксперименте кинетика окислительно-восстановительных превращений отдельных переносчиков электрона определяется не только концентрациями и редокс-состояниями реагентов, не толькоконформационными состояниями комплексов, но и пространственным распределением молекул подвижных переносчиков.
Известно, что изменение физиологического состояния клетки приводит к изменению расстояний между гранами тилакоида и другим изменениям в геометрической структуре системы. Прямая модель дает возможность проследить, как эти изменения влияют на кинетическиехарактеристики спектральных сигналов, являющихся биофизическими индикаторами состояния растительной клетки.Моделирование взаимодействия белков с учетомэлектростатических взаимодействийРис.
24.8. Визуализация трехмерной сцены многочастичной модели циклического транспорта электронов вокруг фотосистемы I. Показаны гранальная и стромальная области, частьмембраны тилакоида, люменальное и стромальное пространство.В компьютерном (как и в реальном) эксперименте систему в течение 1.5 с освещали.
На модели явно видно, что в течение этого времени восстановленные отФд через FQR молекулы пластохинона равномерно распределяются в гранальнойи стромальной областях мембраны. После выключения света электроны из пулапластохинонов продолжают поступать на Пц через цитохромный комплекс. Этопроисходит как в гранальной, так и в стромальной областях, так как цитохромныйкомплекс распределен в мембране однородно. В стромальной области восстановленный пластоцианин сравнительно быстро восстанавливает пигмент реакционогоцентра ФСI Р700 (характерное время 200 мс), этот процесс соответствует быстрой+фазе восстановления P700.
Как и в эксперименте, в модели быстрое восстановление++P700происходит не полностью, остается фракция окисленных P700. Прямая модельпоказывает, что причина этого в том, что часть электронов находится на пластохиноне и пластоцианине в гранальных областях мембраны, в которых отсутствует ФСI.В дальнейшем диффузия PQ внутри мембраны и Пц в люминальном пространстве продолжается, электроны постепенно возвращаются в стромальную+область и происходит довосстановление P700. Время этой фазы восстановлениясоставляет до 10 с и определяется геометрией системы.
Таким образом, результи+рующая кривая восстановления фотоокисленного P700приближенно представляетсумму двух экспонент (рис. 24.6). Прямая многочастичная модель естественнообъясняет наличие двух фаз темнового восстановления пространственной гетеро-Рассмотренная выше модель описывает процессы переноса электрона какстолкновение шариков. Между тем, белки-переносчики электрона имеют сложнуюформу, и для того, чтобы перенос стал возможным, белки должны образовать комплекс, в котором расстояние между реакционными центрами столь мало, что возможно туннелирование заряда с одной молекулы на другую.
Как правило, для этогонеобходима уникальная взаимная ориентация белка-донора и белка-акцептора. Образование такой уникальной конформации донор-акцепторного комплекса требуетне только сближения белков, но также их взаимной ориентации и дальнейших конформационных изменений, осуществляемых с помощью ван-дер-ваальсовых взаимодействий, водородных связей и других химических связей.Таким образом, процесс переноса электрона с одной белковой молекулы надругую включает четыре последовательные стадии, изображенные на рис.
24.10:1. броуновскую диффузию подвижного переносчика в пространстве соответствующего компартмента;2. сближение подвижного переносчика с другим белком или мультиферментным комплексом за счет электростатических сил притяжения между молекулами,взаимную ориентацию молекул в пространстве;3. образование предварительного суперкомплекса, в котором возможна передача электрона (эта стадия получила название докинг);4. перенос электрона с одной молекулы на другую в окончательном суперкомплексе (туннелирование).Оба белка могут быть подвижными в растворе или, как это имеет место прифотосинтетическом электронном транспорте, один из белков может быть подвижным (Пц в люмене тилакоида), а второй — быть частью относительно неподвижного встроенного в мембрану мультиферментного комплекса.
Пример расположения такого суперкомплекса цитохромного b6 f-комплекса и пластоцианинав мембране тилакоида показан на рис. 24.11.510ЛЕКЦИЯ 24ПРЯМЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ511Процесс «заякоривания» молекулы подвижного переносчика на мультиферментном комплексе определяется не только вероятностью столкновения с донорной частью комплекса, но и тем, насколько близко окажутся при этом активныецентры, то есть необходимо рассматривать, какие части реагирующих макромолекул сближаются.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
