Г.Ю. Ризниченко - Лекции по математическим моделям в биологии (2-е издание) (1117248), страница 85
Текст из файла (страница 85)
При увеличении расстояния скорость снижается из-за уменьшения концентрации реагирующих моле-526ЛЕКЦИЯ 24ПРЯМЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙкул Pc. При уменьшении расстояния скорость также снижается, так как диффузиямолекул Pc в люминальном пространстве становится затрудненной, а при малойширине люминального пространства — вообще невозможной. Этот результатсоответствует наблюдаемому в эксперименте ингибированию реакции при гиперосмотическом стрессе.Результаты вычислительных экспериментов на прямой многочастичной модели, учитывающей электрическое поле мембраны, показали следующее.
Принулевой ионной силе заряд на мембране ингибирует реакцию связывания Pcи цитохромного комплекса, препятствуя приближению отрицательно заряженного Pc c сайтом связывания cyt f. При физиологических значениях ионной силыпорядка 30–50 мМ поле мембраны практически не влияет на скорость образования комплекса в стромальных областях мембраны (где преимущественно расположены мультиферментные комплексы ФСI). Однако в гранальных областях, гделипидный состав отличается от стромального и поверхностная плотность зарядавыше, может наблюдаться ингибирование реакции образования этого комплекса.Таким образом, наряду с фактором сужения люминального пространства, поверхностный заряд фотосинтетической мембраны может играть регуляторнуюроль и «тормозить» электронный транспорт в условиях избыточного освещения.Моделирование электростатических взаимодействий подвижногобелка с мембранойРеакция взаимодействия Pc с встроенными в фотосинтетическую мембрануцитохромным комплксом и комплексом ФСI происходит в поле мембраны.
Расчет потенциала для поверхности мембраны со встроенными комплексами позволяет включить в уравнения движения члены, отвечающие за электростатическиевзаимодействия заряженного Pc с полем мембраны. Эквипотенциальные поверхности, полученные при расчетах по уравнению Пуассона–Больцмана для поверхностного заряда на мембране, соответствующего липидному составу фотосинтетической мембраны σ = – 47.5 мКл/м2, приведены на рис.
24.29.Рис. 24.29. Фотосинтетические мембраны со встроенными мультиферментыми комплексами — цитохромным и ФСI. Эквипотенциальные поверхности (6.5 мВ) в люмене тилакоида хлоропласта, pH = 7, I = 100 моль/м3, σ = – 47.5 мКл/м2 [23].527Заключение. ПерспективыСистема процессов в фотосинтетической мембране представляет собой первичную энергетическую «фабрику», обеспечивающую мир живой природы энергией, и является уникальным объектом для исследования процессов в живых системах на уровне субклеточных наноструктур.
Кинетические модели систем дифференциальных уравнений оказались весьма полезными при моделированиипроцессов фотосинтетического электронного транспорта для описания особенностей кинетических индукционных кривых флуоресценции при разных режимахсветового возбуждения (вспышки разной интенсивности и длительности, непрерывное освещение). Кинетический подход может быть полезен и при изучениивзаимосвязи первичных процессов фотосинтеза с процессами темнового метаболизма растительной клетки, циклом Кальвина фиксации углерода, азотным и серным циклами, другими метаболическими путями. Их состояние влияет на степеньвосстановленности хинонного пула, эффективность работы акцепторной частиФСI, соотношение линейного и циклического транспорта электронов вокруг ФСI.В моделях, учитывающих взаимосвязь первичных процессов с метаболизмом, повидимому, не целесообразно использовать детальные субмодели мультиферментных комплексов, но можно использовать редуцированные блоки моделей, с темусловием, что они сохраняют основные кинетические характеристики полныхверсий.
Такие модели могут быть использованы для анализа не только нарастающего участка индукционной кривой флуоресценции, но и ее формы на более длительных временах. Важно отметить, что различные типы стрессов (ингибиторы,голодание и т. д.) вызывают существенное изменение формы индукционной кривой флуоресценции на временах больших, чем 1-2 с после включения света. Этиизменения часто связаны с эффектами кислородного стресса, нарушениями систем синтеза белков и другими процессами, детали которых в настоящее времянеизвестны. Но эти процессы необходимо включать в модели, хотя бы в виде параметров, если мы хотим использовать модели для количественного анализав биотехнологическом и экологическом мониторинге.528ЛЕКЦИЯ 24ПРЯМЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ В ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ529Кинетический подход доказал свою эффективность в решении задач об оценке значений констант скоростей реакций и соотношения энергетических потоковна отдельных участках цепи электронного транспорта.
Однако системы дифференциальных уравнений малопригодны для описания пространственной гетерогенности и сложной геометрии взаимодействующих макромолекул и сложногоинтерьера фотосинтетической мембраны. Напомним, что в ходе первичных реакций фотосинтеза в отдельных компартментах принимают участие сравнительнонебольшие ансамбли (десятки-сотни) молекул, и применение кинетического подхода, основанного на представлениях статической физики, здесь не вполне правомерно.Для моделирования взаимодействия ансамблей макромолекул сложной формы в гетерогенном интерьере мы развиваем подход «прямого» многочастичногомоделирования, в котором процессы моделируются «прямо так, как мы их представляем».Моделируемые молекулы перемещаются в соответствии с законами броуновской динамики, ориентируются друг относительно друга в электростатическом поле и образуют комплексы на трехмерной компьютерной сцене, сконструированнойв соответствии с нашими знаниями о пространственной организации фотосинтетической мембраны.
Адекватность модели проверяется соответствием кинетическиххарактеристик наблюдаемых процессов экспериментальным данным.Преимуществом прямого моделирования является возможность «прямого»учета формы и размеров молекул и элементов реакционного объема. Изменяяв модели форму и геометрические характеристики реакционного объема, числои расположение взаимодействующих молекул и другие характеристики, мы можем изучать их влияние на скорость изучаемой реакции.
Используя данные PDB,мы можем «прямо» вычислить распределение электрического потенциала вокругкаждой из взаимодействующих молекул и оценить роль электростатическихвзаимодействий в процессе докинга и формирования суперкомплекса, что является необходимым условием окислительно-восстановительной реакции. Такуюоценку можно сделать и на кинетической модели, но только вводя некоторые дополнительные «эффективные» параметры, значения которых потом трудно однозначно интерпретировать на языке физических представлений. Прямое многочастичное моделирование позволяет понять, каким образом физические механизмымолекулярных взаимодействий (диффузия, электростатика и проч.) определяютобщую динамику процессов в клетке.В настоящее время мы моделируем с помощью многочастичных моделейпроцессы взаимодействия ФСI в мембране с донорным компонентом Pc в люменеи акцепторным компонентом (Fd или Fld) в строме.
Изучение в рамках единоймодели этих процессов позволяет пролить свет на механизмы регуляции работыфотосинтетического реакционного центра со стороны его донорно-акцепторногоокружения [21].Другим направлением многочастичного моделирования является попыткавключить в многочастичную модель процессы образования трансмембранногоградиента протонов. Мы также работаем над построением модели, в которой объ-единены подходы кинетического моделирования (описание процессов переносаэлектрона внутри фотосинтетических мультиферментных комплексов с помощьюуравнений для вероятностей состояний) и прямого многочастичного моделирования для описания переноса электрона подвижными переносчиками.Фотоиндуцированный электронный транспорт начинается там, где уже произошел докинг, в моделировании которого прямые модели продемонстрировалисвои очевидные достоинства.
И если для описания физики процессов внутри фотосинтетического реакционного центра необходимы подходы молекулярной динамики, то для описания кинетики флуоресценции, наблюдаемой на нативныхобъектах, при описании переноса электрона внутри комплексов, по-видимому,достаточно использовать кинетические модели.В целом, использование методов кинетического и прямого многочастичногомоделирования и их сочетания в исследовании процессов фотосинтеза представляется нам перспективным как для фундаментального изучения механизмов процессов в живой клетке, так и для практических целей диагностики состояния растительной клетки в биотехнологическом и экологическом мониторинге.Литература к лекции 241. Albertsson P.-A. The domain structure and function of the thylakoid membrane.Recent Res.
Devel. Bioenergetics. 1: 143–171, 2000.2. Albertsson P.-A. A quantitative model of the domain structure of the photosyntheticmembrane. TRENDS Plant Sci. 6: 349–354, 2001.3. Bendall D. S. and Manasse R. S. Cyclic photophosphorylation and electron transport.
Biochim. Biophys. Acta 1229: 23–38, 1995.4. Cleland R. E. and Bendall D. S. Photosystem I cyclic electron transport: Measurement of ferredoxin:plastoquinone reductase activity. Photosynth. Res. 34: 409–418,1992.5. Crowley P., Hunter D., Sato K., McFarlane W., Dennison C. The parsley plastocyanin–turnip cytochrome f complex: A structurally distorted but kinetically functional acidic patch. Biochem. J. 378: 45–51, 2004.6. Gross E. L. A Brownian dynamics study of the interaction of Phormidium laminosum plastocyanin with Phormidium laminosum cytochrome f.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
