Г.Ю. Риниченко - Лекции по математическим моделям в биологии 2011 (1123215), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Возможен также «циклический» перенос электрона с акцепторной части ФС1 обратно на пул хинонов РО+ РОНь И линейный, и циклический пути сопряжены с переносом внутрь тилакоида протонов, используемых АТФ-синтазой для синтеза АТФ. Рассмотрим упрощенную схему электрон-транспортной цепи, включающую две фотосистемы, пул хинонов между ними и подвижные переносчики, взаимодействующие с акцепторной частью ФС1, Фд и НАДФН, которые являются посредниками циклического электронного транспорта вокруг ФС1. Примем во внимание, что циклический транспорт может осуществляться двумя путями — непосредственно с Фд и через НАДФН (схема 23.1).
Рамки вокруг фотосисгем на схеме символизируют многокомпонентные мультиферментные комплексы. КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО 471 хте хте-с ма -1.О -0.5 'ЙхдФ~' а о 1о 0.5 НаО, Еаеснсмме! йи 1.О Рис. 23.1. (а) Схема организации первичных процессов. (0) Энергетическая схема процессов фотосинтеза (2(. ~ФС(( РО ~ФС(~ Фд НАДФН Схема 23.1 472 ЛЕКЦИЯ 23 Уже такая упрощенная модель позволяет изучать влияние регуляции отдельных стадий переноса электрона на характеристики наблюдаемых в эксперименте кинетических кривых. Наиболее часто в эксперименте регистрируются индукционные кривые флуоресценции, источником которой являются возбужденные молекулы хлорофилла ФСП, и кинетические кривые степени окисленносги фотоактивного пигмента ФС1 Р;,, наблюдаемые спектральными методами (по поглощению в области 820-840 нм н по сигналу ЭПР).
Модель можно представить в виде трех блоков: мультиферментных комплексов фотосистем 1 и П, перенос электронов в которых мы будем описывать уравнениями для вероятностей состояний комплексов (см. лекцию 22), и блока подвижных переносчиков, взаимодействие которых с мультиферментными комплексами мы будем описывать с помощью уравнений действующих масс. Стремясь к упрощению модели, мы будем представлять в модели в виде единой стадии совокупность последовательных процессов, скорость общей реакции определяется наиболее медленным звеном. Уравнения для вероятностей состояний фотосистемы 11 Функционально ФСП можно разделить на две составляющие: донорную (Р) и акцепторную (А).
Возбужденный светом хлорофилл РЦ ФСП, окисляясь, передает электроны в акцепторную часть, а восстановление РЦ происходит за счет донорной части. Донорная часп, представлена кислород-выделяющим комплексом (КВК) и тирозином — Х, которые участвуют в передаче электрона от воды в РЦ ФСП. Акцепторной частью ФСП является совокупность переносчиков электрона от хлорофилла РЦ ФСП до вторичного хинона: феофитин, первичный хинон Ях и вторичный хинон Яв. Донорная и акцепторная части объединены в один мультиферментный комплекс. Поскольку нас интересуют общие закономерности взаимодействия фотосистем с системами метаболизма растительной клетки, сложный белковый комплекс ФСП мы будем описывать состоянием пары доноракцептор (РА). В модели хлорофилл РЦ ФСП присутствует в двух состояниях: нейтральное состояние Р,' , способное к передаче электронов в акцепторную часть, и окисленное состояние Р;,, которое может принимать электроны. Восстановление окисленного хлорофилла РЦ Р„, происходит за счет притока электронов от донорной части, процесс восстановления записывается как переход к состоянию хлорофилла РЦ ФСП ( Р,' ).
Акцепторная часть в модели представлена одним акцепторным компонентом хинонной природы — О. В нейтральном состоянии Щ" ) принимает элекгрон от РЦ ФСП, а в восстановленном ( 9 ) передает электроны в пул хинонов Щ. КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО 473 Схема состояний ФС11 В определенный момент времени каждый комплекс ФСП может находиться водном из четырех состояний: 1) П [Р,',„Я'], 2) П [Р;, Я'], 3) И [Р,', Я ]. 4) И [Р; 0 ]. Вероятность Ря нахождения части популяции комплексов ФСП в одном из состояний 1, 2, 3 и 4 можно представить как отношение концентрации комплексов, находящихся в соответствующем состоянии [Р,' Яз], к общей концентрации комплексов ФСП [Р, ф,: я=4 Сумма вероятностей состояний '~ Р„, = 1.
йм Процессы передачи электрона в комплексе ФСП описываются как переходы между состояниями. Начальные значения состояний определяются условиями эксперимента. Схема переноса электрона в модели ФСП представлена на рис. 23.2. н,о Рис. 23.2 Кинетическая схема перехода между состояниями в модели ФСП. Мономолекулярные константы скоростей переходов между состояния обозначены штрихами. Бимолекулярные константы взаимодействия комплекса с подвижными переносчиками— без штрихов. 474 ЛЕКЦИЯ 23 Процесс разделения зарядов В биологической системе этот переход включает в себя улавливание квантов света пигментами антенны, миграцию энергии света внутри антенны ССК2, перенос энергии с антенны на реакционный центр ФСП, разделение зарядов в РЦ ФСП и передачу на первичный и затем вторичный хинон Ов.
В модельной системе все эти процессы объединены в одну стадию перехода от состояния Рщ к состоянию Р«л с «интегральной» константой Гс„. Величина «интегральной» константы определяется частотой попадания квантов света на светособираюшую антенну и эффекгивным сечением поглощения антенного комплекса. Размеры антенны могут изменяться при освешении вследствие процессов спилловера (перемещения антенны от ФСП к ФС1), изменением состава каротиноидов, входящих в состав антенны, и т.
п. Соответственно, может меняться и величина кеь но эти изменения происходят гораздо медленнее (минуты), чем процессы переноса электрона по фотосинтетической цепи. Обратный переход от состояния Р,а к Р~я описывается константой и оь В модельной системе процесс обратного переноса электрона (от восстановленного акцептора обратно к хлорофиллу РЦ) отражает процессы излучательной и безызлучательной рекомбинации зарядов. Передача электрона из донорной части в РЦ ФСП В реальной системе в формировании последовательного транспорта электронов от воды в реакционный центр участвуют марганецсодержащий кластер (Мпкластер) водоразлагающего комплекса и тирозин (обозначается Туг или У).
Этот процесс включает в себя б-цикл окисления воды и дальнейшую передачу электрона на Туг. В модели эти процессы включены в стадию перехода от состояния Рш к Рзл и от Р4я к Рзл с константой lгьз. Работу Б-цикла можно считать одной из медленных стадий восстановления РЦ ФСП, характеризующуюся временами 0.01-0.3 с. Соотвегствуюшая этим временам константа Ц„з принимает значения порядка 3-100 с 1. Обратный поток электронов от РЦ ФСП к донорной части характеризуется константой /с';„з.
Передача электрона от ФСП в пул хинонов В модели предполагается, что молекулы пула пластохинонов (РО) могут находиться в двух формах — нейтральной (Р( ) и восстановленной (Щ ]. В реальной системе процесс передачи от акцептора ФС1 к РО является двустааийным. Принятие электрона пластохиноном сопряжено с присоединением протона. В модельной системе все эти процессы обьединены в одну стадию переноса электрона от состояний Рзл и Р4л ФСП к РО с константой А,„ш Взаимодействие ФСП с подвижными переносчиками в модели рассматривается по бимолекулярному КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО 475 механизму. Параметр Е,„„характеризует отток из фотосистемы П, а lс,„„описывает обратный процесс (возвращение электронов в ФСП).
Отток электронов из ФСП переводит ее из состояния Рзл в Рш и от Р4л к Ртл. Скорость передачи электрона внутри комплекса характеризуется константой А..'„„ первого порядка. Константы Е,„„и /~,'„„связаны между собой соотношением Й и и п[Р 1; связь констант )г,„п и )!',„„записывается выражением Й',„„= Й,„„(РО ). Общее количество молекул пластохинона в пуле считается постоянным: ~РЯ]+] РО ] = ~РЯ],. Количество молекул Щ в пуле в и раз превосходит количество молекул фотоактивного пигмента Рма.
(РЯ], = и[Р ],. Кинетические уравнения для вероятностей состояний ФСП имеют вид Р ,2Рш Ф, и +)г- 2)Рья+)г Лл й (23.2) Концентрации переносчика Рьяв в нейтральном и в окисленном состоянии и переносчика 9 в нейтральном и восстановленном состоянии выражаются через суммы вероятностей состояний комплекса, в которых данный переносчик представлен в соответствующем редокс-состоянии. Например, выражение для концентрации акцепторного компонента ФСП, ответственного за флуоресценцию, имеет вид (23.3) Уравнения для вероятностей состояний фотосистемы 1 Донорная сторона ФС! представляет собой сайт связывания ФС1 с пластоцианином, за счет окисления последнего происходит восстановление РЦ ФС1. Акцепторная часть ФС1 представляет собой совокупность переносчиков от хлорофилла РЦ ФС! к Фд: специальный хлорофилл а (Ао), филлохинон (А1) и железо-серные центры Є— Р, — Рь Как и для ФСП, для ФС! мы не рассматриваем детально процесс разделения зарядов и транспорт электрона с хлорофилла РЦ на первичный акцептор А ФС1 и далее на железо-серные центры.
Акцепторная часть ФС1 в модели представлена акцептором А. В нейтральном состоянии (Аа) акцеп- 476 ЛЕКЦИЯ 23 тор принимает электроны от РЦ ФС1, а в восстановленном состоянии (А ) передает электроны на Фд. В модели процесс восстановления фотоакгивного пигмента Р700 записывается как приток электронов, пропорциональный концентрациям восстановленных молекул пула пластохинонов и концентрации молекул Р700 в окисленном состоянии: 'ьр700з' В каждый момент времени популяция комплексов ФС1 может находиться в 4 разных состояниях с вероятностью [РА] [РА] [РА] [РА] [РА], — общая концентрация комплексов ФС1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
