Г.Ю. Риниченко - Лекции по математическим моделям в биологии 2011 (1123215), страница 81
Текст из файла (страница 81)
В люменальном внутреннем пространстве тилакоида это молекулы белка пластоцианина, во внешнем стромальном пространстве — молекулы белка ферредоксина, внутри бислойного липидного слоя мембраны — молекулы пластохинона в нейтральной и дважды протонированной форме (пластохинол). В лекции 24 мы рассмотрим подход «прямого» моделирования, позволяющий с помощью формализма броуновской динамики описывать поведение индивидуальных подвижных переносчиков 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.
Трансмембранный перенос протонов внутрь мембраны против градиента концентраций сопряжен с процессами электронного транспорта и происходит на нескольких участках фотосинтетической цепи. Наибольший вклад в создание электрохимического протонного потенциала на мембране вносит перенос протонов молекулами двухэлекгронного переносчика пластохинона. Подвижная в мембране молекула пласгохинона присоединяется к акцепторному сайту ФС11, получает последовательно два электрона и присоединяет из стромального пространства два протона. Дважды протонированная нейтральная молекула пластохинола (ЩНз) отсоединяется от комплекса ФС11 и начинает свободно диффундировать во внутримембранном пространстве, пока не 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. Вьшеление протонов в люминальное пространство происходит также в процессе разложения воды водоразлагающим комплексом на донорной стороне ФСБ. Эти процессы включены в схему переходов между состояниями мультиферментного комплекса ФС11 (рис.
23.7), учитывающую процессы, связанные с созданием трансмембранного градиента протонов. Перенос протонов внутрь тилакоида может происходить также в процессе циклического транспорта электронов вокруг фотосистемы 1 с участием молекул Щ Расходование АИН происходит в процессе работы АТФ-синтезы, в ходе которой создаются молекулы АТФ из АДФ и неорганического фосфата. При этом используется энергия градиента протонов, процесс сопровождается возвращением протонов из люминального в стромальное пространство.
Уменьшение градиента протонов происходит и вследствие пассивной утечки протонов из люминального пространства. ЛЕКЦИЯ 23 488 Захват и освобождение протонов в стромальном и люминальном сайтах ФСБ ицитохромного комплекса, сопряженные со светоиндуцированным переносом электрона, приводят к перераспределению зарядов в строме и люмене. Создаваемый электрический потенциал (Лур) вызывает пассивные потоки ионов через тилакоидную мембрану.
Наряду с пассивной утечкой протонов, имеют место потоки других ионов, в нашей модели мы учитывали потоки ионов Н, К, СГ. Для описания процессов утечки ионов мы использовали представление о трехбарьерном механизме переноса ионов через канал (эйринговский подход). Влияние трансмембранного потенциала Акр на скорость процесса описывали в соответствии с формулой 125): е '" (1 — е '" 1„) р Этот же формализм использовали для описания механизма АТФ-синтазной реакции.
В формировании градиента протонов принимают участие буферные группы, локализованные в люминальном и стромальном пространстве. В модели учитываются реакции ассоциации — диссоциации этих групп. Флуоресценция — индикатор состояния фотосинтезирующей системы Современные 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 центров на нативных обьектах, значительно затруднены по сравнению с выделенными фотосинтетическими реакционными центрами.
Поэтому основным показателем фотосинтетической активности является флуоресценция. В значительной степени это связано также с тем, что для наблюдения кинетической кривой индукции флуоресценции разработаны удобные экспериментальные приемы, например, так называемые РАМ-флуорометры, использующие быстро следующие друг за другом насыщающие импульсы света малой длительности 14, 101. Основным источником испускания флуоресценции являются возбужденные молекулы хлорофилла ФС11, однако интенсивность свечения зависит от всей совокупности процессов, происходящих в фотосинтетической мембране.
Таким образом, регистрируя кинетическую кривую изменения интенсивности флуоресценции во времени при различных условиях, можно получать информацию о процессах, происходящих на разных стадиях преобразования энергии а фото- синтетической мембране. КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО 489 5 о 34 о ~Ф 4 о и г 1 О 10 ' 10 ' 10' 1О' 10' 10' 10' 10' !О ' !О 10' 1О' 10' 1О' 1О' Время 1мс) Рис. 23.10.
Экспериментальные н 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 ~ (цитируется по [Бпаззег е! а!., 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 з, которым соответствовали значения световых констант ФСП, равные 1500, 150 и 15 с ' 121). Классические экспериментальные индукционные кривые флуоресценции для разных интенсивностей света приведены на рис. 23.10а.
Кинетическую кривую флуоресценцин, регистрируемую после включения освещения, принято разделять ЛЕКЦИЯ 23 на две фазы: быстрая фаза — возрастание интенсивности флуоресценции от начального уровня Ра до максимального Р за времена порядка одной секунды, и медленная фаза — релаксация интенсивности флуоресценции к некоторому стационарному состоянию за времена порядка десятков секунд. Кривая может иметь весьма сложный характер, причем отдельные кинетические особенности приписываются 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 кривой флуоресценции.
Многие работы посвящены изучению и моделированию кинетических особенностей быстрого нарастающего участка индукционной кривой (рис. 23.10, участок О1)Р 111, 8, 12, 14, 1]). Рассматриваются процессы, протекающие на временах от миллисекунд до одной секунды в изолированной ФСП. Однако модель изолированной ФС11 не позволяет описать кинетику индукции флуоресценции при средних и низких интенсивностях света, а также медленную фазу индукционной кривой. Причина этого очевидна: в более медленных процессах лимитирующими становятся реакции не в самой ФС11, а реакции на более удаленных стадиях электрон-транспортной цепи.
Понятно, что на таких временах начинают сказываться регуляторные влияния более медленных процессов генерации трансмембранного элекгрохимического потенциала, взаимодействия системы первичных реакций с циклом Кальвина фиксации углерода, процессы энергизации мембраны, хлоропластного дыхания и другие. Разработанная нами обобщенная модель 121-24], включающая описание всей электрон-транспортной цепи, позволяет описать вил кривой индукции флуоресценции при различных интенсивностях света.
Результаты моделирования экспериментальной кинетической кривой быстрой индукции флуоресценции при разных интенсивностях света, основанные на детальном рассмотрении схемы возможных состояний комплекса реакционного центра ФСП представлены на рис. 23.10б. Интенсивность флуоресценции пропорциональна сумме состояний с индексами 2 и б в схеме состояний комплекса фотосисгемы 11, приведенной на рис. 23.7. Обозначения даны в поснениии к рисунку.
Исследование показало, что для описания индукции флуоресценции при низких 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 рассмотреть процессы в цепи переноса электрона, происходящие в цитохромном комплексе и комплексе фотосистемы 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
