Г.Ю. Риниченко - Лекции по математическим моделям в биологии 2011 (1123215), страница 87
Текст из файла (страница 87)
24.22, 24.23 представлены эквипотенциальные поверхности, построенные для комплекса ФС1 и белка-акцептора электронов Флд при разных значениях ионной силы раствора. 50,' 05 ФМН ФМН 50,' Мг Рис. 24.22. Эквипотенциальные поверхности -6.5 мВ (серый цвет) и 6.5 мВ (черный цвет) для Флд. Темно-серые кругкки — атомы молекулы, сгрелка указывает расположение кофакгора ФМН. а — ионная сила раствора 0 мМ, б — ионная сила раствора 80 мМ (21]. о Ю Рис. 24.23. Эквипотеициальиые поверхности — 6.5мВ (серый цвет) и 6.5мВ (черный цвет) для фотосистемы 1.
Сверху находится акцепториая сторона, снизу доиорная; а — ионная сила раствора 80 мМ, б — ионная сила раствора 0 мМ (21]. ПРЯМЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ 523 Полученная на модели зависимость константы скорости реакции образования суперкомплекса ФС1 с Флд от ионной силы при расстоянии докинга 22 А и вероятности докинга 0.025 представлена на рис. 24.24б. Качественный характер зависимости согласуется с экспериментальными данными. адм 6,0х1 о - 4,0х1 о о 2,0х1 О, 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 ), мМ мо О 40 00 120 100 200 240 [яоС11 [хои) Рнс. 24.24.
(а) Экспериментальная зависимость наблюдаемой константы скорости реак- ции от ионной силы раствора из [12]; (б) модельная зависимость константы связыва- ния ст ионной силы раствора, расстояние докинга г = 22 А и вероятности докинга р = 0.025 [2Ц. Спадающий участок приведенных на рис. 24.24 зависимостей при значениях ионной силы, превышающих 40 мМ, связан с ослаблением сил электростатического притяжения при увеличении ионной силы. Вызывает интерес немонотонный характер полученной на модели зависимости, а именно, падение наблюдаемой константы скорости при уменьшении ионной силы ниже 40 мМ.
В работе [191 высказывается предположение о том, что падение константы связывания при малых значениях ионной силы вызвано сдвигом равновесия в сторону быстро переходящих друг в друга электростатически выгодных взаимных ориентаций флаводоксина относительно фотосистемы 1. Эти ориентации не являются оптимальными с точки зрения образования комплекса, в котором осуществляется электронный транспорт, и наблюдаемая скорость реакции при таких малых значениях ионной силы меньше. На модели получено аналогичное уменьшение константы скорости образования предварительного комплекса при значениях ионной силы ниже оптимш1ьных.
Таким образом, прямое многочастичное моделирование показывает, что для формирования немонотонного характера зависимости достаточно учета только электростатических взаимодействий. На моделях в растворе также были изучены зависимости величины константы скорости реакции от геометрических размеров реакционнопх объема.
Изменение геометрических размеров может приводить к существенным изменениям величины наблюдаемой константы скорости реакции и, таким образом, служить одним 524 ЛЕКЦИЯ 24 из эффективных механизмов регуляции фотосинтетических процессов со стороны растительной клетки (как это имеет место, например, при осмотическом стрессе). Моделирование процессов докинга в люмене тилакоида Полученные на модели взаимодействия белков в растворе значения параметров многочастичной модели были использованы для имитации процессов взаимодействия Пц и цитохромаг — выступающей в люминальное пространство части цитохромного комплекса — в люмене тилакоида.
Модель люминального пространства представляла собой реакционный объем, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, сверху и снизу он был ограничен мембранами, с торцов были применены зеркальные граничные условия (рис. 24.25). Рис. 24.25. Визуализация модельной сцены, люмена, ограниченного сверху и снизу тилакоидными мембранами (заштрихованы), и белков пластоцианина (Рс) и цитохромаг" (Суз 1) в виде эллипсоилов вращения. Площадь мембран, расстояние между ними, плотность расположения цитохромных комплексов на мембранах и концентрация подвижных переносчиков оценивались по литературным данным: диаметр гранальной мембраны варьируется от 300 до 600 нм [181, плотность цитохромных Ьг комплексов на мембране равна 2.55 на 1000 нм [21, количество молекул пластоцианина приняли равным з количеству цитохромных Ь~-комплексов (при толщине люмена 100 А это соответствуег концентрации пластоцианина 430 мкМ).
При совмещении двух РРВ-структур — комплекса белков пласгоцианина из шпината и цитохромаГ" из турнепса (РРВ-структура 2РСР [19)) и цитохромного Ьг, 1'-комплекса из СЫаглудотолаз ге(лЬатйй (РОВ-структура 1(190), было найдено возможное взаимное расположение комплекса пластоцианина и цитохрома~относительно мембраны (рис. 24.11). Полученная ориентация молекул цитохрома (' (из комплекса 2РСР) относительно мембраны была реализована в модели. На модели изучали зависимость скорости реакции от расстояния между мембранами тилакоида (ширины люминального пространства). ПРЯМЫ8 КОМПЬЮтбРНЫЕ МОДРЛИ 525 е Ф Э в Рис. 24.27. Два варианта модельной сцены: а — молекулы цитг" закреплены на мембранах люмена (плотность распределения соответствует экспериментальным данным), б— молекулы свободно диффундируют в кубическом реакционном пространстве, объем которого равен объему люмена в случае (а). 1.2х10 1,0ыо' 8,0МО' 'о е,ох10' 1Е 4,0х10' 2,0х10' о,о 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 2, ИМ Рис.
24.28. Зависимость скорости реакции образования комплекса Пц-цит7", отнесенной к концентрации цито в люмене тилакоида, от расстояния 2 между мембранами при неизменном количестве молекул. Показано 1',рис. 24.28), что максимальная скорость реакции имеет место при расстоянии между мембранами, равном 8 нм (что соответствует экспериментальным оценкам для нормального протекания фотосинтеза). При увеличении расстояния скорость снижается из-за уменьшения концентрации реагирующих моле- ЛЕКЦИЯ 24 526 кул Пц.
При уменьшении расстояния скорость также снижается, так как диффузия молекул Пц в люминальном пространстве становится затрудненной, а при малой ширине люминального пространства — вообще невозможной. Этот результат соответствует наблюдаемому в эксперименте ингибированию реакции при гиперосмотическом стрессе. Моделирование электростатических взаимодействий подвижного белка с мембраной Реакция взаимодействия Рс с встроенными в фотосинтетическую мембрану цитохромным комплксом и комплексом ФС1 происходит в поле мембраны.
Расчет потенциала для поверхности мембраны со встроенными комплексами позволяет включить в уравнения движения члены, отвечающие за электростатические взаимодействия заряженного Рс с полем мембраны. Эквипотенциальные поверхности, полученные при расчетах по уравнению Пуассона — Больцмана для поверхностного зар1ща на мембране, соответствующего липидному составу фотосинтетической мембраны 01 = — 47.5 мКл/м, приведены на рис.
24.29. ~Ф а Ф 1Ф 100 0-,Ц 1Ф Рнс. 24.29. Фотосннтетнческне мембраны со встроенными мультнферментымн комплексами — цнтохромным н ФС1. Эквнпотенцнальные поверхности (6.5 мВ) в люмене тнлакоцаа хлоропласта, РН = 7, 1= 100 моль/м~, о= — 47.5 мКл/м 123). ПРЯМЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ 527 Результаты вычислительных экспериментов на прямой многочастичной модели, учитывающей электрическое поле мембраны, показали следующее.
При нулевой ионной силе заряд на мембране ингибирует реакцию связывания Рс и цитохромного комплекса, препятствуя приближению отрицательно заряженного Рс с сайтом связывания суг 1. При физиологических значениях ионной силы порядка 30-50 мМ поле мембраны практически не влияет на скорость образования комплекса в стромальных областях мембраны (где преимущественно расположены мультиферментные комплексы ФС1). Однако в гранальных областях, где липидный состав отличается от стромального и поверхностная плотность заряда выше, может наблюдаться ингибирование реакции образования этого комплекса.
Таким образом, наряду с фактором сужения люминального пространства, поверхностный заряд фотосинтетической мембраны может играть регуляторную роль и «тормозить» электронный транспорт в условиях избыточного освещения. Заключение. Перспективы Система 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 моделировании процессов фотосинтетического электронного транспорта для описания особенностей кинетических индукционных кривых флуоресценции при разных режимах светового возбуждения (вспышки разной интенсивности и длительности, непрерывное освещение). Кинетический подход может быть полезен и при изучении взаимосвязи первичных процессов фотосинтеза с процессами темпового метаболизма растительной клетки, циклом Кальвина фиксации углерода, азотным и серным циклами, другими метаболическими путями. Их состояние влияет на степень восстановленности хинонного пула, эффективность работы акцепторной части ФС1, соотношение линейного и циклического транспорта электронов вокруг ФС1. В моделях, учитывающих взаимосвязь первичных процессов с метаболизмом, повидимому, не целесообразно использовать детальные субмодели мультиферментных комплексов, но можно использовать редуцированные блоки моделей, с тем условием, что они сохраняют основные кинетические характеристики полных версий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
