Обобщенная модель первичных процессов фотосинтеза

Актуальность. Первичные процессы фотосинтеза включают сопряженные стадии преобразования энергии, протекающие в компартментах, которые образованы тилакоидными мембранами хлоропластов. Механизмы отдельных стадий достаточно подробно изучены экспериментально и теоретически. Вместе с тем, существует проблема регуляции целостной системы первичных процессов фотосинтеза, решение которой должно быть основано на совокупности данных о механизмах отдельных стадий процессов, протекающих в системе.

При изучении фотосинтезирующих объектов имеется возможность количественно регистрировать светоиндуцированные кинетические зависимости, характеризующие перенос электронов и выражающиеся в явлениях индукции флуоресценции (ИФ), генерации А/3/у+. Известно, что возбужденные состояния хлорофилла фотосистемы 2 (ФС2) вносят основной вклад в регистрируемую флуоресценцию. Особенности процессов ИФ, генерации А/лн + обусловлены совокупным взаимодействием всех стадий переноса электронов в ФС2, ФС1, цитохромном 66/ комплексе, и сопряженными процессами переноса протонов и других ионов в компартментах тилакоида. Для теоретического анализа результата взаимодействия этих процессов и их влияния на форму кривой ИФ, регистрируемой в эксперименте, используются методы математического моделирования.

Большинство имеющихся в литературе моделей, описывающих быструю фазу ИФ (подъем от начального до максимального уровня), подробно рассматривают процессы в фотосистеме 2. Тем не менее, эти модели способны описать только некоторые особенности изменения флуоресценции, регистрируемые в эксперименте при действии диурона (Trissl el а/. 1993), при высокой (Stirbet et al. 1998), при низкой (Baake, Shloeder 1992) световых интенсивностях на интервале времени от 0 до 0.5 с. Модели, которые можно назвать обобщенными, не детализируют процессы в пределах одного комплекса, а рассматривают перенос электрона между ФС2 и ФС1. Это позволяет описать кинетику ИФ, а также анализировать влияние цикла Кальвина на ход индукции флуоресценции на временах больше секунды (Караваев, Кукушкин 1993). Известны также работы по моделированию светоиндуцированных потоков протонов и ионов, позволяющие описать кинетику формирования АЧ* (Van Kooten el ей. 1986), либо АрН (Вершубский и др. 2003) либо А/лн+ (Cruz et al. 2001).

В настоящей работе мы исходили из того, что полное кинетическое описание начальных стадий фотосинтеза возможно лишь в рамках единой модели, описывающей перенос электронов, процессы трансмембранного переноса ионов и генерацию светоиндуцированного А]2Н+ .

Цели и задачи исследования. Основная цель работы — разработать комплексную модель кинетики первичных процессов фотосинтеза для описания индукционных явлений флуоресценции и генерации AfiH+, наблюдаемых экспериментально. Для достижения этой цели решались задачи:

1) Дать полное описание процессов переноса электрона в ФС2, ФС1, цитохромном b (J' комплексе и процессов сопряженного трансмембранного переноса протонов и противоионов, синтеза-гидролиза АТФ в комплексе АТФ синтазы с учетом буферных свойств люмена и стромы. Проверить адекватность полной модели по ее соответствию кинетическому ходу экспериментальных кривых ИФ как на малых (микросекунды), так и на более длительных (секунды) временах при различных световых интенсивностях.

2) В рамках единой модели учесть процессы ИФ, формирования А/лн+, включив в модель в явном виде генерацию AVF и АрН и их влияние на реакции переноса заряда.

3) Дать описание полного цикла функционирования ФС2, рассмотрев процессы разделения зарядов, стабилизации электрона и переноса его в пул хинонов. Определить временную область и диапазон световых интенсивностей, в которых применима модель изолированной ФС2.

Научная новизна. На основе детального рассмотрения механизмов первичных процессов, протекающих в компартментах хлоропластов и участвующих в создании Д/7Л/+, разработана обобщенная модель первичных процессов фотосинтеза. Дано количественное описание семейства кривых индукции флуоресценции и процессов генерации А]йИ+, наблюдаемых при действии света от низких до высоких интенсивностей. Найдены значения констант переноса зарядов, которые не могут быть определены в прямых экспериментальных измерениях. Результаты расчетов в модели выявляют вклады отдельных стадий в ИФ при разных интенсивностях света, роль ФС2 при высоких иптенсивностях, цитохромного комплекса, ФС1, AVF и переноса ионов при низких. Определены количественные параметры влияния ДЧ’на кинетику ИФ. Путем анализа модели характерным стадиям кинетических кривых ИФ удается сопоставить соответствующие кинетики редокс-состояний в процессе переноса электрона, генерации трансмембранных потоков ионов, образования Л47 и АрН.

Практическая значимость. Результаты анализа обобщенной модели позволяют проводить определение констант отдельных стадий переноса электронов и ионов, протекающих в конкретных экспериментальных условиях при воздействии света различной интенсивности и под влиянием ингибиторов. Модель позволяет выявить отдельные стадии фотосинтетических процессов, которые чувствительны к модификациям условий среды (интенсивное освещение, голодание, вредные экологические воздействия). Модель тилакоида может быть использована для преподавания по курсам «Фотосинтез» и «Математическое моделирование в биологии».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы представлены на IV Съезде Общества физиологов растений России (Москва, 1999) — на 2-м Съезде биофизиков России (Москва, 1999) — на 3-м Съезде фотобиологов России (Воронеж, 2001) — на 8−10 конференциях «Математика. Компьютер. Образование.» (Пущино, 2001,2003, Дубна 2002) — на конференции «Первичные процессы фотосинтеза» (Пущино, 2003). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, главы 1 — обзора литературы, главы 2 — описания модели, глав 3,4- описания и обсуждения результатов моделирования, выводов, приложений 1 и 2, списка литературы.

ВЫВОДЫ.

1. Разработана обобщенная модель первичных процессов фотосинтеза (модель тилакоида), которая включает процессы переноса зарядов в ФС2, ФС1, цитохромном Ь6 f комплексе, подвижными переносчиками, трансмембранный перенос ионов и протонов в АТФ синтазе, а также зависимость процессов переноса зарядов от трансмембранного ДТ.

2. Результаты анализа обобщенной модели позволяют проводить определение констант отдельных стадий переноса электронов и ионов, протекающих в конкретных экспериментальных условиях при воздействии света различной интенсивности и под влиянием ингибиторов.

3. Показано, что динамика накопления флуоресцирующих состояний определяется интенсивностью света (низкая, средняя, высокая), при которой получены кривые ИФ.

3.1. При высоких интенсивностях света характер изменения выхода флуоресценции на O-J-I-P-стадиях ИФ определяется главным образом переносом электрона на акцепторной стороне ФС2.

3.2. При низких интенсивностях света кинетика изменения флуоресценции на О-1-Р-стадиях ИФ определяется уже совокупностью процессов переноса с участием ФС2, Ь6 f комплекса, ФС1 и циклического транспорта, а, следовательно, может быть описана только в обобщенной модели.

4. Как показано в модели ФС2, влияние Д^Р тилакоидной мембраны (в люмене Д*Р>0) приводит к замедлению роста флуоресценции на J-I-стадиях ИФ, что обусловлено торможением переноса электрона на первичный хинонный акцептор QA. В тех же условиях увеличение амплитуды главного максимума на Р-уровне ИФ вызвано усилением степени обратимости реакции разделения зарядов в закрытых РЦ.

5. На временах в диапазоне от микросекунд до 10 секунд анализ обобщенной модели позволил представить в явном виде изменения во времени редокс состояний переносчиков электронов, образования ДТ и рН, трансмембранных потоков ионов, которые сопровождают изменения флуоресценции в процессе ИФ.

Заключение

и общие выводы.

На основании данных о механизмах фотосинтетических процессов реализовано количественное описание переходов между редокс состояниями мультиферментных комплексов, их взаимодействий с подвижными переносчиками, переноса протонов и других ионов через мембрану тилакоида, а также влияния электрического трансмембранного потенциала ДТ на трансмембранный перенос заряда. Теоретические результаты анализа модели тилакоида и моделей отдельных блоков соответствуют экспериментальным данным, полученным под действием света различной интенсивности, в условиях воздействия потенциала ДТ, рН, а также при действии ингибиторов и модификации условий среды. Теоретический анализ регистрируемых в конкретных условиях эксперимента кривых ИФ, образования AjuH +, а также светоиндуцированных изменений редокс состояний компонентов ЭТЦ позволяет найти значения констант отдельных стадий переноса электронов и ионов. В том числе могут быть определены константы реакций, которые не поддаются прямому экспериментальному определению. Анализ обобщенной модели позволяет в явном виде представить зависимости во времени различных процессов, сопровождающих индукцию флуоресценции: кинетику редокс состояний переносчиков электронов, образования ДТ и рН, трансмембранных потоков ионов.