WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Карелина Татьяна Александровна ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ КИНЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ФОТОСИНТЕЗА И ПОИСК ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ПОГЛОЩАЕМОГО СО2 Специальность 03.00.02 – биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Александр Константинович Кукушкин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Владимир Александрович Караваев доктор биологических наук, старший научный сотрудник Николай Георгиевич Бухов Ведущая организация Институт химической физики им. Н. Н. Семенова РАН, г. Москва

Защита состоится «22» мая 2008 г. в ч.

на заседании диссертационного совета Д 501.002.11 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: г. Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В.Ломоносова, физический факультет, аудитория _..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Автореферат разослан «» _ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.11 доктор физико-математических наук, доцент Хомутов Г.Б.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время пространственное строение и химический состав фотосинтетического аппарата изучены достаточно подробно. Однако многие вопросы остаются невыясненными, например, не ясно, какие регуляторные процессы обеспечивают оптимальное функционирование сложной фотосинтетической системы позволяя ей подстраиваться под изменяющиеся условия внешней среды. Вместе с тем, именно от этих процессов зависит продуктивность фотосинтеза, а улучшение продуктивности фотосинтеза, возможно, позволило бы решить ряд продовольственных и экологических проблем.

Наиболее ярким проявлением регуляторных связей является немонотонная (колебательная) индукционная кинетика флуоресценции, поглощения СО2 и других характеристик фотосинтетической системы, наблюдаемая при резком изменении условий. Одним из наиболее чувствительных экспериментальных методов изучения состояния фотосинтетической системы является регистрация индукции замедленной люминесценции. Так же, как и в кинетике выделения кислорода, поглощения СО2 и быстрой флуоресценции, при резком изменении внешних условий наблюдались затухающие колебания замедленной люминесценции.

Еще одним интересным методом исследования регуляторных связей в фотосинтезе является изучение ответа фотосинтетической системы (флуоресценции, скорости поглощения СО2 и количества P700+) на освещение с интенсивностью, меняющейся по гармоническому закону с частотой. Было показано [1], что при таком освещении регуляторные связи могут усложнять форму зависимости флуоресценции хлорофилла от времени: в разложении полученной кинетической кривой на гармонические составляющие будут присутствовать компоненты с частотами 2 и выше.

При изучении регуляции такой сложной системы для правильной интерпретации экспериментальных результатов может быть полезно построение математических моделей. Математическая модель описывает изменение во времени различных компонент системы, взаимосвязь между ними и регуляторные процессы. Способность модели описать различные кинетические режимы с характерными временами, совпадающими с полученными экспериментально, является хорошей проверкой адекватности модели и понимания процессов, влияющих на форму кинетических зависимостей.

Математическая модель может также облегчить поиск пути увеличения эффективности фотосинтеза. В настоящее время путем различных изменений фотосинтетического аппарата удавалось увеличить квантовый выход фотосинтеза. Математическая модель способна помочь достаточно быстро отыскать комбинацию параметров, изменение которых позволит достичь наилучшего результата, и уменьшить объем необходимой для этого дорогостоящей экспериментальной работы. Попытки поиска пути оптимизации работы фотосинтетической системы с помощью модели уже предпринимались [2], однако при этом изучалось только влияние параметров модели на ассимиляцию СО2. Известно, что увеличение интенсивности света может привести к возрастанию количества восстановленных переносчиков электронтранспортной цепи (к «перегрузке» ЭТЦ), что, в свою очередь, может привести к появлению активных форм кислорода, способных повредить фотосинтетический аппарат. Этот процесс называется фотоповреждением.

Поэтому, исследуя влияние параметров на эффективность фотосинтеза, необходимо также учитывать их влияние на количество восстановленных переносчиков ЭТЦ. При этом интересно было бы исследовать влияние параметров модели на работу фотосинтетической системы, как в стационарных условиях, так и при переменном освещении.

Цель работы. Целью работы был поиск с помощью математической модели, способной описать различные кинетические режимы фотосинтеза, пути оптимизации работы фотосинтетической системы для увеличения эффективности фотосинтеза с учетом необходимости защиты от фотоповреждения.

В связи с этим были поставлены задачи 1. Описать с помощью существующей модели колебательный режим замедленной люминесценции на качественном уровне, но с соответствующими характерными временами (периодом колебаний), наблюдаемыми в эксперименте, проверить влияние параметров на характеристики колебательного режима с целью описания механизма возникновения колебаний.

2. Сравнить стационарные скорости различных этапов фотосинтеза со скоростями, известными из эксперимента и рассчитанными с помощью других моделей, а также проверить, описывает ли модель другие переходные режимы.

3. Описать с помощью этой модели экспериментальные данные по кинетике фотосинтеза при освещении с интенсивностью, изменяющейся по гармоническому закону.

4. Изучить влияние параметров модели на ассимиляцию СО2 и количество восстановленных акцепторов ФС 2 при различных режимах освещения и найти комбинацию параметров, изменение которых обеспечит наибольшее увеличение эффективности фотосинтеза при минимальном увеличении степени восстановления ЭТЦ.

Научная новизна работы заключается в описании с помощью одной модели одновременно различных экспериментальных данных по переходным режимам фотосинтеза при изменении внешних условий. Впервые общая модель фотосинтеза, описывающая как первичные, так и темновые процессы, а также взаимодействие между ними, использовалась для исследования влияния кинетических параметров и внешних условий на характеристики работы фотосинтетической системы. При этом анализировалось не только изменение количества ассимилированного СО2, но и количество восстановленных переносчиков в электрон-транспортной цепи, что позволяет судить о степени увеличения риска фотоповреждения при изменении каких-либо параметров.

Практическая значимость заключается в том, что результаты работы могут быть использованы для увеличения эффективности работы фотосинтетической системы с целью повышения продуктивности фотосинтеза, причем с минимальной возможностью увеличения риска фотоповреждения.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 6-ти научных конференциях, в том числе на Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004» (Москва, 2004), «Ломоносов-2005» (Москва, 2005), «Ломоносов-2007» (Москва, 2007), Всероссийской конференции «Преобразование энергии света при фотосинтезе» (г. Пущино, 2005), V и VII Международных молодежных конференциях ИБХФ-РАН ВУЗы «Биохимическая физика», (Москва, 2005 и 2007) и Международной конференции “Photosynthesis in the post-genomic era” (Пущино, 2006).

Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, пяти приложений и списка цитируемой литературы. Диссертация включает страниц текста, 39 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы.

Глава 1 содержит литературный обзор. В разделе 1.1 описаны основные реакции фотосинтеза высших растений, включающие как первичные, так и темновые процессы. Раздел 1.2 посвящен механизмам регуляции фотосинтеза, в частности, перечислены такие механизмы, как перемещение части светособирающего комплекса (ССК) от ФС 2 к ФС 1, нефотохимическое тушение и циклический электронный транспорт вокруг ФС 1, приводящий к увеличению скорости синтеза АТФ. В разделах 1.3 и 1.4 описаны экспериментальные методы исследования регуляции фотосинтеза – регистрация индукционных кривых флуоресценции, поглощения СО2 и замедленной люминесценции.

Раздел 1.5 посвящен описанию экспериментального обнаружения колебательных режимов: колебаний при включении света и колебаний под воздействием света с интенсивностью, меняющейся по гармоническому закону.

Раздел 1.6 посвящен обсуждению существующих моделей фотосинтеза, с помощью которых предпринимались попытки описать колебательный режим.

Проанализированы недостатки существующих моделей и возможные причины возникновения трудностей в описании колебательного режима.

Раздел 1.7 посвящен способам поиска пути повышения продуктивности фотосинтеза. Проанализированы как экспериментальные способы (генетическая модификация различных компонентов фотосинтетической системы), так и теоретические методы (исследование влияния параметров математической модели на теоретическую скорость ассимиляции СО2).

В разделе 1.8 критически проанализированы проблемы в описании кинетических режимов и поиске способов повышения продуктивности фотосинтеза с помощью существующих моделей и сформулированы цели и задачи работы.

В Главе 2 приведено описание методов исследования. Раздел 2.посвящен описанию модели, развитой ранее на кафедре биофизики и используемой для расчетов в настоящей работе. Модель включает первичные процессы (поглощение света пигментами фотосистем, разделение зарядов), реакции электрон-транспортной цепи и несколько реакций цикла Кальвина.

Пункты 2.1.1-2.1.5 посвящены описанию процессов, учитываемых в модели.

Схема модели приведена на рис. 1. В пункте 2.1.6 приведена система уравнений, используемая для расчетов. В разделе 2.2 приведено описание методов, используемых для решения системы дифференциальных уравнений модели и программных средств, используемых для анализа результатов и некоторых расчетов.

Раздел 2.3 содержит описание метода анализа системы на устойчивость по Ляпунову, применявшегося для анализа влияния параметров на характеристики колебаний: частоту и коэффициент затухания. В этом же разделе перечислены программные средства, использованные для вычислений с помощью этого метода.

Глава 3 содержит результаты работы. Раздел 3.1 посвящен теоретическому описанию различных кинетических режимов, наблюдавшихся ранее в экспериментах. В пункте 3.1.1 описан колебательный режим замедленной люминесценции (рис. 2). Этот режим был получен путем подбора параметров, их значения приведены в подписи к рис. 2. Ранее уже высказывалась гипотеза о возникновении колебаний: после включения света происходит резкое повышение концентрации восстановленных акцепторов ФС 1, однако из-за недостатка АТФ акцепторы расходуются медленно, это приводит к увеличению потока циклического Рис. 1. Схема реакций фотосинтеза, учитываемых в модели. Здесь, - 1 * * пигменты антенны,, - пигменты антенны в возбужденном состоянии, 1 ~ ~ * * %1 %, - реакционные центры ФС 1 и 2,, - реакционные центры ФС 1 и 1 2 в возбужденном состоянии, Q, U и – электронные переносчики, DPGA – дифосфоглицерат, PGA – фосфоглицерат, Ru5P – рибулозо-5-фосфат, RuBP – рибулозобисфосфат, G3P – глицеральдегид-3-фосфат, ATP – АТФ.

электронного транспорта вокруг ФС 1, что, в свою очередь вносит вклад в реакции ЭТЦ, которые сопряжены с синтезом АТФ, и следовательно, повышается концентрация АТФ. Повышение концентрации АТФ приводит к увеличению скорости работы цикла Кальвина и понижению концентрации акцепторов ФС 1 и уменьшению потока ЦЭТ и скорости синтеза АТФ, после чего циклы повторяются, пока система не достигнет стационара. Анализ временных зависимостей, полученных в данной работе подтвердил эту гипотезу.

Пункты 3.2-3.4 посвящены анализу характеристик работы фотосинтетической системы, полученных с помощью модели при выбранных значениях параметров. Для того чтобы проверить, насколько соответствуют действительности значения констант, выбранные для описания колебательного режима, в пункте 3.2 проведено сравнение стационарных скоростей некоторых процессов, рассчитанных с помощью Рис. 2. Полученный с помощью модели колебательный режим замедленной люминесценции.

Значения параметров:A=410-4, B=1, F=0,04, G=1, C=1, C1=1, D=0, H0=1, F1=1, D1=1, D1b=0,04, G1=1, G1b=0, R=210-3, Rb=0,04, P=0,2, PF1=0,007, P3=0,1, P1=0,01, P2=410-3, P10=210-4, P11=10-5, P12=10-4, P13=10-4, PO21=0, PO22=0, PF2=0, PCO2=1, ADT=25.

Начальные условия: Z8(0)=2, Z10(0)=4, Z11(0)=0,1, остальные равны нулю.

используемой в работе модели и скоростей, рассчитанных с помощью других моделей. Анализ показал, что скорости процессов карбоксилирования РуБФ, фосфорилирования Ру5Ф и ФГА, синтеза АТФ и регенерации Ру5Ф совпадают со скоростями из других моделей с точностью до порядка. Имеются существенные отличия, однако и у других авторов наблюдаются расхождения в значениях скоростей до двух порядков. В пункте 3.1.3 приведено сравнение стационарных концентраций некоторых компонентов фотосинтетической системы, рассчитанных с помощью нашей модели и рассчитанных с помощью других моделей, а также измеренных в экспериментах. Сравнение показало, что используемая в данной работе модель при выбранных для описания колебательного режима параметрах достаточно правдоподобно описывает работу фотосинтетической системы (концентрации метаболитов и переносчиков ЭТЦ, рассчитанные с помощью модели, совпадают с литературными данными с точностью до порядка). В пункте 3.1.4 приведено описание с помощью данной модели изменения концентраций некоторых метаболитов цикла Кальвина после выключения насыщающего света.

Показано, что время достижения стационара совпадает в эксперименте и в модели и составляет около 40-50 с.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»