WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ФРОЛОВ АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ рН-ЗАВИСИМОЙ РЕГУЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО И ПРОТОННОГО ТРАНСПОРТА В ХЛОРОПЛАСТАХ Специальность 03.00.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Тихонов Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Караваев Владимир Александрович кандидат физико-математических наук, Черепанов Дмитрий Александрович

Ведущая организация: Институт химической физики имени Н.Н.Семенова РАН

Защита состоится 18 июня 2009 года в 16 час. на заседании Совета по защите диссертаций Д501.002.11 по физико-математическим наукам при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: Москва, ГСП-1, 119991, Ленинские горы 1-2, МГУ, физический факультет, аудитория 5-19.

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

Автореферат разослан 14 мая 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.002.11 доктор физико-математических наук Г.Б. Хомутов 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Изучение механизмов регуляции процессов электронного и протонного транспорта в клетках фотосинтезирующих бактерий, водорослей и в хлоропластах высших растений – актуальная задача биофизики фотосинтеза.

Фотосинтез играет исключительно важную роль в круговороте веществ и энергии в биосфере. Известно, что в цепи электронного транспорта фотосинтезирующих организмов оксигенного типа имеются несколько участков, скорость электронного транспорта на которых контролируется значениями рН внутритилакоидного пространства (люмена) и стромы. Протолитическая реакция окисления пластохинола цитохромным b6f-комплексом – лимитирующая стадия переноса электронов между фотосистемами 2 и 1 (ФС2 и ФС1), скорость которой зависит от рН люмена (pHi). Скорость электронного транспорта на акцепторном участке ФС1 зависит от активности ключевых ферментов цикла Кальвина, которая, в свою очередь, контролируется величиной рН стромы (pHo).

Таким образом, фотоиндуцированные изменения pHi и pHo могут оказывать существенное влияние на кинетику световых и темновых стадий фотосинтеза в фотосинтетических системах оксигенного типа. Математическое моделирование рН-зависимых стадий электронного и протонного транспорта в хлоропластах высших растений может играть важную роль в анализе механизмов регуляции световых и темновых стадий фотосинтеза.

Цель и задачи исследования Основной целью данной диссертационной работы является теоретическое исследование рН-зависимой регуляции электронного и протонного транспорта в хлоропластах. Для решения этой задачи в диссертационной работе были выполнены теоретические исследования, направленные на решение двух конкретных задач.

1) Построение математической модели электронного и протонного транспорта в хлоропластах высших растений, учитывающей фотоиндуцированные изменения рН в люмене и в строме хлоропласта.

2) Квантово-химическое моделирование реакции окисления пластохинола в активном центре Qo цитохромного b6f-комплекса, являющейся лимитирующей стадией в цепи электронного переноса между двумя фотосистемами.

Научная новизна и практическая значимость работы Впервые построена математическая модель процессов электронного и протонного транспорта в хлоропластах, учитывающая наряду с изменениями pHi фотоиндуцированные изменения рН в строме, влияющие на скорость оттока электронов от ФС1 за счет активации ферментов цикла Кальвина. Эта модель описывает основные закономерности сложной кинетики фотоиндуцированного окисления Р700 в интактных хлоропластах.

Построены две модельные системы для квантовомеханического исследования реакции двухэлектронного окисления пластохинола в Qo центре цитохромного b6f-комплекса. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что первая стадия окисления хинола (переноса атома водорода от хинола к железосерному центру Риске) является эндоэргическим процессом, скорость которого лимитирует время оборота b6f-комплекса.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы представлены на Международной конференции «Ломоносов-2004», серия «Физика» (Москва), Vth Meeting of Russian Society for Photobiology and the International Conference "Light Energy Conversion in Photosynthesis" (Pushchino, 2008).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 4 работы, из них в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК – 2, тезисов докладов на Российских и международных научных конференциях – 2.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, включая обзор литературы и методы, заключения и выводов. Общий объем работы составляет _ стр. текста, включая _ рис., 2 таблицы и список литературы, содержащий _ наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение Рассмотрена актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы и определены основные задачи исследования.

Глава 1. Обзор литературы В первом разделе Главы 1 даны краткие сведения о фотосинтезе, рассмотрена схема строения хлоропластов. Следующий раздел содержит описание цепи электронного транспорта в фотосинтетических системах оксигенного типа, рассмотрена схема расположения электрон-транспортных комплексов (ФС1, ФС2 и b6f-комплекса) и их взаимодействие в тилакоидной мембране. Обсуждаются механизмы сопряжения электрон-транспортных процессов с процессами трансмембранного переноса протонов, особое внимание уделено роли пластохинона в этих процессах. Рассмотрено сопряжение энергодонорных реакций электронного транспорта с энергоакцепторными процессами синтеза ATP.

Третий раздел Главы 1 посвящен регуляции фотосинтеза в хлоропластах.

Основное внимание уделено анализу двух механизмов рН-зависимой регуляции, имеющих непосредственное отношение к теме диссертационной работы.

1. Регуляция электронного переноса на донорной стороне ФС1, обусловленная замедлением электронного транспорта в результате снижения рНi.

2. Ускорение оттока электронов от ФС1 вследствие индуцированной светом активации ферментов цикла Кальвина.

В четвертом разделе описана структура и особенности функционирования цитохромного b6f комплекса. Основное внимание уделено реакции окисления пластохинола, являющейся лимитирующей стадией в работе цепи фотосинтетического транспорта электронов.

В пятом разделе кратко рассмотрены теоретические работы по математическому моделированию электронного транспорта в фотосинтетических системах, которые наиболее близки к теме настоящей диссертационной работы. В последнем разделе Главы 1 рассмотрены теоретические аспекты электронного и протонного транспорта в биологических системах.

Глава 2. Методы В главе 2 приведены краткие сведения о методе функционала плотности.

Описана программа «Природа» (автор Д.Н. Лайков), которая позволяет проводить расчеты методом функционала плотности для достаточно больших систем. Все основные расчеты были выполнены с использованием обменнокорреляционного функционала PBE и наборов базисных функций 3z и 4z.

Глава 3. Моделирование электронного и протонного транспорта в хлоропластах с учётом активации цикла Кальвина и изменений рН стромы В этой главе описана разработанная в диссертации математическая модель электронного и протонного транспорта в хлоропластах высших растений и клетках цианобактерий, учитывающая фотоиндуцированные изменения внутритилакоидного pH (pHi) и рН стромы (pHo). Наряду с нециклическим транспортом электронов от ФС2 к конечному акцептору ФС1, в модели учитываются процессы синтеза АТР, сопряженного с трансмембранным переносом протонов через АТР-синтазу, а также потребление АТР и NADPH в цикле Кальвина. Учет фотоиндуцированных изменений рН в строме и в люмене позволил описать влияние рН-зависимых процессов регуляции электронного транспорта на донорной и акцепторной сторонах ФС1 на кинетику фотоиндуцированных редокс-превращений ряда переносчиков электронтранспортной цепи.

Для оценки фотоиндуцированных изменений pH в строме хлоропласта рассмотрена модель, предполагающая наличие трех замкнутых компартментов (рис.1). Мы принимаем, что все электронные переносчики, встроенные в тилакоидную мембрану (ФС1, ФС2, цитохромный b6f-комплекс, АТР-синтаза), равномерно распределены в мембране. Подвижные переносчики, связывающие ФС2 и ФС1, также равномерно распределены в системе – в тилакоидной мембране находятся молекулы пластохинона, во внутритилакоидном объеме – пластоцианин, в строме находятся терминальные акцепторы ФС1. Электронный перенос на участке b6f-комплекс пластоцианин ФС1 не является лимитирующим звеном в цепи нециклического транспорта электронов.

Считается, что скорость окисления пластохинола контролируется величиной внутритилакоидного рНi.

Цитозоль (рН = 8,0) JATP Строма (рН ) о H+ ADP+Pi ATP H+ Jcell Jpas H+ H+ H+ H+ l B- + H+ BH B- + H+ BH Внутритилакоидное пространство (рН) i Рис. 1. Схема компартментализации фотосинтетического аппарата в хлоропласте.

Рассматриваются следующие процессы протонного транспорта.

Появление протонов внутри тилакоида происходит за счет разложения воды в ФС2 и окисления пластохинола b6f-комплексом. Изменение концентрации ионов водорода в строме происходит вследствие связывания протонов молекулами пластохинона, восстанавливаемыми ФС2, а также восстановленными молекулами NADP. Кроме этого, учитывается связывание протонов буферными группами, расположенными в строме и на обеих поверхностях тилакоидной мембраны (рис.2). Рассматриваются трансмембранный перенос протонов, сопряженный с синтезом АТР (поток JATP), а также пассивная утечка протонов из тилакоида в строму (поток Jpass), не связанная с синтезом АТР, и поток протонов из стромы в цитозоль (поток Jcell). Локализованный в строме восстановленный терминальный акцептор электрона А- принимает протоны из стромы.

Протонированная форма этого переносчика (АН) потребляется в реакциях цикла Кальвина. Схема редокс-превращений конечного акцептора электрона А показана на рис. 2.

ADP+Pi kCC AH A Строма kAOJATP kAH ADP+Pi Jpas 2H+ kH+ A_ kQ kHo РРQ QH2 bf kkQ kPc Pc H+ H+ HO 1/2O2+2H+ 2H+ Внутритилакоидное пространство Рис. 2. Схема электрон-транспортных и протон-транспортных процессов, рассматриваемых в модели.

Для описания электрон-транспортных процессов введены следующие + переменные: 1) [P700] – концентрация окисленных реакционных центров, входящих в состав комплексов ФС1; 2) [Pc] – концентрация окисленного + пластоцианина; 3) [Q] – концентрация окисленного пластохинона; 4) [P680] – концентрация окисленных центров ФС2; 5) [A] – концентрация окисленной формы конечного акцептора электрона; 6) [AH ] – концентрация восстановленной протонированной формы конечного акцептора электрона, [ATP] – концентрация ATP. Для описания протон-транспортных процессов + введены переменные [Hi+ ] и [Ho ] – активности ионов водорода внутри тилакоида и в строме, соответственно. Система уравнений, описывающая кинетику редокс-превращений электронных переносчиков, имеет следующий вид:

+ d[P700 ] + + = L1k1[A]([P700 ]0 -[P700 ]) - kPc[P700 ]([Pc]0 -[Pc]), (1) dt d[Pc] kPc + bf = -4 KQ ([Q],[Pc],[Hi+ ]) + 2 [P700 ]([Pc]0 -[Pc]), (2) dt l l d[Q] + + = KQ ([Q],[Pc],[Hi+ ]) - L2kH [Q][Ho ]([P680 ]0 - [P680 ]), (3) bf o dt + d[P680] + + + = L2kH [Q][Ho ]([P680]0 -[P680]) - k2[P680], (4) o dt где L1, L2 – числа квантов света, попадающих к первичным донорам ФС1 и ФС2 в единицу времени; k1,k2,kPc,kH – эффективные константы скоростей o соответствующих реакций, bf – поверхностная плотность b6f-комплекса, l – толщина внутритилакоидного пространства (рис. 1, 2). Функция KQ([Q],[Pc],[Hi+]) характеризует совокупность процессов, связанных с окислением молекулы пластохинола цитохромным b6f-комплексом.

Следующие два уравнения описывают изменения концентраций окисленной (А) и восстановленной протонированной (АН) форм конечного акцептора электрона ФС1:

d[A] + = -L1k1 [A]([P700]0 - [P700]) + kCC([AH ],[ATP]) + kOx([A]0 - [A] - [AH ]), (5) dt l d[AH ] + = kAH[Ho ]([A]0 - [A] - [AH ]) - kA [AH ] - kCC([AH ],[ATP]), (6) dt где kAH, kA – константы скоростей реакций превращения конечного акцептора, kOx – константа скорости окисления восстановленной формы конечного акцептора электрона (A–) кислородом; - отношение внутреннего объема тилакоида к объему стромы.

Функция (7) описывает в обобщенной форме потребление NADPH и АТР в различных процессах биосинтеза (цикл Кальвина, синтез жирных кислот и т.д.).

[ATP][AH ] kCC([AH ],[ATP]) = RCC (7) s s s s k2 + k3[ATP] + k4[AH ] + k5[ATP][AH ] Множитель RCC является функцией, феноменологически описывающей процессы рН-зависимой активации ферментов цикла Кальвина. Для описания этих процессов была выбрана функция, имеющая следующий вид:

s s kmin - kmax s RCC = + kmax. (8) pHo -X X 1+ e При выборе этой функции мы исходили из литературных данных о зависимости активности ключевых ферментов цикла Кальвина от рН стромы.

Синтез ATP из ADP и ортофосфата ATP-синтазными комплексами и их расход в реакциях биосинтеза описывали уравнением:

d[ATP] 2 = J - kCC([AH ],[ATP]), (9) ATP dt 1l где 2 и 2 – стехиометрические коэффициенты соответствующих реакций.

Система уравнений, описывающая протон-транспортные процессы, имеет вид:

s s 2Kim Bim d[Hi+ ] + = (k2[P680 ] + 2 KQ - J - J ), (10) pas ATP 1+ b / f s l(Kim + [Hi+ ])2 dt l m s s + 2Ko Bo KV BV d[Ho ] + + = [J + J - J - L2kH [Q][Ho ]([P680]0 - [P680])]+ pas ATP cell 1+ l(Ko + [Ho ])2 + (KV + [Ho ])s + + o dt l n 2n + + kA [AH ] - kAH [Ho ]([A]0 - [A] - [AH ]) + kCC ([AH ],[ATP]) - j - ATP 2 1l (11) s s V s s Параметры Ko, Kim, K, Bo, Bim, BV характеризуют буферные свойства системы.

Функция (12) определяет пассивную утечку протонов через тилакоидную мембрану:

Pages:     || 2 | 3 |






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