WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

+ koki([Hi+ ] - [Ho ]) M J =. (12) pas + ko(KM + [Ho ]) + ki (KM + [Hi+ ]) o i Здесь - поверхностная плотность протон-проводящих групп тилакоидной M мембраны; ki, ko - константы скоростей, характеризующих перенос ионов водорода через тилакоидную мембрану; KM, KM - константы равновесия, характеризующие i o взаимодействие протонов с буферными группами на внутренней и внешней сторонах тилакоидной мембраны. Аналогичным образом задаются потоки протонов через АТР-синтазу ( J ) и между стромой и цитозолем ( J ).

ATP cell На рис. 3 показана кинетика изменений pHi, pHo и концентрации АТР после включения света. Стационарное состояние достигается, когда [ATP] /[ATP]0 1, при этом поток ионов водорода через АТР-синтазу существенно уменьшается. На рис. 4 показаны для примера кривые + фотоиндуцированных изменений концентраций P700 и различных форм конечного акцептора электрона. Теоретически рассчитанная кинетика изменений + [ P700 ] имеет немонотонный вид, характерный для нативных фотосинтетических систем оксигенного типа (кривая O-P-M-S-T-F). Сравнительный анализ кинетических кривых для разных электронных переносчиков и фотоиндуцированных изменений pHi и pHo позволил выделить два основных фактора рН-зависимой регуляции электронного транспорта, определяющих + немонотонную временную зависимость [ P700 ]: а) торможение электронного транспорта между фотосистемами вследствие уменьшения pHi, и б) ускорение оттока электронов от ФС1 вследствие увеличения pHo.

pHo pHi 1,0,0,0 5 10 15 20 25 t, c Рис. 3. Кинетика фотоиндуцированных изменений pHo(t), pHi(t) (наверху) и концентрации [ATP](t) /[ATP]0 (внизу).

pH [ATP]/[ATP] F 1.T S P 0.M 0.0 O 1. A AH 0. A0.0 5 10 15 20 25 t, c Рис. 4. Кинетика фотоиндуцированных изменений концентраций + [P700 ](t) /[P700 ]0 (наверху), [A](t) /[A]0, [AН ](t) /[A]0 и [A- ](t) /[A]0 (внизу).

Глава 4. Квантовохимическое моделирование реакции окисления пластохинола в Qo центре цитохромного b6f-комплекса 4.1. Расчет спектров ЭПР для пластосемихинона и его аналогов В данном разделе приведены результаты расчетов спектров ЭПР методом функционала плотности для анион-радикалов пластохинона и его аналогов, проведено сравнение расчетных и экспериментальных спектров (рис. 5).

Модельные системы, построенные для анализа двух последовательных одноэлектронных шагов окисления хинола (рис. 6, 7 и 8) содержат триметил-1,4бензохинол (TMQH2) – аналог пластохинола без изопреновой цепи. Окисление TMQH2 рассматривается как модельная реакция для окисления пластохинола в активном центре Qo. Расчеты спиновой плотности на атомах, на основании которых был смоделирован спектр ЭПР анион-радикала молекулы триметилхинона, дали хорошее согласие с экспериментом (рис. 5). Это свидетельствует об адекватности использованного нами метода расчета электронных характеристик молекул хиноидной природы.

+ 700 [P ]/[P ] Отн.

концентрация 4.2. Квантовохимическое моделирование реакции окисления пластохинола до пластосемихинона в активном центре Qo b6f-комплекса На рис. 7 показана модельная система, использованная для расчетов изменения энергии для первой стадии окисления хинола (QH2 + ISPox QH• + H+ISPred), включающая в себя дважды восстановленный триметил-1,4бензохинол (TMQH2), железо-серный кластер [Fe2S2] и ближайшие к нему фрагменты полипептидной цепи C, окружающей железо-серный кластер (Cys134-Thr135-His136-Leu137-Gly138-Cys139, Cys154-His155-Gly156-Ser157, Cys152 и Tyr159). Исходная геометрия этой системы была построена на основе рентгеноструктурных данных для b6f-комплекса из Chlamidomonas reinhardtii (код структуры 1Q90).

Энергетические профили реакции окисления хинола до семихинона Первая стадия окисления пластохинола обычно рассматривается как лимитирующая стадия, которая определяет скорость работы b6f комплекса.

Знание энергетических характеристик этого процесса было использовано для оценки константы скорости окисления QH2. Нами было рассчитано, как энергия модельной системы меняется при перемещении атома водорода от QH2 к N атому His-155 железо-серного белка Риске (ISP). В качестве координаты реакции (O-H···N O···H-N) выбрано расстояние между атомами H и N (параметр RN-H). Нами были выполнены расчеты для четырех конформаций модельной системы: 1) исходная (неоптимизированная) система, построенная на основе рентгеноструктурных данных (модель X-1), 2) частично оптимизированная система, полученная на 35-м шаге процедуры оптимизации (модель A-1), 3) частично оптимизированная система, полученная на 257-м шаге процедуры оптимизации (модель B-1), и 4) полностью оптимизированная система (модель C-1). Конформация частично оптимизированной системы A-1 близка к геометрии исходной системы, она была использована в качестве базисной модели для описания первой стадии окисления TMQH2.

На рис. 9 показаны энергетические профили реакции переноса атома водорода от TMQH2 к N атому имидазольного кольца His-155, рассчитанные для трех конформаций модельной системы (модели A-1, В-1 и С-1).

Показанные энергетические профили описывают перенос атома водорода вдоль пути наименьшей потенциальной энергии. Эти пути были найдены путем «точечных» расчетов, полученных для различных положений атома водорода между TMQH2 и His-155.

Для частично оптимизированной системы А-1 энергетический профиль имеет локальные минимумы, соответствуют координатам реакции RN -H = 2,64 и 1,05. Перенос атома водорода O-H···N O···H-N идет с повышением энергии (E = 10,6 ккал/моль). Энергетический барьер реакции равен Eaf = 25.4 ккал/моль. При дальнейшей оптимизации геометрии системы, сопровождающейся понижением энергии, водородная связь между атомами Н1 и N становится короче. В то же время перенос атома водорода от TMQH2 к ISP становится менее выгодным. В системе В-1 реакция O-H···N O···H-N идет с повышением энергии E = 18.6 ккал/моль, а энергетический барьер Eaf = 26,ккал/моль. Для полностью оптимизированной системы (модель С-1) был найден только один локальный минимум энергии при RN -H = 1,65, соответствующий ковалентной связи атома водорода в молекуле TMQH2. Это означает, что в полностью оптимизированной системе перенос атома водорода от QH2 к His-невозможен.

Константа скорости и энергия реорганизации первой стадии окисления хинола Знание разности энергии E для переноса протона от TMQH2 к ISP позволяет оценить константу скорости для первой стадии окисления TMQH2.

Скорость окисления хинола можно оценить в рамках подхода, предложенного Крофтсом для вычисления константы скорости электронного переноса (kPCET), сопряженного с переносом протона (Crofts, 2004). В этом случае константу скорости kPCET можно оценить из уравнения (Go + ) ET log10 kPCET = 13 - (R - 3,6) - - pK, (13) 2.где R – расстояние () между донором (QH2) и акцептором электрона (атом Feжелезо-серного кластера), = 1,4 (-1), = 3,1 (эВ-1), Ge (эВ) – разность энергий конечного и начального состояний для реакции электронного переноса, pK = ( pKQH - pKISP ) – разность значений рК донора (хинол) и 2 ox акцептора (His155) протона, - энергия реорганизации (эВ). Наши расчеты показали, что с достаточно высокой точностью можно использовать соотношение Go EET, где EET – вклад электронной компоненты в ET изменение потенциальной энергии при переносе протона от хинола к [Fe2S2] кластеру.

Электронная компонента изменения энергии (EET) может быть выделена из полного изменения энергии E = EQH*ISP H - EQH *ISPox с помощью соотношения red EET = E - 2.303RT (pKQH - pKISPox), (14) где pKQH и pKISP соответствуют значениям pK донора протона (QH2) и его 2 ox акцептора (His155). Для TMQH2 значение pKQH диссоциации протона в гидрофобную среду (QH2 QH- + H+) составляет величину pKQH = 10,7 (Rich, 1984). Значение pKISP = 6,5 взято из литературных данных по титрованию b6fox комплекса из Chlamidomonas reinhardtii.

o На рис. 10 показаны зависимости log10 kPCET от - GPCET, рассчитанные для различных значений энергии реорганизации и параметра R = 6.7, соответствуещего расстоянию между атомом H1 молекулы QH2 и атомом Fe[Fe2S2] кластера. Из семейства парабол, рассчитанных по уравнению (13) для различных значений (рис. 10), можно выбрать кривые, одновременно удовлетворяющие кинетическим данным (log10kPCET = 2,44; горизонтальная линия), известным из литературы, и полученным нами теоретическим o значениям - GPCET. Анализ результатов наших расчетов показал, что хорошее согласие с экспериментом может быть достигнуто при низких (1 0,02-0,05 эВ) или при относительно высоких (2 1-2,8 эВ) значениях энергиях реорганизации. Абсолютные значения 1 и 2 зависят от конфигурации системы и от длины пути переноса электрона.

Относительно низкие значения энергии реорганизации, определяемой изменениями парциальных зарядов на атомах модельной системы, были получены на основе классической теории Маркуса (Marcus, 1956). Для оценки энергии реорганизации o была использована формула:

M 1 1 1 1 o = ( - ) )2 ( + - ) (15) (qi 2aO 2ai Ri i =0 s Здесь qi – изменение заряда на i-м атоме в результате переноса протона от QHк His155, aO и ai – радиусы атома O1 молекулы QH2 и i-го атома соответственно, o и s – оптическая и статическая диэлектрические проницаемости, Ri – расстояние между атомом O1 и i-м атомом. Показано, что при значениях s в интервале от 4 до 10 энергия реорганизации o попадает в интервал от 0,035 до 0,070 эВ.

4.3. Квантово-химическое моделирование реакции окисления пластосемихинона На рис. 8 показана модельная система, использованная для расчетов L изменений энергии на втором шаге окисления хинола (TMQH + b6 (ox) L TMQ + H+ b6 (red)). Данная система включает в себя семихинон TMQH, низкопотенциальный гем b6L и ближайшие аминокислотные остатки полипептидной цепи В, окружающие гем b6L (His86, Arg87, Thr134, Gly135, Tyr136, His187). Карбоксильная группа Glu78 рассматривается как акцептор протона, отдаваемого молекулой TMQH. Расстояние между атомом водорода Нмолекулы TMQH и ближайшим атомом кислорода карбонильной группы Gluсоставляет 3,5. Исходная геометрия этой системы была построена на основе рентгеноструктурных данных для кристаллизованного b6f-комплекса (структура X-2). Структура, соответствующая частично оптимизированной геометрии модельной системы, обозначена как А-2. Для этой системы нами было показано, что перенос протона от TMQH на депротонированную карбонильную группу Glu78 является экзотермичным процессом, характеризующимся значительным понижением энергии E2 = E(QH...E78) - E(Q...H·E78) = -20,4 ккал/моль.

Экспер.

Теория 3260 3260 Магнитное поле (Э) Рис. 5. Экспериментальный спектр ЭПР (пунктирная линия) анион-радикала триметилхинона, растворенного в диметилсульфоксиде, и расчетный спектр того же радикала (сплошная линия).

Cyt b6L FeFeeeH+ H+ N His136 HisTMQH2 GluРис. 6. Схема моделируемых процессов электронного и протонного транспорта.

Tyr159 HisCysFe2 FeN R N-H OHN HOCysHisTMQHРис. 7. Строение модельной системы для описания первой стадии окисления хинола.

OH3.5 A OArgTyrTMQH GluGlyThrHis187 HisРис. 8. Строение модельной системы для описания второй стадии окисления хинола.

HQH...ISPox HQ...HISPred Eb 60 a E f a E A-B-C-2.5 2.0 1.5 1.2.5 2.0 1.5 1.RN-H, A Рис. 9. Энергетические профили реакции переноса атома водорода от TMQH2 к N атому имидазольного кольца His-155, рассчитанные для трех конформаций системы, моделирующей реакцию окисления пластохинола до пластосемихинона (модели A-1, В-1 и С-1).

Энергия, ккал / моль X-A- (эВ) (эВ) 0.1.1.2.1.2.0.04 0.-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,-Go (эВ) PCET o Рис. 10. Графики зависимости log10 kPCET от - GPCET, рассчитанные по уравнению (13) для различных значений энергии реорганизации при R = 6,7.

TS L HQ...HISPred QH...box E0 EHQH...ISPox E -L Q...Hbred Рис. 11. Изменения энергии для двух шагов окисления TMQH2, вычисленные для модельных систем A-1 и A-2.

На рис. 11 приведены диаграмма изменений энергии для двух стадий окисления TMQH2, вычисленные для модельных систем A-1 и A-2. На этой диаграмме выравнены уровни энергии, соответствующие «продуктам» первой реакции (ISPredH...TMQH) и «субстратам» второй реакции окисления хинола L (TMQH...Glu78·box ). Видно, что поглощение энергии на первом шаге окисления TMQH2 до TMQH (E1= 10,6 ккал/моль) компенсируется значительным понижением энергии на шаге окисления TMQH до TMQ (E2= -20,4 ккал/моль).

-PCET log k ( с ) E, ккал / моль Общее изменение энергии для двух шагов окисления хинола, полученное из независимых расчетов энергий конфигураций A-1 и A-2, является отрицательной величиной: E = E1 + E2 -9,8 ккал/моль. Отметим, что вычисления E относятся только к первичным стадиям окисления хинола (перенос атома Н), которые не учитывают дальнейших изменений системы, связанных с возможными конформационными перестройками и последующей диссоциацией в водную фазу протонов, перенесенных на аминокислотные остатки His155 и Glu78.

Эффективная константа скорости двухэлектронного окисления хинола до хинона ( kQH ) была рассчитана в рамках простой схемы, включающей две последовательные реакции переноса атома водорода:

k1 kL L L ISPox HQH box ISPredH QH box ISPredH QbredH (16) k-Константа скорости k-1 обратного переноса протона от ISP на семихинон связана с константой скорости прямой реакции k1 соотношением o k-1 = k1eG / kBT. Поправочный коэффициент 1 введен для учета влияния конформационной подвижности ISP на вероятность обратного переноса протона (HQ…H·ISPred HQH…ISPox). Эффективность полного окисления хинола до хинона вычисляли по формуле:

o kQH / k1 = 1/ (1+ eG / kBT k1/k2 ) (17) Расчеты отношения kQH / k1, вычисленного для значений параметров o G1 = 10,7 ккал/моль (модель A-1) и k1= 280 с-1 при различных величинах поправочного коэффициента, показали, что при медленной диффузии ISP (1 = 1/ k1 <> 1) эффективное окисление хинола может происходить при более низких скоростях второй стадии окисления хинола ( k2 ~ 106-109 с-1). Оценки диапазона возможных значений константы скорости k2 показали, что в широком диапазоне энергий реорганизации (0,25 2,8 мВ) значения k2 оказываются достаточно большими (106 k2 2·1011 с-1), чтобы удовлетворить условию эффективного окисления хинола в центре Qo в ходе двух последовательных стадий переноса электрона на высоко- и низкопотенциальные акцепторы b6f-комплекса.

Заключение.

В заключении подведены основные итоги выполненного исследования.

Pages:     | 1 || 3 |






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