Введение к работе
Актуальность проблемы. Система первичньж процессов фотосинтеза, инициированных поглощением кванта света в фотосинтетической мембране тилакоида, является предметом многочисленных исследований. Изучаются структурные и функциональные характеристики отдельных молекулярных комплексов, получены данные электронной и туннельной микроскопии о пространственной организации самой тилакоидной мембраны. Несмотря на существенное продвижение в понимании деталей структуры и функционирования отдельных компонентов, остаются трудности в понимании механизмов сопряжения отдельных стадий процессов и регуляции целостной системы.
Высокая степень изученности первичньж процессов фотосинтеза обусловила возможность построения большого числа математических моделей процессов фотосинтетического электронного транспорта. Большинство этих моделей рассматривает перенос электрона в пределах фотосинтетических мультиферментньж комплексов PSI1, PSII, бактериальных РЦ, цитохромного комплекса. В качестве динамических переменньж выступают вероятности состояний этих комплексов. Имеются также модели, описывающие электрон-транспортную цепь в целом, от разложения воды на донорной стороне PSII до восстановления пиридиннуклеотидов на акцепторной стороне PSI, электронный транспорт на стадиях подвижных переносчиков описывается с помощью закона действующих масс. Именно эти участки, где скорость переноса зависит от пространственной организации мембраны и характера диффузии переносчиков, являются объектом регуляции со стороны целой клетки (Ризниченко 1991, Riznichenko, Rubin 2003). Однако в этих случаях описание переноса электрона с помощью уравнений химической кинетики является весьма приближенным и не соответствует современным представлениям о гетерогенном характере мембраны. Здесь необходимо рассмотрение броуновского движения молекул-переносчиков в неоднородной среде.
Экспериментальные данные о структурно-динамической организации мембран, о механизмах сопряжения и регуляции могут быть интегрированы в прямой многочастичной компьютерной модели целостной системы. Возможность построения такой модели появилась в последнее время в связи с многократно возросшими вычислительными ресурсами, развитием методов объектно-ориентированного программирования и методов визуализации. В настоящей работе методы прямого компьютерного моделирования применены для модельного описания и визуализации процессов электронного переноса в фотосинтетической мембране тилакоида. Наряду с кинетическими и статистическими характе-
1 Принятые сокращения: PSI - фотосистема I, PSII - фотосистема 2, cyt b6f- цитохромный bftf комплекс,
ЦР!ІГбИБЛпогаіА І
FQR - Fd-PQ-оксидо-редуггаза, FNR - Fd-NADH4>xc^>o-peflyxTafiaTff^p||jpj^^^g^g|jyfц-|га)асто-иианин, Fd - ферредоксин, PQ - пластохинон, P700 - хлорофилл 31Г
ристиками, которые можно получить на традиционной кинетической модели, прямая модель позволяет дать трехмерное визуальное представление динамики процессов в системе на разных пространственных и временных масштабах.
Цели и задачи работы.
Целью работы является разработка методов прямого компьютерного моделирования процессов переноса электрона в фотосинтетической мембране. Решаются следующие задачи:
Разработать метод прямого многочастичного компьютерного моделирования процессов переноса электрона в фотосинтетической мембране с использованием методов объектно-ориентированного программирования.
Разработать программные средства представления кинетических характеристик отдельных компонентов системы, статистических характеристик системы, визуализации процессов переноса электрона в фотосинтетической мембране. На основе анализа литературных данных провести идентификацию параметров модели для отдельных стадий взаимодействия подвижных переносчиков с фотосинтетическими мультиферментными комплексами.
Изучить влияние пространственной организации системы на кинетические характеристики процессов.
Построить кинетическую и многочастичную модели фотосинтетического электронного транспорта вокруг фотосистемы 1. Провести сравнение результатов кинетического и прямого компьютерного моделирования циклического транспорта вокруг фотосистемы 1 на основании экспериментальных данных по регистрации сигнала ЭПРР700.
Научная новизна. Впервые построена прямая многочастичная компьютерная модель процессов фотосинтетического электронного транспорта в мембране тилакоида, включающая броуновское представление движения подвижных переносчиков в компартментах системы (люмен, строма, собственно мембрана). Проведена идентификация параметров отдельных стадий процессов по экспериментальным данным. Разработаны методы представления результатов моделирования в виде кинетических данных, статистических характеристик и прямой визуализации процессов движения отдельных переносчиков.
на прямой модели показано влияние несвободного характера диффузии молекул пластохинона в мембране на процессы переноса электрона. Это позволяет подтвердить» предположение о- наличии ограниченных в пространстве доменов диффузии
пластохинона в мембране и о роли такого рода диффузии в регуляции процессов транспорта электронов между PSI и PSII.
на прямой модели показана зависимость кинетических параметров переноса электрона от гетерогенного характера пространственного распределения комплексов на фотосинтетической мембране. показана роль пространственной организации системы в формировании быстрой и медленной фаз кривой восстановления фотоокисленного Р700 при циклическом транспорте электронов вокруг PSI. Практическая значимость. Разработанные методы прямого моделирования процессов в. фотосинтетической мембране могут быть использованы для решения конкретньж задач изучения процессов фотосинтеза. Методы также могут быть использованы для моделирования процессов в дыхательной мембране митохондрий и др> гих биологических мембранах. Модель будет использована при проведении практикумов по биофизике (темы -«Биологические мембраны» и «Математическое моделирование биологических процессов»).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: 2nd ESMTB School, Siguenza, Spain, 2001; 9-той Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2002; 5th ESMTB conference, Milan, Italy, 2002; 3rd ESMTB School, Uibino, Italy, 2002; 10-той Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 2003; Международной конференции «Экология. Информатика. Образование», Астрахань, 2003; Международной конференции «Первичные процессы фотосинтеза», Пущино, 2003; 11-той Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна; семинарах кафедры биофизики биологического факультета МГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из них 2 в реферируе-" мых научных журналах, 3 в сборниках научных трудов и 5 в тезисах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, содержащих описание методов и результатов работы, выводов, списка литературы.