Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальное обнаружение колебательного режима в фотосинтезе и существующие модели его возникновения (обзор литературы) 10
1.1. Основные реакции фотосинтеза высших растений 10
1.2. Механизмы регуляции фотосинтеза 13
1.3. Замедленная люминесценция 18
1.4. Индукция фотосинтеза 19
1.5. Колебательный режим фотосинтеза 20
1.5.1. Колебания при резком изменении внешних условий 20
1.5.2. Колебания под действием света с переменной интенсивностью 22
І.б.Математические модели фотосинтеза 24
1.6.1. Модель Лайска и Уокера 27
1.6.21Модель Хортона и Николсона 29
1.6.3. Модель Лайска и Эйхельманн (1989 г.) : 29
1.6.4. Модель Лайска, Эйхельманн и Ойя 33
1.6.5. Модель Гирша 33
1.6.6. Модель Лазара, Кана, Клинковского и Науса 36
1.6.6. Модель Лазара, Кана, Клинковского и Науса 37
1.6.7. Модель, разработанная на физическом факультете МГУ 39
1.6.8. Анализ системы на устойчивость 42
1.7.Способы повышения продуктивности фотосинтеза ..43
1.7.1 Экспериментальные способы 43
1.7.2. Теоретический анализ зависимости влияния кинетических параметров на скорость поглощения СО2 47
1.7.3. Изучение влияния на продуктивность фотосинтеза параметров.модели, .
развитой на кафедре биофизики 50
1.8.Постановка задачи 53
Глава 2. Методы исследования 55
2.1..Описание модели, используемой для расчетов 55
2.1.1. Первичные процессы, учитываемые в модели 55
2.1.2. Смысл коэффициентов и переменных, используемых в уравнениях для первичных процессов 58
2.1.3. Взаимодействие световых и темновых процессов 59
2.1.4. Описание восстановительного пентозофосфатного цикла 59
2.1.5. Производство АТР в световой стадии фотосинтеза 60
2.1.6. Система уравнений, используемая для расчетов 61
2.2. Методы решения системы кинетических уравнений 62
2.3 Особенности применения аналитического метода исследования для данной системы уравнений 64
3. Результаты 66
3.1 Теоретическое описание различных кинетических режимов 66
3.1.1. Колебания после включения постоянного света 66
3.1.2. Анализ скоростей реакций 69і
3.1.3. Сравнение стационарных концентраций метаболитов, рассчитанных с помощью нашей модели со стационарными концентрациями, рассчитанными в других моделях и измеренными в экспериментах '. 75
3.1.4. Сравнение рассчитанных кинетических и индукционных кривых с экспериментальными 75*
3.1.5 Моделирование ответа системы на воздействие света с интенсивностью, меняющейся, по гармоническому закону 77
3.2. Анализ влияния параметров на характеристики колебаний 90
3.2.1. Решения характеристического уравнения системы 90-
3.2.3. Сильно-влияющие параметры 93
3.3. Поиск пути увеличения поглощения СОг и уменьшения риска фотоповреждения 99v
3.3.1. Влияние кинетических параметров на эффективность фотосинтеза и состояние ЭТЦ при постоянном освещении 100
3.3.2. Влияние регуляции первичных процессов на эффективность фотосинтеза и состояние ЭТЦ при постоянном освещении 107
3.3.3 Влияние параметров модели на теоретическую эффективность фотосинтеза и состояние ЭТЦ при периодическом освещении 109
3.3.4. Влияние регуляции первичных процессов на эффективность фотосинтеза и количество восстановленных переносчиков при периодическом освещении 114
Заключение 116
Выводы 118
Литература
- Замедленная люминесценция
- Теоретический анализ зависимости влияния кинетических параметров на скорость поглощения СО2
- Смысл коэффициентов и переменных, используемых в уравнениях для первичных процессов
- Сравнение стационарных концентраций метаболитов, рассчитанных с помощью нашей модели со стационарными концентрациями, рассчитанными в других моделях и измеренными в экспериментах
Введение к работе
Фотосинтез - уникальный биологический процесс, в ходе которого выделяется кислород, а энергия солнечного света запасается в виде энергии биохимических соединений. Благодаря этому процессу возможно существование жизни на Земле. Понимание устройства фотосинтетических систем позволит, возможно, найти способы управления ими и повышения эффективности их работы. Это, в свою очередь, может решить ряд продовольственных и экологических проблем.
Помимо этого, исследования фотосинтеза помогут понять физико-химическую природу многих биологических процессов, свойственных не только фотосинтезирующим организмам (взаимодействие света с веществом, миграция энергии, электронный транспорт, образование АТФ при помощи мембранного потенциала):
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 системы, позволяя ей подстраиваться под изменяющиеся условия внешней среды. Вместе с тем, именно от этих процессов зависит продуктивность фотосинтеза.
Одним из наиболее распространенных экспериментальных .методов изучения фотосинтеза является регистрация индукционных кривых -зависимостей флуоресценции, поглощения СОг и других характеристик от времени при резком изменении внешних условий. Этот метод особенно удобен тем, что позволяет изучать систему in vivo, не разрушая ее.
Наиболее ярким проявлением регуляторных связей является немонотонная (колебательная) кинетика, наблюдающаяся при резком изменении внешних
условий. Так, при включении света или резком изменении газового состава среды можно наблюдать затухающие колебания флуоресценции, поглощения СОг и выделения кислорода. Одним из наиболее чувствительных экспериментальных методов изучения состояния фотосинтетической системы является- регистрация индукции замедленной люминесценции. Так же, как и в кинетике выделения кислорода, поглощения С02 и быстрой флуоресценции, при резком изменении внешних условий- наблюдались затухающие колебания* замедленной люминесценции.
ДРУГИМ ИНТереСНЫМ- МеТОДОМ ИССЛеДОВаНИЯ регуЛЯТОрНЫХ СВЯЗеЙ Bv
фотосинтетической системе является изучение ее ответа на периодическое воздействие с некоторой частотой4 со. Можно воздействовать на' фотосинтетическую' систему светом с интенсивностью, меняющейся по гармоническому закону с частотой со. При этом регуляторные связи могут усложнять форму зависимости^ флуоресценции хлорофилла*, от времени: в разложении t полученной кинетической» кривой на гармонические составляющие будут присутствовать компоненты-с частотами 2со и выше.
Все описанные экспериментальные методы помогают в изучении механизмов регуляции фотосинтеза. Понимание этих процессов необходимо для* поиска пути увеличения эффективности фотосинтеза, что является одной из важнейших задач биофизики.
При изучении такой сложной системы может быть полезно построение математических моделей. Математическая модель описывает изменение во времени различных компонент системы, взаимосвязь между ними и регуляторные процессы. Это позволяет оценить влияние отдельных стадий на* процесс в целом. Хорошей проверкой адекватности^ модели является ее способность описать различные формы кинетических индукционных кривых, о которых упоминалось ранее. При воздействии на фотосинтетическую систему светом с переменной
7 интенсивностью на форму кинетических кривых могут влиять регуляторные взаимодействия. Изучение этого влияния может пролить свет на природу этих взаимодействий и даже помочь определить их характерные времена. Однако для проверки правильности понимания механизма процессов, приводящих к такой сложной форме кинетических кривых, необходима модель, способная описать такую кинетику, по крайней мере, качественно.
Проверкой правильности самой математической модели является количественное соответствие скоростей процессов, рассчитанных с помощью модели, и скоростей, измеренных в эксперименте. Однако измерить скорости отдельных этапов биохимических реакций довольно трудно, поэтому приходится, пользоваться косвенными методами, в том числе и подбором констант для совпадения расчетной и экспериментальной кинетики.
Для более глубокого понимания причин возникновения колебательного режима при индукции фотосинтеза необходимо не только теоретически описать колебательный режим, но и определить, от значений каких именно параметров модели зависит, возникнут ли колебания. Также необходимо определить, какие именно параметры определяют характеристики колебаний - частоту и коэффициент затухания. Возможно, после такого анализа, зная из эксперимента характеристики колебаний, можно будет определить кинетические параметры системы или, по крайней мере, сделать какие-либо выводы о состоянии ее компонент.
Математическая модель может также облегчить поиск пути увеличения эффективности фотосинтеза. В настоящее время путем различных изменений фотосинтетического аппарата удавалось увеличить квантовый выход фотосинтеза. Однако такая экспериментальная работа требует много времени и средств. Кроме того, в экспериментах, как правило, изменениям подвергается только один параметр. По нашему мнению, увеличению эффективности могло бы
8 способствовать одновременное изменение сразу нескольких параметров. Математическая модель может указать пути увеличения эффективности и существенно уменьшить объем необходимой для этого дорогостоящей экспериментальной работы. Именно математическая модель способна помочь достаточно быстро отыскать комбинацию параметров, изменение которых позволит достичь наилучшего результата.
Поэтому, помимо анализа влияния параметров предлагаемой модели на характеристики колебаний, интересно было бы провести анализ влияния параметров на скорость ассимиляции С02. При этом нужно исследовать не только стационарную скорость поглощения С02. Поскольку фотосинтетическая система зачастую подвергается влиянию изменяющихся внешних условий, может изменяться и скорость ассимиляции С02. При изменении условий (интенсивность света, концентрация С02) будет происходить переход в новое стационарное состояние. Этот переход займет определенное время, в течение которого система также должна работать достаточно эффективно. Таким образом, нужно исследовать также эффективность работы системы во время достижения нового стационарного состояния. Для этого необходимо изучать не скорость поглощения С02, которая непрерывно меняется, а общее количество С02, поглощенное за время достижения нового стационарного состояния.
Известно также, что при увеличении интенсивности света может возрасти количество восстановленных переносчиков электрон-транспортной цепи (ЭТЦ), что, в свою очередь, может привести к появлению активных форм кислорода, способных повредить фотосинтетический аппарат. Этот процесс называется фотоповреждением. Более того, большое количество восстановленных переносчиков в ЭТЦ само по себе способно привести к снижению скорости некоторых реакций в ЭТЦ («перегрузке» ЭТЦ), что, в свою очередь, приведет к уменьшению скорости синтеза АТФ и снижению скорости работы цикл Кальвина.
9 Для? защиты от перегрузкиг ЭТЦ и фотоповреждения; существуют различные
механизмы: уменьшение количества света, поглощаемого, фотосистемой 2,
нефотохимическое тушение, и т.д. Поэтому, исследуя: влияние* параметров; на
эффективность фотосинтеза; необходимо- также учитывать их влияние на
количество восстановленных переносчиков:ЭТЦ: Кроме того,, механизмы защиты
от перегрузки ЭТЦ' и фотоповреждения; защищающие систему при? высокой
интенсивности? света,, могут способствовать уменьшению эффективности
фотосинтеза: при- небольшой; интенсивности* света или; приі освещении! с
переменной интенсивностью; Поэтому представляется важным изучить, также
влияние этих механизмов на скорость поглощения.ЄОг и-степень восстановления?
ЭТЦ:
Математическая* модель позволит найти такую; комбинацию' параметров,
изменение которых, не только будет способствовать увеличению? эффективности;
но и.приведет к минимальному увеличению степени;восстановления ЭТЦ;
При?этом интересно было бы исследовать влияние параметров модели;на
эффективность фотосинтеза и количество восстановленных переносчиков как при
переходе к-v новому стационарному состоянию после ступенчатого изменения -
. интенсивности света; так и при режиме освещения с периодически изменяющейся
интенсивностью.
Цель работы; Целью: настоящей; работы было описание с помощью* существующей моделю фотосинтеза различных экспериментальных данных по; переходнымфежимам при-различных режимах освещения; После проверки модели на* способность описать, эти? данные дальнейшей целью? работы* был* поиск возможного? пути? оптимизации системы; для увеличения эффективности фотосинтезасучетомнеобходимостизащиты от фотоповреждения;
Замедленная люминесценция
При резком увеличении интенсивности света количество восстановленных переносчиков может оказаться слишком большим, а количество АТФ при этом недостаточным для нормального функционирования цикла Кальвина. В этом случае восстановленные акцепторы ФС 1 не будут расходоваться в цикле Кальвина, и это может затормозить реакции всей ЭТЦ (создать «перегрузку» ЭТЦ). Это, в свою очередь, может привести к ухудшению работы фотосинтетической системы, а также к появлению активных форм кислорода, способных повредить фотосинтетический аппарат (к фотоповреждению) [27, 65]. Таким образом, избыток поглощенной световой энергии может повреждать мембрану тилакоида, вызывая фотоингибирование.
С другой стороны, в фотосинтетической системе также должен существовать метаболический контроль распределения ресурсов углерода1 и азота,- без которых невозможно нормальное развитие растения [97]. Существует подтверждение того; что пропускные способности электрон-транспортной1 цепи и метаболизма совпадают [96], т.е. поток через электрон-транспортную цепь соответствует потребностям метаболизма. Должны существовать механизмы, регуляции работы компонентов фотосинтетической системы, обеспечивающие эффективную работу при изменении внешних условий [11]. Существуют как быстрые механизмы, так и медленные механизмы. Медленные механизмы включают в себя различные механизмы генной регуляции и связаны с изменением количества- белка, структуры хлоропласта, состава и количества пигментов антенны [97]. Их характерные времена - часы и дни. Например, редокс-сигналы от пула пластохинонов и накопленной перекиси водорода влияют на экспрессию фотосинтетических генов1 [25, 63]. Быстрые механизмы,не связаны с изменением количества белка, в их основе лежит взаимодействие между различными компонентами фотосинтетической системы, и главной целью их существования является необходимость ускорить синтез АТФ и не допустить сильного повышения концентрации восстановленных переносчиков ЭТЦ (перевосстановления ЭТЦ).
Одним из важнейших звеньев регуляции является пул пластохинонов. Реакция окисления пластохинона b(J комплексом - одна из самых медленных реакций, т.е. является так называемым «узким» местом в ЭТЦ [19]. При увеличении концентрации протонов эта реакция замедляется, и таким образом замедляется скорость всего потока линейного ЭТ.
Для предотвращения перевосстановления ЭТЦ существуют механизмы обратной регуляции антенны, которые вызывают тепловую диссипацию избыточной энергии возбужденных молекул хлорофилла. Они представляют собой набор процессов, называемых термином «нефотохимическое тушение» (NPQ), и в некоторых условиях их можно измерить по тушению флуоресценции хлорофилла [83]. Основная компонента NPQ при физиологических условиях, обозначаемая qe, соответствует уменьшению количества пигментов антенны в возбужденном состоянии под влиянием энергии, запасенной в тилакоидной мембране (трансмембранного ЛрН) [57, 88]. В случае, когда скорость первичных процессов значительно превышает скорость ферментативных процессов в цикле Кальвина, потребляющих АТФ, происходит закисление люмена. При низких значениях рН активируется деэпоксидаза, которая превращает виолаксантин в зеаксантин через интермедиат антераксантин. При нейтральных значениях рН активируется эпоксидаза, катализирующая обратное превращение зеаксантина в антераксантин и затем в виолаксантин (см. обзор [88]). Присоединение двух молекул зеаксантина к сайтам связывания белков ФС 2 приводит к конформационным изменениям самой антенны и формированию так называемого «тушащего» комплекса. Процессы синтеза НАДФН и АТФ сопряжены, поскольку являются результатом работы ЭТЦ. В стационарном случае соотношение концентраций НАДФН и АТФ должно было бы оставаться постоянным. Однако такой механизм работал бы только в случае, если бы потребление НАДФН и АТФ происходило в таком же постоянном соотношении [36]. В действительности, различные метаболические процессы (фиксация углерода, азота, фосфата и серы) потребляют АТФ и НАДФН в различном соотношении. Недостаток какого-либо метаболита может уменьшить поток через путь, в котором он используется, и от этого может измениться потребление НАДФН или АТФ. Это, в свою очередь, может создать «обратное давление» на световые реакции через избыток продукта (АТФ или НАДФН) или недостаток субстрата (АДФ+Р;, НАДФ4), в результате чего фотосинтетический аппарат может быть подвергнут фотоингибированию. Таким образом, электронный транспорт должен был достаточно «гибким» . для компенсации изменений в потреблении продуктов [36]. Необходимость существования механизмов баланса вытекает также из несоответствия между синтезом АТФ и НАДФН с помощью линейного ЭТ и потреблением этих метаболитов в цикле Кальвина. Если рассматривать только линейный ЭТ, то соотношение АТФ/НАДФН будет определяться стехиометрией сопряжения протонного и электронного транспорта (НҐУе") и стехиометрией синтеза АТФ (АТФ/Н4, обозначаемой п) [26, 66]. Существуют данные о том, что соотношение Н7е" равно 3 при физиологических условиях [ПО]. Новая информация о структуре и механизме работы АТФ-синтазы выявила, что число п, по всей видимости, равно 4.67 [26, 66]. При такой стехиометрии соотношение АТФ/НАДФН будет равно 1.3, чего недостаточно для функционирования цикла Кальвина. Существуют модели механизмов регуляции потока через ЭТЦ и тушения qE, которые не только уменьшают риск фотоингибирования, но и способствуют изменению соотношения АТФ/НАДФН [62, 36].
Теоретический анализ зависимости влияния кинетических параметров на скорость поглощения СО2
В работе [130] был предложен теоретический анализ возможности увеличения эффективности фотосинтеза. По всей вероятности, увеличение количества какого-либо фермента в растительной клетке затруднительно, так как создание белков требует дополнительного расхода азота, а дальнейшее увеличение количества используемых азотных удобрений нежелательно. Это увеличение должно быть скомпенсировано уменьшением количества другого белка. В контроле фотосинтетического углеродного метаболизма участвуют 38 ферментов (ферменты цикла Кальвина, фотодыхания, синтеза крахмала и глюкозы). Определение оптимального распределения белков в клетке потребовало бы перебора очень большого количества вариантов изменений ( 109) [130]. Естественно, экспериментальные методы трансгенных операций не позволяют опробовать такое количество изменений. Средством для такого анализа могут стать современные компьютерные методы вычислений и алгоритмы оптимизации. Авторы работы [130] предложили подробную модель фотосинтетического углеродного метаболизма и использовали для анализа эволюционный алгоритм, предложенный в работе [53]. Модель включала цикл Кальвина, фотодыхание, синтез крахмала и сахарозы (рис. 18). Эта модель реалистично описывала скорость фотосинтеза при насыщающем свете, а также качественно воспроизводила динамику фотосинтеза при изменении внешних условий, например, при изменении концентраций СОг и Ог в условиях избытка или недостатка неорганического фосфата.
В дальнейшем производилась оптимизация распределения количества различных ферментов с помощью эволюционного алгоритма [53]. Проводился отбор изменений концентраций ферментов для максимальной скорости ассимиляции СО2 при заданном количестве азота в белках [углеродного метаболизма. Эволюционный алгоритм использует механизмы биологической эволюции: репродукцию, мутации, естественный отбор и выживание наиболее подходящего типа. Наборы концентраций ферментов, являющиеся решением проблемы оптимизации, выполняют роль индивидуумов в популяции. Начальное распределение азота в белках было получено таким образом, чтобы удовлетворять экспериментальным данным, описанным выше. В дальнейшем концентрации ферментов изменялись случайным образом в соответствии с формулой Ettf+;=E,y(X + N(x, ry) (1.5) где Ejtt+i - неподогнанная концентрация і-го фермента в метаболической сети в поколении t+І, Е,/ - концентрация і-го фермента в поколении t, а Щх, а) представляет собой нормально распределенное случайное число со средним значением х и стандартным отклонением а. В каждом поколении моделировалось появление 16-ти новых «индивидуумов». Индивидуум с самой высокой скоростью ассимиляции ССЬ использовался для создания следующего поколения.
Потребовалось 1500 поколений для достижения устойчивого оптимизированного решения. После этого был проведен анализ чувствительности этого решения к различным параметрам модели. Он показал, что скорость ассимиляции СОг наиболее чувствительна к изменениям кинетических параметров ферментов Rubisco и СбФазы. Перераспределение азота между различными ферментамитеоретически может позволить увеличить ассимиляцию С02 с 16 ц-моль-м с"1 до 28 имоль-м -с"1.
Несмотря на то, что данная модель достаточно подробно описывает все реакции углеродного метаболизма, она не учитывает первичные процессы фотосинтеза. В то же время, как было показано ранее в работе [79], контроль скорости ассимиляции СОг осуществляется также и в электрон-транспортной цепи. Кроме того, модель была проверена только на описании достаточно простых кинетических кривых, что не позволяет судить о том, насколько правильно описаны процессы, приводящие к регуляции работы системы при изменении внешних условий. Тоже время, именно от этих механизмов регуляции зависит эффективность фотосинтеза. Поэтому, на наш взгляд, изучение влияния кинетических параметров на продуктивность фотосинтеза должно проводиться с помощью общей модели фотосинтеза, описывающей и первичные, и темновые процессы фотосинтеза, и способной описать большой набор различных кинетических режимов.
Изучение влияния на продуктивность фотосинтеза параметров модели, развитой на физическом факультете МГУ
В диссертации Л.А. Сазанова [22] были получены теоретические зависимости стационарных значений продуктивности фотосинтеза (как по скорости ассимиляции СОг, так и по выделению продуктов) от интенсивности света. Параметр, характеризующий интенсивность света (I), варьировался в интервале от 0 до 0.6. В предположении что Рсог=1 т.е. при насыщающих концентрациях С02, скорость ассимиляции С02 пропорциональна Z9 (концентрации РуБФ). Полученные зависимости после начального возрастания выходят на насыщение (рис. 18). По мнению автора, прогиб (см. рис. 18, кривая 1) в зависимости скорости ассимиляции С02 объясняется тем, что при очень малых интенсивностях света скорость ЭТ недостаточна для поддержания скорости регенерации РуБФ на уровне, необходимом для накопления этого интермедиата. Насыщение при больших интенсивностях света связано с ограниченной пропускной способностью цикла Кальвина при данных значениях параметров.
Для того, чтобы количественно проанализировать степени взаимодействия отдельных реакций и влияния констант скоростей на значения стационарных концентрации, С.А. Кузнецова [9] использовала для исследования этой модели теорию метаболического контроля. Ее расчеты показали, что влияют на стационарное значение переменной Z9 только четыре параметра: А, Рз, Ріг Різ-Коэффициенты управления стационарных значений Z9 со стороны этих параметров С 9,С ,C$ ,CJ для колебательного режима соответственно равны 0.98, - 0.01, -1, 0.01. Следовательно, наибольшее влияние на стационарную скорость поглощения СОг в колебательном режиме оказывает интенсивность света.
Смысл коэффициентов и переменных, используемых в уравнениях для первичных процессов
Как уже было отмечено, колебания являются наиболее ярким проявлением регуляторных процессов в фотосинтезе. Понимание регуляторных связей в такой сложной системе невозможно без построения математических моделей. Вместе с тем обзор литературы показал, что, как правило, существующие в настоящее время модели: - либо не способны описать колебательный режим без дополнительных предположений; - либо достаточно примитивны и не включают наблюдаемые в эксперименте величины (флуоресценция и газообмен); - либо описывают колебания, но характерные времена отличаются на порядок от наблюдаемых экспериментально; - не описывают нелинейный ответ фотосинтетической системы на. освещение с периодически изменяющейся интенсивностью.
Ни одна из вышеперечисленных моделей не давала возможности исследовать замедленную люминесценцию, поскольку она не выражалась в явном виде через переменные модели. Ранее было показано, что при некоторых условиях изменение во времени замедленной люминесценции может отличаться от быстрой флуоресценции [10]. Поэтому интересно было бы описать колебания замедленной люминесценции в явном виде, независимо от быстрой флуоресценции. Поскольку было показано [41, 75], что в колебательный режим могут вносить вклад различные процессы, интересно было бы изучить влияние параметров модели на колебательный режим.
Обзор литературы показал, что одним из наиболее эффективных способов поиска пути увеличения эффективности фотосинтеза является математическая модель. Вместе с тем, использовавшиеся для этого модели не были проверены на способность описать различные формы кинетики фотосинтеза, и, следовательно, трудно судить об их применимости для изучения регуляции фотосинтеза. Поэтому интересно использовать для поиска пути оптимизации модель, способную описать различные кинетические режимы. Кроме того, при оптимизации скорости поглощения СОг путем изменения различных параметров не учитывалось возможное влияние этих параметров на состояние ЭТЦ. Вместе с тем, состояние ЭТЦ играет существенную роль для правильного функционирования фотосинтетического аппарата, так как большое количество восстановленных переносчиков может привести к повреждению фотосинтетического аппарата.
В связи с этим в нашей работе были поставлены следующие задачи:
1. Описать с помощью существующей модели колебательный режим замедленной люминесценции на качественном уровне, но с соответствующими характерными временами (периодом колебаний), наблюдаемыми в эксперименте, исследовать влияние параметров на характеристики колебательного режима с целью проверки гипотезы о причинах возникновения колебаний.
2. Сравнить стационарные скорости различных этапов фотосинтеза со скоростями, рассчитанными с помощью других моделей, а также проверить, описывает ли модель другие переходные режимы.
3. Описать с помощью этой модели, по возможности сохраняя неизменными найденные значения параметров, экспериментальные данные по кинетике фотосинтеза при освещении с интенсивностью, изменяющейся по гармоническому закону.
4. Изучить влияние параметров модели как на стационарную скорость поглощения С02 так и на общее количество С02, ассимилированного за период достижения нового стационарного состояния и при различных режимах освещения, найти оптимальную комбинацию параметров, изменение которых обеспечит наибольшее увеличение эффективности фотосинтеза при минимальном увеличении нагрузки на ЭТЦ. Глава 2. Методы исследования.
Для расчетов использовалась модель, ранее развитая на кафедре биофизики [8, 13, 22] и учитывающая как световые (поглощение кванта света пигментами, электронный транспорт), так и темновые процессы (поглощение СОг в цикле Кальвина).
Сравнение стационарных концентраций метаболитов, рассчитанных с помощью нашей модели со стационарными концентрациями, рассчитанными в других моделях и измеренными в экспериментах
Поскольку известно, что на процесс перехода из состояния 1 в состояние 2, т.е. на работу киназы может оказывать влияние тиоредоксин, мы решили описать это с помощью нашей модели. В пункте (3.1.5.1) описано влияние пластохинона на первичные процессы. Для корректного описания влияния тиоредоксина на работу киназы было решено описать процессы фосфорилирования пигмент-белкового комплекса в явном виде. Поэтому мы использовали подход, предложенный в работе Т. В. Гордиенко [2]. В уравнения была введена новая переменная Zi2, описывающая долю фосфорилированного пигмент-белкового комплекса. Дифференциальное уравнение для изменения этой переменной в работе [2] было записано следующим образом: L = k-(k0-Z5-Zl2) (3.1.5.2.1) Таким образом, в этой модели также учтено влияние пластохинона на реакцию фосфорилирования, и была учтена реакция дефосфорилирования с помощью фосфатазы. В этой модели поглощение света ФС 2 зависит от доли фосфорилированного пигмент-белкового комплекса, т.е. регуляция первичных процессов описывалась по формуле: A(Z12)=A[1-Akl-Z12(t)]; (3.1.5.2.2)
Вначале мы сравнили описание обратной связи между пластохиноном и первичными процессами с помощью дополнительной переменной и описание, использованное в нашей модели (формула (3.1.5.1.3)). Для этого мы провели расчеты с помощью такой модели для исследования поведения системы при освещении с интенсивностью, меняющейся по гармоническому закону. Оказалось, что качественных различий не наблюдается (рис. 28). Можно подобрать такие значения параметров, что зависимости формы кривых зависимостей флуоресценции от времени, полученных при помощи уравнения (3.1.5.1.3) и полученных при помощи уравнения (3.1.5.2.1-2), совпадут.
Для описания влияния тиоредоксина на работу киназы уравнение (3.1.5.2.1) было видоизменено. Было сделано допущение, что концентрация тиоредоксина пропорциональна концентрации восстановленных акцепторов ФС 1. При этом условии скорость фосфорилирования можно записать следующим образом:
В новом уравнении выражение в знаменателе описывает ингибирование киназы при связывании с ней тиоредоксина.
Результаты расчетов для разных значений параметра Р приведены на рис. 29. Видно, что при ингибировании тиоредоксином интенсивность флуоресценции после максимума уменьшается гораздо более плавно, чем при отсутствии, ингибирования, что свидетельствует о снижении скорости уменьшения числа восстановленных переносчиков ЭТЦ.
Интересно, что для существования нелинейности в поглощении С02 обратная регуляция первичных процессов оказалась несущественной. Нелинейности в поглощении СОг существуют даже при Ак!=0, хотя форма этой кривой и отличается от наблюдаемой экспериментально. Однако, мы обнаружили, что после изменения некоторых параметров модель довольно успешно на качественном уровне описывает нелинейность в темновых процессах, наблюдаемую экспериментально. На рис. 30 показано изменение во времени концентрации РуБФ, так как в нашей модели согласно уравнению скорость скорость ассимиляции СОг пропорциональна концентрации РуБФ.
Из рис. 30 видно, что во время уменьшения скорости поглощения СС 2 после максимума у кривой есть дополнительный изгиб, и максимум приблизительно совпадает с максимумом интенсивности света. В этом случае причиной нелинейности является дисбаланс производства АТФ и его поглощения в цикле Кальвина. В отсутствие АТФ поглощение НАДФН в цикле Кальвина уменьшается, что понижает скорость электронного транспорта и производство АТФ. Однако полученная форма кривой отличается от наблюдаемой экспериментально. Очевидно, такое описание нелинейности не является полным.
Удовлетворительное описание достигается только при изменении некоторых параметров модели. А именно, нам пришлось изменить параметры, описывающие поглощение АТФ в цикле Кальвина (фосфорилирование Ру5Ф и ФГА) и параметр PF2, описывающий вклад протонов, получаемых при окислении воды, в производство АТФ (ранее при расчетах этот параметр полагали равным нулю, новые значения параметров даны в подписи к рисунку).
При новых значениях параметров и при учете обоих видов регуляции нам удалось описать все экспериментальные данные. На рис. 31 показаны зависимости флуоресценции и скорости поглощения СОг от времени с учетом и без учета регуляции первичных процессов (Akl=0) (сплошная и штрихпунктирная линии, соответственно). Из сравнения этих кривых можно видеть, что, хотя нелинейный ответ на периодическое освещение может наблюдаться, дополнительный изгиб в кривой зависимости флуоресценции от времени виден только при учете обратной регуляции первичных процессов.
С помощью модели была также построена кинетическая кривая для сигнала поглощения Д820, который характеризует количество восстановленных реакционных центров ФС 1 (Р700+). Сравнивая ее с экспериментальными результатами, мы обнаружили удовлетворительное сходство форм кривых,
Похожие диссертации на Теоретическое исследование различных кинетических режимов фотосинтеза и поиск пути увеличения количества поглощаемого CO2
