Введение к работе
Актуальность проблемы. Фотосинтез является одним из важнейших биологических процессов в природе. Летальное изучеште принципов молекулярной организации и физических основ функідионировапия фотосинтетического аппарата (ФСА) неоОходимо для понимания фундаментальных закономерностей преобразования энергии света в растительной клетке. Знание принципов и механизмов регуляторних процессов в фотосинтезе может способствовать решению практических задач, связанных с повышением продуктивности сельскохозяйственного производства, с развитием биотехнологии, с решением ряда экологических проблем и т.п..
Многолетние исследования фотосинтеза, проводимые в различных лабораториях мира, привели к значительному прогрессу в понюлании структурной и функциональной организации ФСА высших растений. Выяснены основные закономерности преобразования световой энергии при фотосинтезе, детально изучена структура макромолокуляршх светособирающих и электрон-транспортных комплексов. Значительные успехи достигнуты в исследовании механизмов энергетического сопряжения реакций электронного транспорта с процессами запасания энергии в хлоропластах - энерго-преобразущих органеллах растительной клетки. Расшифрованы метаболические пути темновых стадий фотосинтеза, обеспечивающих фиксацию углекислоты хлоропластами. Однако до последнего времени остается нерешенным ряд принципиальных вопросов, связанных с выяснением физических основ регуляции световых и темновых процессов фотосинтеза.
Одна из наиболее острых проблем в исследовании фотосинтеза - это проблема фотодыхания в Cg-растениях. Последние 10-15 лет эта проблема исследуется очень интенсивно. Многие стороны фотодыхательного газообмена, биохимическая основа, его вызывающая, стали ясны в большей мере. Вместе с тем, до сих пор непонятны биологическая целесообразность этого процесса, а также мехашзш сопряжения световых и темновых процессов фотосинтеза, участвующих в регуляции фотодыхашя. Основная трудность, стоящая на пути решения этих проблем, заключается в том, что используемые экспериментальные методы исследования фотодыхания по газооомену не Еполне адекватны для раздельной оценки влияния кислорода на ФСЛ растений на уровне рибулозобисфосфат-оксиге-назной реакции , с одной стороны, и электрон-транспортной цепи ( реакции Мелера ) - с другой. В связи с этим возникла необходимость теоретического исследования вышеобозначенных проблем путем разработки соответствущей математической модели с учетом экспериментально установленных фактов о структурно-функциональной организации ФСЛ высших растений.
итмеченше проблемы определили задачи данной работы, посвященной теоретическому исследованию взаимодействия фотоды-хаїшя с темновыми и световыми реакциями фотосинтеза. Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется следующим:
исследование особенностей фотосинтетического метаболизма в условиях различной кислородной обеспеченности имеет, помимо фундаментального, важное прикладное значение;
ограниченность имеющихся экспериментальных методов исследования кислородного метаболизма с необходимостью ведет к применению мєтодое компьютерного моделирования для исследования
системы фотосинтетических реакций.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы было выяснение регуляторних механизмов сопряжения реакций гликолатного пути фотодыхания с темповыми реакциями цикла Кальвина и совокупностью световых реакций фотосинтезирующих клеток высших растений. Проведенная работа была связана с решением ряда конкретных задач:
- разработка математической модели фотосинтеза, адекватно
описывающей как световые процессы, так и темновые, включая цикл
Кальвина и реакции фотодыхательного метаболизма;
- изучение зависимости продуктивности фотосинтеза от внешних
факторов: а) исследование зависимости выхода фотосинтеза ( пог
лощения С02 ), интенсивности фотодыхания и флуоресценции от
условий освещения, б) исследование зависимости чистого поглоще
ния С02, интенсивности фотодыхания и флуоресценции при
различных концентрациях кислорода и углекислого газа в среде,
в) исследование световых кривых фотосинтеза в зависимости от
концентрации кислорода;
изучение переходных процессов фотосинтеза при резких изменениях газового состава среда ( концентраций С02 и 02 ) и выяснение регуляторних механизмов при переходных процессах;
изучение колебательных режимов фотосинтеза и выяснение влияния концентрации кислорода на характер колебаний параметров фотосинтетического аппарата;
изучение изменений сигнала ЭПР1 и степени тушения флуоресценции при различных интенсивностях фотодыхания и скоростях реакции Мелера ( окисление акцепторов фотосистемы I молекулярным кислородом ).
Научная новизна работы. В литературе в настоящее время
.3
имеется значительное число результатов, по данной проблеме. Основные результаты нашей работы являются новыми. В работе выявлены основные факторы регуляции системы фотосинтетических реакций - распределение потока электронов в электрон-транспортной цепи между восстановлением NADP+, а также циклический электронный транспорт в фотосистеме I. Показано, что в момент включения света, когда темновые реакции восстановления С02 еще не активированы, инициируется нециклический электронный транспорт, связанный с поглощением кислорода в обеих фотосистемах. При этом фотопоглощение кислорода конкурирует с восстановлением NADP+. Фактором, определяющим распределение потока электронов между этими двумя конкурирующими процессами, является активность работы цикла Кальвина. Модельные решения свидетельствуют о том, что снижение выхода фотосинтеза с повышением интенсивности реакций гдиколатного пути фотодыхания связано с переориентацией всей системы реаісций для обеспечения выхода на новый стационарный уровень, который характеризуется меньшей эффективностью и увеличением интенсивности стационарной флуоресценции. Показано, что величина углекислотного компенсационного пункта является зависимой от интенсивности возбуждающего сеєтз и концентрации кислорода. В ходе исследования колеоании при фотосинтезе выявлена демпфирующая роль фотодыхателыюй цепи реакций, связаішая с уменьшением потока электронов в циклическом электронном транспорте. Показано , что главным регуляторним механизмом, контролирующим продуктивность фотосинтеза при изменении внешних условий, является конкуренция между СОо и 0., за субтрат рибулозобисфос-фэт. Полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными.
Практическая и научная ценность. Полученные в ргботе результаты вносят вклад в понимание механизмов регуляции фотосинтетических процессов в клетках высших растений. Предложенный способ описания кинетики световых и темпових реакций ФСЛ мокет найти практическое применение в лабораториях биофизического и биохимического профиля, в которых исследуются проблемы адаптации растеїшй к изменяющимся условиям окружающей среды, проблемы повышения продуктивности различных сортов и видов сельскохозяйственных культур. Предложенная модель взаимодействия светоЕых и темновых стадий фотосинтеза может быть использована для дальнейших более строгих описаний этих процессов с более полным учетом фотодыхателыюго азотного цикла растеши!.
;\ітрсбсі?їя ргбота и публикации. Материалы диссертации докладывались на семинарах кафедры биофизики (физического Сакультота МГУ, на IV Всесоюзном совещании "Люминесцентный аиал"/.з в медицине и биологии и его аппаратное обеспечение" и изложена в трех публикациях.
Структура и сбъегз работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация представляет собой рукопись на страницах, включая
рисунков. Список литературы включает наименований.