Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Адаптивные механизмы фотосинтетического аппарата растительной клетки и их математическое моделирование

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Адаптивные механизмы фотосинтетического аппарата растительной клетки и их математическое моделирование"

рго о

2 удр ]а"московский ордена ленина, 'ордена октябрьской революции и ордена трудового красного знамени государственный университет им Ы.в. ломоносова

Биологический факультет

На правах рукописи УДК 577.3

ФРЩЛЯНД Леонид Евсеевич

АДАПТИВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Ф О Т О С И Н Т Е Т И Ч Е С К О Г О АППАРАТА РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ И ИХ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

«

03-00.02 - биофизика

А в т о р е ф в р в т диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Институте эксперименталъной ботаники им. В.Ф.Купревича АН Белвруси.

Официальные оппоненты!

доктор биологических наук, Н.Г.Бухов

доктор физико-математических наук, Г.Ю.Ризниченко

доктор физико-математических наук, профессор Д.С.Чернавский

Ведущая организация: Институт фотобиологии АН Беларуси

Защита состоится " 2-1" апреля 1994 г. в ^ часов на заседании Специализированного Ученого Совета Д 053.05.53 по биофизике при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: Россия, 119/-У,-, Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет. аудитория - ЛИК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан " О " марта 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор. Оиол. наук, профессор

Т.Е.Кренделева

ошая характеристика работы

Актуальность темы. Интенсивность фото.синтеза определяется :ак строением самого ФА, так и факторами внешней среды, пое-■ому раскрытие механизмов взаимодействия внешних и внутренних [араметров в етой системе существенно для целенаправленного травления фотосинтетической активностью растительной клетки. 1одойти к решению этого вопроса можно изучив способность расте-гий регулировать скорость фотосинтеза в направлении ее оптимиза-щи, то есть путем исследования адаптивных механизмов повышения эффективности фотосинтеза при изменении условий внешней среды.

Многолетние исследования, проводимые в различных лабораториях (А.А.Красновский, А.А.Ничипорович, А.К.Романова, А.В.Рубин, 6.Ф.Литвин, А.А.Шлык, U.Heber, P,Malkin, S.Miyachi, H.T.Witt и хр.), привели к значительному прогрессу в понимании структурной х функциональной организации ФА. Выяснены основные закономернос-пгпреобразования световой енергии при фотосинтезе, расшифрованы метаболические пути темновых стадий фотосинтеза, обеспечивающих {иксащпо углекислоты хлоропластами.

Интенсивно изучались и адаптивные механизмы, которые использует ФА для приспособления к менякщимся условиям внешней среда или уровни, минерального питания.

Работы'по изучению адаптивных механизмов ФА ведутся в двух направлениях:

1. Эколого-физиологические исследования структурных и функциональных изменений ФА как целого при адаптации. В втих работах обнаружены значительные количественные изменения в концентрации ЗСл, РЦ ФС, переносчиков электронов, активности ферментов и уровне метаболитов в цикле Кальвина при адаптации растений (Оси-пова и др., 1971; Берри и ДауйтбЙ^ 1987; Bjorkman et al., 1972; Wild et al., 1973).

2. Детальное исследование биохимическими и биофизическими ме-

СОКРАЩЕНИЯ; КА - карбоангидраза, НУ - неорганический углерод, 1Ш - периплазматичеокое пространство, РЕФ-аза - рибулезо-1,5-бисфосфаткар0оксилаза, РЦ - реакционный центр, ССМ - С02 концентрирукщий механизм, ФА - фотосинтетический аппарат, ФС -фотосистема, Хл -хлорофилл. -

- г -

тодами отдельных адаптивных механизмов ФА, например, таких как механизм перераспределения светособирающих пигмент-белковых комплексов между фотосистемами, или механизмы 'Концентрирования С02 в С4 - растениях или микроводорослях и цианобактериях, которые способствуют преодолению лимитирования по С02 и др.

Однако, несмотря на достаточно интенсивное изучение адаптивных фотосинтетических механизмов, многие вопросы остаются нерешенными, что в значительной мере обусловлено сложностью ФА и системы его ре гуляшей.

Чрезвычайная динамическая сложность фотосинтетической системы, и, в частности, рассматриваемых механизмов адаптации, не позволяет исследовать их функционирование только на основе экспериментального изучения отдельных свойств. Для более углубленного понимания сущности происходящих процессов требуется интегральный подход. Этой цели служит математическое моделирование. Применение математических моделей не ограничивается только сферой численного расчета. Модель мокет дать не только числовые решения, но и углубленную трактовку структурных и функциональных отношений в системе.

Поэтому, для определения особенностей функционирования и определения причин высокой эффективности различных адаптивных механизмов фотосинтеза в растительной клетке, наряду с экспериментальным исследованием, было проведено построение математических моделей этих механизмов и их анализ.

В связи с существованием двух отмеченных направлений в изучении адаптивных механизмов -{£А требовалось создание моделей двух типов:

1. Модель ФА как целого, на которой мокет быть исследовано

взаимодействие обобщённых элементов ФА при адаптации.

2. Модели отдельных специфических механизмов адаптации.

Следует отметить, что если математическое моделирование первичных процессов поглощения квантов света,-процессов в электрон-транспортной цепи и в цикле Кальвина развито достаточно хорошо (Чернавский и Чернавская, 1967; Кукушкин и Тихонов, 1988", Шувалов, 1990; Лайск, 1991; Литвин и Звалинский, 1991; йазниченко, 1991; Eley and Myers, 1967; Farquhar et al., 1980; Sage et al., 1990), то математическое моделирование адаптивных механизмов

представляет новую задачу и является актуальным.

Цель и задачи исследования. Цель работы .заключалась в исследовании и математическом моделировании некоторых потенциальных механизмов адаптации, используемых растениями для увеличения эффективности фотосинтеза в различных условиях внешней среды.

Для достижения цели исследования решались следукише основные задачи:

1. Разработка методов оценки концентраций обобщенных элементов ФА по газометрическим характеристикам. Теоретическое исследование возможных механизмов адаптации, которые связаны с соответствующими количественными изменениями структурных элементов, метаболитов и активности ферментов в ФА.

2. Выяснение возможных механизмог, повышения эффективности использования энергии при низкой интенсивности света за счет регуляции в цикле Кальвина и перераспределения светособираю-щих пигмент белковых-комплексов между фотосистемами.

3. Разработка математических моделей возможных эффективных механизмов концентрирования СС^. которые позволяют использовать свет достаточно высокой интенсивности для преодоления лимита-' рования по СС>2 у высших С^-растений, и обоснование методов поиска растений с такими ССМ.

4. Построение математических моделей механизмов концентрирования СС>2 в микроводорослях и вданобактериях. Определение причины высокой эффективности этих адаптивных механизмов.

Научная новизна. В диссертационной работе получен ряд новых результатов, имеющих важное значение для выяснения связи между структурными и функциональными характеристиками ФА и эффективностью фотосинтеза.

На основе разработанных математических моделей предложены и проверены новые методы оценки структурно-функциональных свойств ФА по данным газометрических измерений при непрерывном и периодическом освещении. Получено адекватное математическое описание зависимости скорости восстановления 3-фосфоглицериновой кислоты в цикле Кальвина от концентраций соответствующих метаболитов.

На основе модели функционирования цикла Кальвина при слабом освещении, объяснены эффекты усиления (2-й эффект Эмерсона),

хроматические переходы и спектры квантового выхода. фотосинтеза. При использовании флуоресцентных методов экспериментально показано наличие дополнительного потока квантов на фотосистему 2 при низком освещении, что может способствовать увеличению эффективности ее функционирования.

Построены математические модели и проведен детальный теоретический анализ возможности существования различных ССМ в высших Су растениях. Показано, что высокая эффективность их функционирования может быть достигнута только при высоком освещении. Теоретически обоснованы и проверены экспериментально на некоторых видах пшеницы газометрические методы поиска С^-растений с предполагаемыми механизмами концентрирования С02.

Предложены математические модели для возможных ССМ у клеток микроводорослей и цианобактерий, которые позволяют объяснить высокую эффективность концентрирования С0£ в втих организмах.

Научная.и практическая__значимость работы. Разработанные в работе теоретические модели различных адаптивных механизмов ФА позволяют, в перспективе, регулировать скорость фотосинтеза и тем самым влиять на продуктивность растительного организма.

Обоснованные модели зависимости фотосинтетических характеристик растений от концентраций основных элементов фотосинтетического аппарата были использованы в Институте физиологии и биофизики растений АН Таджикской ССР для оценки фотосин-тегкческой продуктивности растений и ее изменения в ходе адаптации к условиям среды и могут быть применены для аналогичных исследований в других научных учреждениях.;

Предложенные в работе газометрические методы оценки наличия механизма концентрирования СО^ в С^-растениях могут быть использованы при организации работы по поиску (или' внесению) этих механизмов в С^-растения.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены (или представлены) и обсуждены на: Первом Всесоюз. биофизическом съезде (Москва, 1982), Меадународ. конф. "Кинетика фотосинтетического метаболизма углерода в С-3 растениях (Таллин,

1983), Всесоюз. симп. "Физиолого-биохимические механизмы регуляции адаптивных реакций растений и агрофитоценозов" (Кишинев,

1984), Всесоюз. семинаре "Математические и вычислительные методы

в биологии" (Пупино, 1985), Всесоюз. научн. конф.

"Физико-химическая биология и биотехнология фототрофных микроорганизмов" (Москва, 1987), Всесоюз. конф. "Структурная динамика биологических мембран и ее роль в регуляции фотобиологических и рецепторшгх процессов" (Минск, 1988), Всесоюз. конф. "Первичные процессы фотосинтеза и механизмы регуляции" (Ужгород, 1988), Втором съезде Всесоюз. общества физиологов растений (Минск, 1990), Советско-индийском симп. "Регуляция фотосинтеза" (Пущино, 1990), Международ, конф. "Фотосинтез и фотобиотехнология" (Пущино, 1991), Меадународ. совещании "Метаболизм углерода и азота при фотосинтезе" (Пущино, 1991). Мекдународ. симпозиуме "Карбоангидраза" (Ганновер, 1991), Мек-дународ. конференции "Итоги и, перспективы ензимологических исследований метаболизма углерода при фотосинтезе (Душанбе, 1991). Мекдународ. конгрессе по фотосинтезу (Нагоя, 1992), 3-й съезде Всероссийского общества физиологов растений (Санкт-Петербург. 1993). Мекдународ. конгрессе по биофизике (Будапешт.1993)•

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ.

Структура а объем диссертации: Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, вывода и список цитированной литературы. Материал работы изложен на 290 стр. машинописного текста, включая 46 рисунков и 6 таблиц. Количество цитируемых работ - 355.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ Дан краткий литературный анализ состояния исследований адаптивных механизмов, которые в результате своей работы могут привести к повышению эффективности фотосинтеза при различных условиях внешней среды.

Глава 1. ЛИМИТИРУПЩЕ СТАДИИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ФОТОСИНТЕЗА ОТ КОНЦЕНТРАЦИЙ КОМПОНЕНТ 'ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА И УРОВНЯ МЕТАБОЛИТОВ

В литературе накоплены мнбГочисленные данные об изменении концентраций элементов фотоаттётвчвского аппарата, метаболитов

и активностей ферментов при адаптации к изменяющимся условиям внешней среды (Осипова и др., 1971, Bjorkman, 1973; Wild et al. 1973). Однако, не была разработана количественная теория, позволяющая связать наблюдаемые изменения с увеличением эффективности фотосинтеза в данных конкретных условиях.

Для изучения возможности математического описания связи скорости фотосинтеза с концентрациями компонент ФА и уровнем некоторых метаболитов, предпринята попытка построения обобщенной модели ФА. Использовали упрощенную схему работы ФА, которая учитывает только основные стадии процесса (Рис.1).

Рио.1. Упрощенная схема основных процессов в ФА. Хл и Хл - невозбужденный и фотовозбуаденный Хл, Ей Е" - невозбуаденный и фотовосстановленный обобщенный РЦ, Х- и X - восстановленный и реокисленный обобщенный переносчик электронов, У и У - не-карбоксилированный и карбоксилированный акцептор С02 в цикле Кальвина, С, и 0, - концентрации растворенного С02 и 02 в

- константы соответствующих

хлоропластвх. кц kg, скоростей взаимодействий.

и

1. Использование периодического освещения для определения обобщенных параметров ФА.

Газометрические характеристики листьев, полученные при периодическом освещении порядка долей секунды, были использованы для разработки методики количественного определения некоторых обобщенных параметров ФА, изменение которых следует учитывать при адаптации.

На основе схемы на Рис.1, получена и исследована соответствующая система дифференциальных^ уравнений для концентраций взаимодействующих компонент:

dJT/dt = k1 Хл* E - kg E~ X (1)

dX/dt = к} X~ - k2 E~ X (2)

где E + E~ = E°. X + X" = X°

E° и X° - общие концентрации обобщенных РЦ и переносчиков елект-ронов, соответственно; k^ = k^Yc и предполагается постоянной при данных експериментальных условиях, то есть, скорость процессов в цикле Кальвина одинакова как во время светового, так и темнового интервала (при длительности темновых интервалов менее секунды).

Эта система проанализирована при насыщающей интенсивности освещения, когда Е~ - Е°. Получено значение максимального дополнительного переноса электронов на одно освещение - Zm (по сравнению с количеством электронов перенесенных при непрерывном освещении за вто же время):

Х0 (кгЕ0)2

Zm = ---у- + Е (3) '

m ( kgE0 + k})2

не зависит от величины светового или темнового интервалов при их длительности более 0,05 сек (при комнатной температуре).

Газометрические измерения на неотделенных от растений листьях ячменя проводили на установке закрытого типа с ПК газоанализатором "Iniralyt-4" при насыщающем* освещении. Периодическое освещение осуществляли путем вращения' дисков о прорезями. В этом случае при изменении скорости вращения диска меняется как время темнового интервала (t ')v так и светового (t0), однако отношения tT и t0 ко времени полного оборота (tn) остаются постоянными.

IIa Рис.2 представлены результаты измерений, полученные для двух дисков с различный размерами прорезей в них, т.е. с различным соотношением светового и темнового интервалов.

В области значений частот меньше 15 гц зависимость видимой скорости ассимиляции С02 от частоты имеет вид прямой линии. Наклон прямой определяется величиной максимального дополнительного переноса электронов на освещение (ур-е 3). но с поправкой на

фотодыхание. С увеличением частоты вращения дисков наблюдается насыщение по поглощению СО^ (не показано), что, по-видимому, связано с тем, что за время темнового интервала цепь переноса електронов не успевает перейти в новое стационарное состояние.

-2-1

Поглощение С02, мкмоль.м «с

25 20 15 10 5

0 2 4 б'

Чаотота вращения диска, с

6 10 -1

Рис.2. Зависимость видимой скорости фотосинтеза в листьях ячменя от. частоты вращения дисков:

1 - г0/*п = 0,375,

2 - г0лп = 0,25.

Зависимости скоростей поглощения С02 от частоты вращения примерно параллельны для двух дисков с различной величиной прорези (Рис.2), что позволило разработать методику определения дыхания на свету (й^):

®л ММ^г ~ Ъ2(*<Л1>1] ' " (У^'а1 (4)

где низшие индексы 1 и 2 обозначают 1-й и 2-й диски.

По данным Рис.2, найдено, что й,, вычисленное по уравнению

—2 — 1

(4), равно 1,38 мкмоль С0о и с , что меньше измеренного нами

-? -1

на том же образце дыхания в темноте (1,94 мкмоль С02 м с ).

В результате применения рассмотренного метода можно по газометрическим данным определить на свету часть дыхания не завися-

щую непосредственно от скорости фотосинтеза

К, и величину

дополнительного переноса електронов на вспышку -

1

о

о

о

2

о

Ь

О

2. Обобщенная модель фотосинтетического аппарата

Для анализе фотосинтеза при непрерывном освещении, ня основе схемы (Рис.1), построена обобщенная модель ФА.

Аналогично уравнениям (1) и (2) записано уравнение для У:

ДУ/« = л3х" У0 - (5)

где vQ - скорость связывания С02 в цикле Кальвина.

Уравнение для описания связывания С02 с У принято как в работе (Уагчийаг в1 а1., 1980) и может быть записано в виде!

70 = тШк^У. ^¿Ег) (б)

К = коСх/{(Сх 4 V1 + <№' (7)

Сх - концентрация С02 в хлоропластах, Е^ - общая концентрация активных центров РВ&-азы, К0 и К0~ константы Михаэлиса для С02 и 02, к0 и к0 - количество оборотов в секунду реакционного центра РБФ-азы в реакциях карбоксилирования и окисления СО2.

Уравнение (7„ = кДЕ«.) применимо при низких концентрациях

О 0 1

С02. Когда увеличение концентрации С02 приводит к уменьшению концентрации У до величины меньшей Е^., то следует использовать стационарное решения системы уравнений (1,2,5):

V?

Ь')2 - 4а»й*

V = к!У = -:--(8)

оо 2а«

где а» = + к^Х0/^ + к.,к3Хл*/к£. ¿1' = к^^ Хл* Е° Х° У0, Ь' = к^^Х0 + к^Хл^В0 + к^хЛ0 + к^^Хл^Х0/^

где Хл* = J 1[Хл]/(2к1Е° + к^.), J - интенсивность падающего света; 1[Хл) - функция, отражающая долю падающего света, поглощенного Хл; Ц - коэффициент дезактивации Хл*, которая происходит без переноса энергии на РЦ; У°- общее количество метаболитов в цикле Кальвина (У°= У + У0).

Скорость видимого фотосинтеза на единицу площади листа можно записать в вида (РагдиЪаг е1; а1., 1980):

А = (1 - 0,5 Коко02/(Коко0х)] У0 - (9)

где 70 - скорость карбоксилирования 002 (ур-в 6) и - скорость теинового дыхания на свету в пересчете на единицу площади листа.

Уравнение (9) представляет обобщенную модель ФА, где видимая скорооть поглощения С02 выражена через значения постоянных коэффициентов - кг, к1, к^. к^, к0, К0, К0 и Г[Хл); концентрации обобщенных компонент ФА - Хл, Е^, Е°, Х°, У° и условия внешней среды - .Г, [С02] и (02Ь

Частичная проверка разработанной модели была проведена на хлопчатнике. Опыты проведены сотрудниками института Физиологии и Биофизики растений АН Таджикской ССР по согласованной методике (фридлянд и др. 1988). Скорость видимого фотосинтеза измерялась на двухканальной газометрической установке открытого типа. Оценивались концентрации РЦ фотосистем и обобщенного переносчика электронов (по концентрации цитохрома Ь^). Часть коэффициентов модели взято по литературным данным. После этого, при минимизации суммы квадратов отклонений модельных решений от экспериментальных данных, получены оценки неизвестных параметров и остальных коэффициентов модели: Е^ = 6,0 нмоль си~~; у0 = 9,4 выоль си-2; Йд = 0,16 нмоль см-2; = 0,32 нмоль си-2; к^ = 580

нмоль-1 ом2 с-1; к^ = 4,9 нмоль-1 см2 с-1 (Рис.3).

Рассчитывали и коэффициенты чувствительности для отдельнт параметров, вычисляя изменение скорости видимого фотосинтеза при увеличении значения каждого параметра не 0,01 при условии, что общее изменение скорости фотосинтеза по изучаемым параметрам составляет I (Рис.3).

На Рис.3 видно, что скорость видимого фотосинтеза определяется вктивностыо РБФ-азы только в области низких концентраций С02> где коэффициент чувствительности для РБФ-азы - К(Е^) равен I. При более высоких концентрациях С02 этот коэффициент равен нулю. Вклад обобщенных концентраций РЦ и переносчиков электронов в лимитирование общей скорости процесса увеличивается, а общей концентрации метаболитов в цикле Кальвина снижается с увеличением концентрации С02 в межклетнике.

В литературе отсутствуют достаточно полные исследования адаптивных процессов, в которых одновременно на одном и том же

Поглощение С02,

-2 -1 нмоль-м • с

7 б 5

4 3 2 I

О

-I

Коэффициенты чувствительности, отн. ед. -I

10 20 30 40 50 [СО^] в межклетнике, мкМ

0,5

Рис.3. Углекиолотнея кривая скорости поглощения СС>2 для лиота хлопчатника. Свет -29.6 мВт см-2, 33°С. х - эксперимент, (—) - модель (---) - коэффициенты чувствительности. 1 - для 2 - Е°, 3 - У0, 4 - Е1.

Поглощение СО,

-2 -1 нмоль-см -с

/

г

.роо I

3 2

Свет при выращивании

200

Интенсивность света,

-? т нэйнштейн-см ^-с

Рис.4. Скорость видимого фотосинтеза в зависимости от интенсивности

освещения (-) для

растения выращенных при высокой - (1), средней - (2) и низкой - (3) пнтенсивноотях света (отмечены внизу) (В^оПотап вt а1.,1972) (....) - модельные - решения

3

2

объекте измерялись бы как фотосинтетические характеристики, так и концентрации компонент ФА, необходимые для подстановки в модель. Наиболее полными в етом отношении являются данные из работ (BJortanan et el., 1972; Osmond et al. 1980), которые и были использованы для анализе. Для определения коэффициентов использовали уравнение (9) и световую кривую для растений, выращенных при среднем освещении (Рис.4). При етом предполагали, что Y < Et Затем находили решения по уравнению (9), подставляя известные изменения концентраций элементов, полученные для растений выращенных при высокой и низкой интенсивности освещения, и оставляя значения коэффициентов как для растений, выращенных при среднем оовещении (Рис.4). Видно достаточно близкое совпадение модельных и экспериментальных кривых, как в случае адаптации к высоким, так и к низким интенсивностям освещения.

Таким образом, анализ адаптации ФА с помощью предложенной модели дает возыокность полностью объяснить изменение скорости видимого фотосинтеза, при выращивании растений в разных условиях освещения, эа счет изменений концентраций отдельных компонент ФА.

3. Регулирование адаптивных процессов связывания COg в хпоропластах на метаболическом уровне Имеются многочисленные наблюдения об изменении концентраций метаболитов в цикле Кальвина при адаптации растений к различным условиям освещения, минерального питания и т.п (Дроздова и др. 1992, Siebke et al., 1939, Rao et al., 1989).Однако, эти зависимости плохо поддаются количественной интерпретации. Поэтому, предпринята попытка установить количественные связи между концентрациями метаболитов в цикле Кальвина не стадии восстановления 3- фосфоглицерата (PGA) и скоростью фотосинтеза и проанализировать соответствующие адаптивные изменения.

Превращение PGA до дегидроацетонфосфата (DHAP) проходит через промежуточное образование глицерат-1,3-0ифосфата (DPGA) и глицеральдегид-3-фосфата (GAP) и включает 3 последовательные стадии: 1-я реакция катализируется фосфоглицераткиназой и требует АТР, 2-я - глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой и требует HADPH и 3-я - триозофосфатизомеразой.

На основе имеюцихся в литературе данных об отдельных ферментах найдено общее уравнение для скорости восстановления PGA:

KjgK^lH^KjgF/PCAVlDHAP] - 1

U = --(10)

K,

4e

Ш1АР]

DlK1eK2elH+]PA D2K2eiH+]

Vimax^Tpl У2шх(Р1ИШ1Р+! V3max'

♦ A-]

V„_„ J

где

Fa = [ATP][NADPH]/( [AHP)[P1)[NADP+) )

D1 = KA(1 + [ATP]/K^'IP + [PCA)/K^GA + (ADP]/Kj^P +

+ [ATP](PGA]/Ka + IPGA](ADP]/Kg + UTP][ADP]/KC)

D2 = Kf"

kJJADP+ (P1)[ NADPH) K^X** [ P1 ] [ NAI)P+ ]

[NADPH] + -7-;- ^ -г-

jJUDP »Pi „Pi „NADP jrGAP

D3 •= K^O + (DHAPl/K^)

Обозначения: и - скорость восстановления PGA: 7ШХ - максимальная скорость на каждой стадии, Р^ - неорганический' фосфат, К -• константы равновесия , - видимые константы- Шйвбли'са, Кв -константы диссоциации; Кд, и Kg - константа. Верхние индексы обозначают метаболит, ншиие цифровые индексы - номер реакции.

Найдено, что при достаточно сильной освещении, когда отношение ([NADPH]/[NADP+]) больше 1, мокно пренебречь членами знаменателя уравнения (10) содержащими D2> D^ и некоторыми другими. Тогда из уравнения (10) получаем:

K^Kp.fH+JUTPJtPOA] u - 1е™ (11)

[iDPjiD^^lH+1/IiDPjV^ + ^А^)

Поскольку значение D^ зависит только от концентраций PGA, ATP и ADP, то и решение уравнения (11) будет зависеть только от концентрации этих метаболитов.

Для сравнения модели о экспериментальными данными использовали работы (Dletz and Heber, 1994, 1986) (Рис.5). Видно, что за исключением случая низкой интенсивности света, относительные

- о

•г- « О V

(V

м

<и сч|

S8

ф

в л

о ч

Ч о

t. я

о к с ä

V

I

S

о.

400 200

0 12

8

4

□ -

о - А

о_

/

,7 -Q

200 400 0

р

Свет, Вт-м

1000 200С [COg], см3-м-3

л

/ ' а

а v.

10 20 30 Т,(°С)

<

I

,0

X I-

о

аГ

р-£

Рис.5 Сравнение модельных решений по относительной скорости восстановления PGA (v) оо окоростью поглощения С02 и концентрациями соответствующих метаболитов (Dietz and. Heber, 1984, 1986). Стрелками обозначены точки, где вычисленные по уравнению (11) значения \> приравниваются к величине скорости ассимиляции С02-

А - световая зависимость, Б - углекислотная зависимость, В - температурная зависимость (при использовании уравнения (11) предполагалось, что активность ферментов увеличивается в 2 раза при увеличении температуры на 10°С).

А

В

о

изменения скорости поглощения С02 можно описать уравнением (11) при подстановке в него соответствующих концентраций метаболитов.

При низкой интенсивности освещения вычисленная величина к значительно выше измеренной скорости газообмена по COg. Подобное несоответствие можно, по-видимому, объяснить дезактивацией глицеральдегид-З-фосфатдегидрогеназы и 3-фосфоглицераткиназы на слабом свету, что должно привести к уменьшению значений V1ma¡{ и v2max в Уравнении (11).

Адаптивные изменения концентраций метаболитов изучали на основе данных из работ (Rao et al., 1989: Fredeen et al., 1990), где измерялись все параметры, необходимые для подстановки в уравнение (11), у растений сахарной свеклы и сои, выращенных при различном уровне фосфора. Была получена хорошая корреляция между изменением скорости ассимиляции COg, полученной в этих работах, и вычисленной по уравнению (11) скоростью восстановления PCА.

Глава 2. АДАПТИВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СВЕТА ПРИ СЛАБОМ ОСВЕЩЕНИИ

Скорость накопления биомассы растений в значительной степени определяется эффективностью использования энергии света при пониженной освещенности (Ort and Baker, 1986).

Имеются и наблюдения, свидетельствующие о возможности повышения эффективности использования квантов при низкой интенсивности освещения - например, вследствии так называемого эффекта усиления Эмерсона или адаптивных эффектов, связанных с перераспределением световых потоков меаду фотосистемами (Myere, 1971: Pork and Sato, 1986). Однако, роль этих явлений в увеличении эффективности фотосинтеза при низком освещении полностью не выяснена.

1. Эффект усиления, красное падение и хроматические переходы

Эффект усиления фотосинтеза, открытый Эмерсоном и др.(1957). заключается в том, что скорость фотосинтеза при освещении двумя световыми потоками с разными длинами волн превосходит сумму скоростей фотосинтеза при освещении каждым потоком по отдельности. С этим эффектом тесно связано явление' хроматических переходов при изменении длины волны падающего света (В11пкв, 1957). а также явление красного падения эффективности фотосинтез 8 (Emeraon and Levis, 1943). Все эти явления обычно рассмат-

риваются о точки зрения последовательной схеиы взаимодействия двух фотосистем (Иуегв, 1971).

Однако, ряд качественных закономерностей может Сыть описан только с учетом работы цикла Кальвина. Отсутствие усиления по скорости восстановления NADP+ в изолированных хлороплаетах и наличие втого эффекта по поглощению С02 (Агпоп, 1977; Mo Swain and Anion, 1968, 1972 ), уменьшение величины усиления по поглощении С02 в изолированных хлороплаетах при добавлении промежуточных метаболитов цикла Кальвина (Peavey and Gibbs, 1975) и противоположное направление хроматических переходов по выделению 02 и поглощению С02 (Blinks, 1963) в любом случае не могут быть объяснены прямым взаимодействием 2-х фотосистем.

В то же время, механизм, посредством которого могло бы происходить взаимодействие ATP, NADPH и процессов в цикле Кальвина в втих условиях, до сих пор неясен. Поэтому, мы попытались построить кинетическую модель работы цикла на слабом свету, где скорость процессов определяется только двумя светозависиышш стадиями:

Рис.6. Упрощенная схема взаимодействия компонент в цикле Кальвина при. лимитирующем освещении: 11 - акцептор электронов от NADPH, -обобщенный компонент взаимодействующий с ATP, k1 и kg -константы скоростей.

Взаимодействие компонент (Рис.6) можно описать системой дифференциальных уравнений:

d[X1 J/dt » kglATPHXg] - v (12)

dtXgl/dt = v - kgtATPHXj] (13)

где v = k1 (NADPH] [X.,] . (14)

Фотосинтез, измеренный по выделению 02 (7), определяется скоростью окисления NADPH, как конечного звена в цепи нециклического переноса электронов.

При слабом монохроматическом свете концентрации АТР и NADPH можно считать пропорциональными интенсивности освещения:

[NADPH] = J(\) (NADPH) MX), (ATP] = J(X) (АТР)ЧХ) (15)

где J(X) - интенсивность монохроматического падашего света о длиной волны X, [NADPH]'(X) и [АТР]•(X) - концентрации при которых достигается единичная скорость фотосинтеза (при освещении монохроматическим светом единичной интенсивности).

Предполагали аддитивность скоростей синтеза NADPH и АТР и, соответственно, их концентраций при освещении двумя потоками свете различной длины волны:

[NADPH](XVX2) = J(X1)[NADPH] *(>и) + JU2)[NADPH]' (Xg) (16)

UTP](X1tX2) = JU^lATPJMX.,) + J(X2)[ATP]'(X2) (17)

где- (X^Xg) означает одноврэменное освещение светом Х1 и Х^.

Подставив значение II ^], полученное при решении системы уравнений (12,13), в уравнение (14), можно найти для перехода от одного стационарного состояния в цикле к другому:

v = (v? [NADPH]/[NADPH]° - vo) х (18)

О о

ехр(- (k.j [NADPH] [R] + k^ATPHR]) (t - tQ)/[Hl> + vfl

где v8 = (к, [NADPH] [R])_1 + (k^ATPKR] )~1 (19)

v° = (k^[NADPH]°[R] + (kjCATP]0^])"1 (20)

где [R] = [X^] + [Xg] - общее количество метаболитов в цикле. Верхний индекс (о) отмечает начальный Mottea? бремени (tQ), а нижний индеко (в) - стационарные НаBUeflipaioM й скорости.

Была проведена проверка ИоДвМ йй обнойе имеющихся в литературе данных. Коэффициенты ИойелМ вычислены по величине эффекта усиления для хлореллы (leaf's ёМ ОГййай, 1963). На Рис.7 изменение [Х]^, полученное при решении системы уравнений (12, 13), сопоставлено со скоростью выделения кислорода при имитации прибавления к свету J(650) света J(700) (концентрации АТР и NADPH найдены по уравнениям 16,17). Предполагало^* что каждый из потоков света сам по себе вызывает единичную скорос фотосинтеза.

- 18 - •

отн. ед [X,], о

J(650)

" J(650) + J(700)

- J(700)

■ U

| / \ -----^

— — —• ■

о

О 0,2 0,4 0,6 Время, отн. ед. (t / UX-j] + U21)

Рис.7. Модельное изменение скорости выделения 02 (и) и [Х1I при добавлении света Л 700) к .1(650). (----) - скорость выделения 02 при простом сложении скоростей.

1

Квантовый выход, отн. ед.

[АТР]'(X) [АТР]'(650)

10

Рис.8. Спектр вычисленной относительной концентрации АТР - (а-о), квантового выхода (л-д) выделения 02 (Emerson et al.,1957) и модельные решения для квантового выхода - (о —о).

680

700

720

Длина волны, км

Кинетическая кривая выделения 02 при добавлении к свету J(650) свете J(700) состоит из двух стадий: первая - резкое увеличение скорости выделения Oj, обусловленное увеличением концентрации NADPH непосредственно при добавлении света J(700), и вторая стадия - медленное увеличение етой скорости вследствие увеличения концентрации Х1. Увеличение (Х1] может быть объяснено перераспределением метаболитов в цикле Кальвина за счет дополнительного увеличения [АТР], по сравнению с [NADPH], при добавлении J(700) к J(650). Аналогичный характер изменения скорости выделения 02 наблюдается и на интактных растениях (Муега, 1971).

Следовательно, согласно предложенной модели, эффект усиления достигается не прямым увеличением потока электронов при взаимодействии двух фотосистем, а усилением етого потока на второй стадии процесса, связанной с увеличением концентрации конечного акцептора электронов (Х^ в цикле Кальвине.

' Расход квантов на поглощение одной молекулы С02 можно рассчитать через количество квантов необходимых для поддержания одинаковой скорости фотосинтеза при любой длине волны падающего света. Тогда увеличение квантового расхода в неоптиивлышх условиях может происходить, например, из-за синтезе^ дьбйвочного АТР. Для определения изменения квантового- вы*едо фотосинтеза можно вычислить зависимость [АТР]'СО (ур-е 15) от изменения длины волны падающего света. На Рис.8 втб сделано по известному из работы (Myers and Graham, 1963)' спектру действия усиления фотосинтеза для хлореллы. Затем* было н&ЯЙёно значение квантового выхода (величина обратная Кваййовому расходу) по выведенному нами уравнению:

у(Х) в 2k ÜJOT}ftWUTP)4Xm) + 7(ХЩ)] (21)

где т(Х) - квантовый расход при произвольной длине волны падающего света, Т(*т) - минимальный квантовый расход при Яш = 680 нм, к - коэффициент пропорциональности.

Полученная на основе спектра действия эффекта усиления спектральная кривая квантового выхода фотосинтеза близка к экспериментальным данным (Рис.8). Таким образом, наши расчеты подтверждают, что одной из основных причин падения квантового выхода фотосинтеза у зеленых растений и водорослей на дальнем

красном свету может быть избыточное, по сравнению с нуждами аосиыиляции С02, количество производимого АТР.

Вид хроматических переходов, наблюдаемых но интакткых раогениях по выделению 02 (Myers, 1971), также хорошо совпадает о модельными решениями.

Эффекты усиления фотосинтеза, хроматических переходов и красного падения эффективности фотосинтеза обычно считают одним из доказательств наличия двух фотосистем, которые работают последовательно (Ыуега, 1971; Агтюп, 1977). В то же время, предложенное выше объяснение механизма всех указанных эффектов основано только на предположении об изменении концентрации АТР и NADPH при изменении длины волны падающего света и, следовательно, предположение о последовательном функционировании двух фотосистем не является следствием существования указанных выше вффек-тов. Однако, очевидно, что концепция Z схемы, с учете« циклического фотофосфорилирования, достаточна для объяснения увеличения концентрации АТР, по сравнению с концентрацией NADPH, в областях, которые были обозначены .как области поглощения ССС 1. Следовательно, предложенная концепция не противоречит представлению о Z схеме работы фотосистем, однако позволяет конкретизовать механизм взаимодействия фотосистем с процессами в цикле Кельвина.

2. Роль перераспределения квантов между фотосистемами в повышении еффективности использования слабого света Роль механизма перераспределения пигмент-белковых светособи-рающих комплексов между фотосистемами к настоящему времени окончательно не установлена. Вероятно, что это явление используется растениями для увеличения эффективности фотосинтеза при низком уровне освещения (Pork and Sato, 1986). Однако, конкретный механизм, посредством которого мог бы быть достигнут подобный эффект, не ясен/Поэтому было проведено более детальное исследование.

Для опытов использовали ячмень (сорт Зазерный) и не содержащий Хл Ь мутант ячменя N 3613 полученный Проф. Загромски (Германия, Гаттерслебен). Исследован также горох сорта Кардинал и полученный из него мутант N 42, в котором отсутствует Хл Ъ (из коллекции мутантов Московского государственного университета). Исследовали медленное падение выхода флуоресценции хлорофилла

(X = 680 ни) у 7 дневных листьев ячменя и 14 дневных лиотьев гороха и их мутантов при переходе из состояния 1 (которое достигалось при добавлении к возбуждающему слабому синему свету сильного дальнего красного) в стационарное состояние - только на слабом синем свету (после выключения дальнего красного света).

У мутантов ячменя и гороха без Хл Ь регистрируется только очень слабое изменение выхода флуоресценции Хл при выключении дальнего красного света. Поэтому, в первом приближении, можно считвть, что относительная величина перехода из состояния 1 в состояние 2, измеренная по изменению выхода флуоресценции, пропорциональна доле свегособирекщих пигмент-белковых комплексов переходящих от ФС2 к ФС1.

Относительную величину изменения уровня флуоресценции (АР) находили по уравнению:

АР.= (Р® - Р°)/(РВ - Р°) (22)

где Р™- максимальная величина флуоресценции Хл (апроксимировано к моменту выключения дальнего красного света по кривой медленного падения выхода флуоресенции Хл);. Р8 - стационарный, уровень флуоресценции Хл (680 нм) на синем возбуждающем свету и - флуоресценция при 620 нм, измеренные через десять минут после выключения дальнего красного света.

Зависимость АР от интенсивности синего возбуждающего света показана на Рис.9. Аналогичные результаты получены для гороха.

Спектры низкотемпературной флуоресценции изучали на сеиидневных срезанных листьях ячменя. Партии (по 8 - 10 образцов) освещали синим светом (10 Вт ю ) в течении 10 минут при комнатной температуре, что достаточно для достижения стационарного уровня флуоресценции Хл. Затем образцы освещали 10 минут при различных регйййх: синий свет различной интенсивности; сильный дальний красный свет (90 Вт га ); темнота и затем помещали в кидкий азот. Результаты приведены на Рис.10.

Наблюдается корреляция между отношением максимумов низкотемпературной флуоресценции Хл при 735 нм и 695 нм (^735^595' и величиной флуоресцентных переходов из состояния 1 к стационарному состоянию при комнатной температуре (Рис.9,10).

Бали исследованы также величины переходов м^дду состояниями

1,5 - 4

- ' ^ О - - О

1,4 и 1 - 3,6

Г/1

1,3 -о 3,6

-Л

1,2 - 0 -/ 3,4

1,1 в • ^ 3,2

I -о

.0 I 2 3 4 5

о

Синий свет, Вт-м~с

Р7Э5/Р695

I

Ч 1

_____

о

/I • о -

'п

О- .

2

0 I 2 3 4 5 6

о

Синий свет, Вт-м

Рио.10

Рио.9. Относительные изменения флуоресценции Хл (АР) в 7 дневных листьях ячменя при 20°С. Растения выращены при 20 Вт м-2. Средние из 4-х измерений с квадратичными отклонениями. Отношение интенсивности полосы флуоресценции ФС1 (^735) к одной из двух полос ФС2 ) при 77 К после пребывания листьев ячменя на синем свету различной интенсивности (3). на дальнем красном свету (2) или в темноте (1) в течении 10 мин. Растения выращены как на Рис.9. Средние из

10 образцов с квадратичными отклонениями, т .

Рис.11. Максимальная величина АР (при интенсивности воз-

Суадапцего синего света _р

10 Вт*и ) в зависимости о? интенсивности света при 5 _______ т выращивании растений.

5.......... ^ (*—х) - 7 дневные листья

А ячменя, (о—о) -14 дневные

-г-——с. листья гороха. Средние из

60 8й 100 120 4 образцов с квадратичными 2 - отклонениями.

2

со »—« м А\

1,6 %

1,4

1,2 ■

Т

0 20 40 Свет ггри выращивании, Вт-м

/

1 и 2 в зависимости от интенсивности освещения при выращивании растений (Рис.11). С уменьшением интенсивности света при выращивании максимальная величина переходов из состояния 1 в состояние

2 - (ЛР™), которую находили по уравнению (22) при интенсивности

_о

синего возбуждающего света 10 Вт м , резко увеличивается. Особенно заметно ето проявляется у гороха по сравнению с ячменем.,

Очевидно, уменьшение отношения (^735^695) • наблюдаемое при понижениии интенсивности освещения, не связано о достижением нового темнового состояния 1, так как десягиминутного темнового периода недостаточно для изменения начального состояния 2 (Рио. 10). Следовательно, при низкой интенсивности синего света листья находятся в состоянии промежуточном между 1 и 2 и поглощенные кванты направляются преимущественно на ФС 2 (как при состоянии 1). В то же время, при увеличение интенсивности освещения распределение квантов становится более равномерным (сост.2).

Разбаланс распределения квантов среди ФС может быть обусловлен различием в фотоактивности, или другого типа активностью, в одной из ФС. Возможно, например, функционирование так называемых обратных реакций в РЦ ФС2. При етом могут происходить потери квантов (Рубин и др., 1987: Ort and Baker, 1986). В етом случае можно предполагать, что при низком освещении добавочный поток квантов на ФС2 служит для компенсации потерь квантов в РЦ ФС2.

Если предполагать, что потеря квантов происходит вследствии взаимодействия первичных пласгохинонов РЦ ФС2 с S-состояниями в системе разложения воды и, что имеемся полная компенсация квантовых потерь за счет дополнительного потока квантов на ФС2 , то вероятность диссипации квантов, вследствии обратных реакций в РЦ ФС2, оцененная в работе по данным Рис.9, составляет 34* в секунду от количества РЦ (Ю2.

Невозможность реализаций требуемого распределения энергии между фотосистемами может уменьшить еффективность утилизации квантов при слабом освещении. Поэтому, резкое увеличение величины возможного перемещения светособираицих пигмент-белковых комплексов в " растениях, выращенных при низком освещении (Рис.11), монет способствовать адаптации растений к этому уровню освещения, вследствии более полной компенсации потерь квантов в РЦ ФС 2.

Глава 3. ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СВЕТА НА КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ С02 -В ХЛОРОПЛАСТАХ ^-РАСТЕНИЙ

Хорошо известно о возможности увеличения эффективности фотосинтеза при высокой интенсивности освещения и люштирующей концентрации С02 у так называемых Сд-растений, которые отличаются от Cj-растений наличием специфических адаптивных механизмов концентрирования С02 в хлоропласта! клеток обкладки листьев (Эдварде и Уолкер, 1986). Высказано и предположение, что в С^ -растениях возможно существование (или индукция) ССМ в' единичной клетке мезофилла, что должно приводить к увеличению эффективности фотосинтеза (Магомедов и др., 1980; Мокроносов, 1981; Насыров, 1982). Однако, попытки провести широкий скрининг на подобные ССМ у высших С^-растений до последнего времени кончались неудачно. Поэтому, теоретическое изучение свойств возможных ССМ в С^- растениях и нахождение путей их поиска также является важной задачей при исследовании механизмов адаптации ФА.

Определение эффективности карбоксилирования £ растений обладающих ССМ

Величина начального наклона углекислотной кривой фотосинтеза (эффективность карбоксилирования), определяется наличием ССМ. Поэтому, для растений, обладающих ССМ, предпринята попытка получить и проанализировать уравнения для эффективности карбоксилировшшя. На Рис.12 приведена общая возможная схема происходящих процессов.

Анализировали три возможных типа ССМ; 1.0^- растения. Часть А - клетки мезофилла, Б - клетки обкладки.

2. Одноклеточные водоросли. Часть А - окружающая клетку водная среда, Б - внутриклеточное пространство.

3. Гипотетический случай существования ССЫ в единичной клетке мезофилла С^-растений: часть А - цитоплазма клеток мезофилла, Б - хлоропласта.

Для любого типа ОСИ диффузионный поток С02 из части Б в часть А имеет вид:

J = PS (Cb - Са) (23)

где Р - ковффициент проницаемости для С02 границы между частями А и Б, S - поверхность, через которую происходит диффузия С02.

область выделения концентрации С02 в

Рис.12 Обойденная схема работы ССМ: А - область первичного связывания С02; Б связанного С02 и его фиксации; С0 и С^ ■ частях А и Б, ? - скорость видимого газообмена по С02; Н - поток связанного НУ из части А в Б, образующийся при работе ССМ; J -диффузионный поток С02 (и КСО^) из части Б в Aj Vc - скорость карбоксшшрования на РЕФ-ase; Rfl и Еь - скорости выделения С02 в частях А и Б не зависящие от интенсивности освещения и концентрации СО^; VQ- скорость выделения С02 при фотодыхании (1-й н 2-й СОТ). Штриховой линией обозначено выделение С02 при фотодыхании в цитоплазме клеток С^-растений (3-й тип ССМ).

Уравнение для определения эффективности карбоксилироввння для ССМ 1 или 2 (йР/йС ) иокно получить выразив значение <Ш<К!

И о

йз ур-я (23) и используя суммарные уравнения для потоков: „ (<Ш/4Са + К) 4(У0- У0)/ 40ь

dC„

d(v0-V/dcb +FS

(24)

При работе 3-го ССМ выделение С02 при фотодыхании' происходит в цитоплазме, т.е. в части А. В этом случае получаем:

(<ffl/dOa + PS) dVQ/ dCb

dC„

d(V0+ V0)/dCb + PS

(25)

Производные, входящие в уравнения (24,25), могут быть определены на основе уравнений для отдельных стадий процесса.

Для оценки границ применимости выведенных уравнений были попользованы известные из литературы значения переменных.

Согласно уравнению (24) при PS близком к нулю, как у С^ растений, начальный наклон углекислотной кривой видимого газообмена полностью определяется эффективностью карбокоилиро-вания на фоофоенолпируваткарбоксилазе (<Ш/йС„).

О

Для 3-го ССМ проницаемость оболочки хлоропласта принимали как для двух липидных мембран (Р = 0,175 см с-1, Gutkneoht et al., 1977), а область наиболее вероятных значений S - от 4 до 12 (площадь поверхности хлороплаотов на единицу площади листа, Мокроносов, 1981), т.е. среднее PS = 1,4 см с-1, что значительно больше, чем между клетками обкладки и мезофилла у С^- растений. Результаты расчетов для 3-го ССМ представлены на Рис.13.

Как видно из Рис.13, даже при одинаковой активности процессов первичного связывания 002, эффективность карбоксилирования у Cj- растений, обладающих ССМ, будет значительно ближе к эффективности карбоксилирования на РБФ-азе, чем у Сд- растений.

Увеличение начального наклона углекислотной кривой при работе ССМ должно приводить к уменьшению величины углекислотного компенсационного пункта. Однако, поскольку эффективность карбоксилирования у С^-растений, которые возможно обладают ССМ, по-видимому, близка к эффективности карбоксилирования у обычных О^-растений, то не-следует ожидать, и значительного уменьшения величины углекислотного компенсационного пункта у подобных растений. Этот результат позволяет объяснить неудачу попыток найти С^-растения о ССМ просто за очет поиска растений с низким углекислотным компенсационным пунктом.

2. Эффективность работы возможных ССМ £ С^-раствний

Для С^-растений с возможными ССМ были оценены дополнительные затраты энергии при концентрировании С02 и расход структурного материала на синтез ферментов, нужных для функционирования ССМ, по сравнению с известными затратами для С^- растений.

При проведении расчетов предполагали насыщающее фотосинтез освещение при лимитирующей концентрации С02. Тогда стационарную скорость ассимиляции С02 можно найти по ур-ю (9), где У > Е^. Концентрацию COg в хлоропласте (С^) можно найти по уравнению:

- гл -

Эффектийиость кар-боксилирования, см-с

-I

1,5

0,5

Р$, С3- растения

Рио.13. Зависимость ефректив-нооти карбоксилирования у С^-раотений, которые возможно имеют ССМ, от РБ (ур-е 25). 1 - при активности ферментов связывающих С02 в компартменте А ((1Н/Л0а) в 5 раз большей, чем активность РБФ-азы (как для Сд- растений)!

2 - при отсутствии ССМ;

3 - эффективность карбоксилирования на РБФ-азе Ш0/ <1СЬ). Сверху приведен интервал значений РБ, характерный для С^-растений.

РЯ, см-с

-I

А, ^»

нмоль СО

Рис.14. Зависимости от концентрации С02 в хлоропласте (Сх):

А -скорости поглощения С02; .1.1- диффузионного потока С02 в хлоропласты (или из них); ^ -потока неорганического углерода в хлоропласт при работе ССМ} Н -удельных энергетических затрат на концентрирование; Сд -концентрация С02 в цитоплазме.

3

Сх = -0.5Ъ + 7О,25 Ъ2 + Л (26)

где Ь = кдЕ^/РБ + К0(1 + 01/Ко) - Сщ, <1 = К0(1 + С^/К^

Обозначения, как на Рио.14 и в уравнении (7).

При работе ССМ возникает поток связанного НУ в хлоропласта -который равен сумме отационарной скорости карбоксилиро-вания на единице площади листа и диффузионного потока С02 из хлоропластов.

Уделыше енергетические затраты на работу предполагаемых ССМ (Н) можно определить через количество молекул С02, которые нужно перенести в хлоропласт для повышения концентрации С02 в нем до уровня, необходимого для ассимиляции одной дополнительной молекулы С02> Через потоки С02 ету величину можно записать в виде:

Н = а2 /(А0 - (27)

где А0 и А^ - скорость видимого 002~газообыена при работающем ССМ и без него, соответственно

При работе предполагаемых ССМ в С^- растениях поток связанного 002 в хлоропласты должен значительно превосходить скорость ассимиляции 002, чтобы компенсировать возрастающий диффузионный поток С02 из хлоропластов, и величина Н, вычисленная по ур-ю (27), равна примерйо 7 (Рис. 14), в то время как у С^ - растений ассимилируются почти все молекулы С02, которые переносятся в клетки обкладки (Н = 1). В связи с втим, не следует ожидать вначительногб повышения концентрации ,002 в хлоропласта! растений, по сравнению о его концентрацией в цитоплазме, даже при наличии у них ССМ. '

Можно также показать, что в области значений Рй, характерных для С^-рвстений, затраты структурного материала на синтез ферментов для 3-го ССМ, по-видимому, меньше, чем на увеличение концентрации РЕФ-азы, т.е. для одинакового увеличения интенсивности видимого фотосинтеза требуется меньше структурного материала на создание ССМ, чем на'дополнительный синтез РБФ-азы. 3. Возможный механизм концентрирования С02 внутри хлоропласта о участием карбоангидразы.

Хлоропласты высших растений содержат значительное количество

КА, роль которой полностью не ясна (Алиев и Гулиев, 1990; Reed and Graham, 1981). Однако, существуют некоторые предположения о возможной роли КА в работа ССМ микроводорослей: например, предполагается, что бикарбонат может при освещении в значительных количествах проникать из стромы в тилвкоида, где в присутствии КА он дегидратируется до С02- Образующийся С02 может выходить из тилакоидов в строму (Пронина и др., 1981). Если мембраносвязап-ная КА может образовывать каналы в мембранах тилакоидов, через которые возможно проникновение Н+ из них, то возможна и дегидратация бикарбоната на поверхности тилакоидов при использовании внутритилвкоидных Н+. В любом случае должно происходить выделение С02 внутри хлоропласта и, следовательно, повышение его концентрации в атом объеме.

На основе этих предположений была разработанв модель возможного ССМ внутри самого хлоропласта.

Для упрощения расчетов рассмотрен гомогенный сферический хлоропласт, где объем тилакоидов я их поверхность в единице объема соответствуют средним значениям для всего хлоропласта.

В сферических координатах систему уравнений диффузии С02 и НСО^ внутри хлоропласта мсшо записать в виде:

d(V я W 4ЯГЧ '

dJo0/ dr = 4Яг2(- Fs - Hs + Ce)

dJb8/dr= 4«r2(HB-G3)

где 0B и Bß - концентрации C02 и бикарбоната на расстоянии г от центра хлоропластов, Jcs и - потоки С02 и бикарбоната через поверхность сферы радиуса г, DQ и D^ - эффективные коэффициенты диффузии С02 и НСО^ в строме, Pß - скорость ассимиляции и Hß -скорость обратимой гидратации С02 в строме, Gß - скорость дегидратации бикарбоната и выделения С02 в хлоропласте с участием равномерно распределенных тилакоидов.

Для облегчения вычислений скорость ассимиляции С02 в строме (?в) при лимитировании по С02 описывали уравнением (6) при Y>Et.

При концентрацией С02 в хлоропластах близкой к воздушн й ско-

(28)

рг чть обратимой гидратации 00^ можно записать в виде уравнения:

нв - <»й + кь2/кь)(0в-V1" (29)

где й - концентрация КА, к^ и К^ - число оборотов активного центра КА и константа Михаелиса для гидратации С02, - константа гидратации 002 в воде, К - отношение [НСО^ШСО^] при равновесии.

а = Е„В_, где Е. - коэффициент пропорциональности, который

о о в Ь ,

зависит от скорооти выхода Н из тилакоидов (или скорости проникновения в них НОО^), скорости взаимодействия Н+с НСО^ и т.п.

Значения концентраций елементов и констант скоростей приняты из литературных данных. Граничные условия определялись концентрацией НУ в цитоплазме. Стационарные решения системы уравнений (28) с заданными граничными условиями получали при помощи специальной программы для ЭВМ (Рио.15).

Видао, что при рН = 8, равномерном распределении ЬА в строме и при отсутствии ССМ (С„ = 0) наблюдается выравнивание профиля

О

концентрации С02 в хлоропласте, вследствие резкого увеличения скорости обратимой гидратации С02 - так называемая облегченная диффузия (Уокии апй Ьоштеп, 1975).

Приведенные расчеты также показали незначительный еффект концентрирования С02 при равномерном распределении КА вокруг тилакоидов, что связано о быстрой гидратацией С02, образовавшегося из бикарбонате при работе ССМ, и диффузией НСО^ • снова к месту его дегидратации в тилакоидах (или на их поверхности). Для повышения еффективности концентрирования необходимо предотвратить гидратацию С02 около тилакоидов. Это может быть реализовано, если вся стромальная КА будет находиться только у внутренней оболочки хлоропласта. На Рис.15 представлено соответствующее решение при условии, что вся КА стромы сосредоточена в слое толщиной 0,05 мкм у внутренней оболочки хлоропласта.

В втом случае работа ССМ связана с гидратацией 002, диффундирующего из цитоплазмы клетки и из центральной области хлоропласта, диффузией образовавшегося около стенки хлоропласта бикарбоната в центр и образованием там С02 в количестве большем, чем необходимо для его ассимиляции.

В рассматриваемом ССМ энергия тратится только на закачку Н+

(С021, [НСО3], мкМ

Расстояние от центра хлоропласта, мкм

Рис.15. Численные рассчеты стационарных профилей концентраций С02 и НСО^ внутри хлоропласта.

(--) - без КА и С СМ в хлоропласте, (•■•■) - при

равномерно распределенном КА в хлоропласте, но без ССМ.

(-) - при работе ССМ, где КА локализована в тилакоидах

и около оболочки хлоропласта. Сверху показвн профиль концентрации НСОГ при работе етого ССМ.

в шакоиды, где протоны затрачиваются в процессе дегидратации бикарбоната. Все остальные процессы происходят по градиенту концентрации. Процесс активной закачки протонов в тилакоиды за счет енергии света хорошо известен.

4-. Возможность существования механизмов концентрирования

Функционирование различных возможных ССМ в С^-рестениях должно приводить к некоторым специфическим особенностям. В частности, при увеличении в межклеточном пространстве концентрации С02 следует ожидать и увеличения скорости работы ССМ и, следовательно, приводить к резкому увеличению потребления энергии на концентрирование. Это должно вести к недостатку АТР, который требуется для регенерации акцептора в цикле Кальвина и, следовательно, к уменьшению скорости видимой ассимиляции С02 У листьев при увеличении концентрации С02 в межклеточном пространстве выше оптимального уровня. Подобное явление иногда действительно наблюдается (Woo and Wong, 1983! Sharkey, 1985).

Ассимиляция C0o,

-2-1 • мкмоль-м. -с

С02 jr некоторых С,-растений и методы их поиска

30

20

о •

о-о

Рис.16. Зависимость ско-росси ассимиляции С02 (А) у Tritioum dioooooidas от межклеточной концентрации С02 при концентрации 02 ('1)- 21* и (2)- 2%.

i-1_I_

0 1000 2000

Концентрация С0Р в межклетнике, ррм

'2

В нашей работе мы попытались более тщательно исследовать ето явление. Доследования были проведены совместно с С.Н. ЦурюпоЯ (Институт почвоведения и фотосинтеза г. Пущино) на трех видах

пшеницы (Фридлянд и Цурюпв, 1992). На Рио.16 предотавлены результаты исследования одного из видов.

Имеется выраженное снижение скорости поглощения С02 при увеличении концентрации С02 в межклеточном пространстве, что особенно заметно при низкой концентрации Og. У дву1 остальных видов подобное явление наблюдается в меньшей отепени.

Проведенный анализ полученных данных показал, что имеющиеся в литературе объяснения наблюдаемого аффекта не приводят к удовлетворительному результату. Поетому можно думать, что уменьшение регенерационной способности в цикле Кальвина при повышении концентрации С02 может быть обусловлено наличием специфического СОМ в некоторых С^-растениях, таких как пшеница.

Глава 4. МЕХАНИЗМЫ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ С02 В КЛЕТКАХ ЩШЮЕАКТЕРШ И МИКРОВОДОРОСЛЕЙ

Известно, что неорганический углерод связывается в клетках одноклеточных водорослей и цианобактерий через цикл Кальвина в виде С02 на ферменте РВХ>-аза. Однако, многие виды цианобактерий и микроводорослей, при выращивании в условиях низкой концентрации НУ, приобретают способность эффективной его утилизация. Это является следствием индукции специфических ССМ, которые развились в процессе эволюции к понижающимся концентрациям С02 в атмосфере (Пронина и Семененко, 1991; Aieawa and Miyachi, 1986). При исследовании этих механизмов возникают существенные трудности, связанные с их сложной структурой. Поэтому была предпринята попытка определить, на основе математического моделирования, возможные механизмы, которые может использовать клетка для повышения еффективости фотосинтеза при работе ССМ.

1. Модели ССМ jr микроводороолей

Известна математическая модель созданная для описания ССМ в клетках микроводоросли ChlamydomonaB reinhardtii (Spalting and Portia, 1985). Схема процессов, происходящих при работе ССМ в етой модели, представлена на Рис.17 (скорости V^-Vg). В этой модели концентрирование С02 в клетке происходит за счет активного транспорта бикарбоната через плазмалемму. Внутриклеточное пространство рассматривается как однородная среда в которой происходит дегидрация НС07 и связывание С02. Наличие клеточной

".рщ

ы

'15

ПЕРИПЛАЗМАТИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО

13

'16

[coeb

\ vi

'и

'12

[НС0з]р ^ 14 » [НС0з]«

КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА

L

КЛЕТКА

Ni-

\

ПЛАЗМАЛЕММА

Рис. 17Схематическая диаграмма процессов происходящих при функционировании ССМ в одноклеточной водоросли

Индексы р, е и i соответствуют концентрациям компонент в среде, ПП и внутри клетки, соответственно;

V и Vg - скорости дегидратации HCOg и гидратации COg, которые

катализируются КА внутри клетки. v3„ v^ - скорости некатализируемой дегидратации Н(Юд и гидратации COg внутри клетки. Vg- скорость транспорта HCOg в клетку. Vy~ скорость транспорта HCOg из клетки.

Ve- скорость фиксации COg внутри клетки,катализируемая РБФ-азой. Vcj- скорость диффузии СО2 из клетки. У10-скорость диффузии Og из клетки.

V1VH V12 - скорости дегидратации HCOg и гидратации COg, которые

катализируются КА в ПЛ. V13- скорость диффузии COg между внешней средой и ПП. V14- скорость диффузии НСОд между внешней средой и ПП. V15 и V16 ~ скорости дегидратации НСОд и гидратации COg во внешней среде

Скорости V1 входят В модель {Spalding and Portia, 1985).

оболочки не учитывается.

Однако, вычисленная нами по модели (Spalding and Portia, 1985) величина полунасыщающей концентрации НУ для скорооти его ассимиляции (Kq ^(НУ)) показывает резкое увеличение в кислой облвоти. Это отражает, в основном, необходимость постоянной концентрации бикарбоната для получения одинаковой скорости фотосинтеза в условиях, где при низких рН равновесие сдвинуто в сторону образования С02. В то же время, экспериментальные данные для водорослей не показывают такого увеличения Kq ^(НУ) в кислой области (Horoney and Tolbert, 1985s Moroney et al., 1987).

Следует также отметить, что имеется неподвижный слой среды около клеток, а также значительная клеточная оболочка вокруг целлюлозной клеточной стенки у такого вида как Ch.reirihardtii. Кроме того, появление ССЫ в микроводорослях часто сопровоедается накоплением значительного количества КА в клеточной стенке или в ПП (Aiaawa and Hiyaohi, 1986). Поэтому, мы попытались дополнить модель (Spalding and Portie, 1985), учтя указанные факторы и вводя реакции V^ - V^ (Рис.17). При этом скорости реакций V1 -V1Q были определены аналогично (Spalding and Portie, 1985).

По-видимому, даже в условиях кислой наружной среды (при наличии толстой гелеобразной оболочки вокруг пдазмалеммы) в ПП может поддерживаться щелочная среда (Slavik and Kotyh, 1984: Levin, 1990). Поэтому, значение рН в ПП принимали равным значению рН внутри клетки. При этом реакции, катализируемые КА в ПП (▼1гт12). моделировали аналогично уравнениям для действия КА внутри клетки (см. Spalding and Portia, 1985).

Пассивную диффузию С02 и бикарбоната между внешней средой и ПП рассчитывали по уравнениям:

=í0(tco2vp - юо2]е) (30)

v14 = Ph([HC0~]p - [НСО'У (31)

где PQ и Ph - ковффициенты проницаемости С02 и бикарбоната через клеточную оболочку, соответственно.

Коэффициент проницаемости С02 через клеточную ободочку вычисляли согласно (Nobel, 1974). При толщине клеточной оболочки для Ch.reinhardtii порядка 0,5 мкм. PQ = 0,001 м с-1. Пред-

полагали, что Ph = 0,02 PQ. Согласно (Raven, 1970) толщина неподвижного слоя в среде вокруг клеточной оболочки равна примерно 5 мкм.

Диффузию COg и бикарбоната в неподвижном слое вокруг клетки, которая сопровождается их взаимопревращением, описывали системой дифференциальных уравнений в сферической системе координат. Эта система была аналогична системе (20) при условии, что 1В = 0, GB = 0, а Нв - скорость некатализируемой гидратации С02 и дегидратации бикарбоната (сумма скоростей и V^)

выражается аналогично (Spalting and Portia, 1985) в виде:

А = ~(ка 4 VH+)/V[HCC9er^+ <V0H_1 + VlC02]er (Э2)

где г - расстояние от центра клетки, СОО2]0Г и . [НСОр^- концентрации в неподвижном слое на расстоянии г от центра клетки Остальные коэффициенты как в работе (Spalding and Portia, 1985).

Для нахождения решений общей модели решали систему алгебраических уравнений, составленных из системы уравнений внутриклеточных процессов как для модели (Spalding and Portia, 1985), но с добавлением уравнений для скоростей реакций V11 -V^. Затем по методу Рунге-Кутта решали систему дифференциальных уравнений типа (28) при предположении о равновесии между [HCO^l и [С021. на границе неподвижного слоя.

Для сравнения результатов получаемых для двух моделей было проведено варьирование значения максимальной скорости активного транспорта бикарбоната через плазмалемму таким' образом, чтобы

чГ -

величина KQ ^(НУ) совпадала в нашей модели и в модели (Spalting and Portia,'1985) при рН = 7.2. ^

. На Рис.18,19 представлены соответствующие модельные решения при двух значениях рН среды.

При низких значениях рН, где основным видом НУ является С02, лимитирующая роль неподвижного слоя вокруг клеток, по-видимому, велика, так как наблюдается значительное снижение концентрации С02 к оболочке водоросли (Рис.18). При значительных концентрациях бикарбоната в среде (при рН больше 7), механизм облегченной диффузии С02, за счет участия бикарбоната,-может способствовать выравниванию профиля СО- и, следовательно, привести к увеличению

Расстояние от центра клетки (мкм)

Рис. 18. Пример вычисления стационарных профилей концентраций СО2 и НСО3 в пространстве вокруг клетки, ПП и в клетке при функционировании ССМ. Концентрация НУ за пределами неподвижного слоя выбрана так, чтобы скорость ассимиляции СС>2 была полунасыщающей. Концентрации компонент показаны внутри вертикальных прямоугольников (в мкМ). Величины скоростей активного транспорта НСО^ и диф({узионные потоки приведены в горизонтальных прямоугольниках (в Ю-*® моль с-1 на клетку). рН среды равно 5,5.

[СОо], [НСОо], (мкМ) | ПЕЙ4 ПЛАЗМАТИЧЕСКОЕ

ПРОСТРАНСТВО

Рис. 19- Вычисления проведены аналогично Рис.18. рН среды

принимали равным 7,5. Концентрации компонент в клетке и потоки через плазмалемму равны приведенным на Рис.18.

концентрации COg около клеточной оболочки (Рио.19).

В отличие от модели (Spalding and Portie, 1985) в разработанной нами модели значение Kq ^(НУ) зависит от pH противоположным образом , т.е. уменьшается о уменьшением pH (ср. Рис. 18 и 19) и близко к экспериментальным данным для водорослей, имеющих' КА в ПП (Moroney and Tolbert, 1985; Ыогопеу et al., 1987).

Слабая зависимость значения Kq ^(НУ) от pH в нашей модели связана с тем, что наличие клеточной оболочки и КА в ПП приводит к несовпадению вида НУ проникающего через клеточную стенку и через плазмалемму. Основным источником НУ в кислой среде является COg, который в ПП гидратируется до бикарбоната, и только после этого транспортируется в клетку (Рис. 18). Поэтому, деке при кислой наружной среде, наличие активного транспорта бикарбоната через плазмалемму не приводит в нашей модели к увеличению Kq ^(НУ), в отличие от модели (Spalding and Portis, 1985).

Полученный результат соответствует предположению, что видом НУ, который поглощается клетками иикроводорослей, может быть как С02, так и бикарбонат (в щелочной среде) (см. Shelp and Calvin, 1935; ïïilllams and lurpin, 1982; Sultemeyer et al., 1989).

2. Модель С CM )[_ цианобактерий

Наиболее узучевы цпанобактерии растущие ц щелочной среде (морская вода). КА, по-видимому, отсутствует снаружи клеток и локализована там же, где и РБФ-аза, т.е. в карбоксисомах вблизи центра клетки и функционально активна (см. Aizawa and Miyachi, 1986; Kaplan et al., 1991).

Попытка моделирование ССМ у цианобактерий была осуществлена в работах (Reinhold et al., 1987, 1991), причем главное сопротивление диффузии.для выхода С02 предполагалось между карбокси-сомаш и цитоплазмой. Однако в этих работах не была выяснена причина расхождения в оценке работы ССМ между различными' авторами, а оценка сопротивления диффузии для COg носила чисто емпирический характер. Это не дало возможности считать работу законченной. Поэтому мы попытались дополнить ету модель моделями механизмов активного транспорта НСО^ на плазмалемме, ре-фиксации С02 в клетке, а также попытаться учесть реальную структуру клеток цианобактерий и влияние неподвижного слоя вокруг клетки (Fridlyand, Kaplan and Reinhold, в печати).

Клетку цианобактерий рассматривали как сферическое тело с 6 карбоксисомами вблизи клеточного центра, причем между внутренней областью цитоплазмы и плазмалеммой имеется около трех тилв-коидных слоев. Схема процессов представлена на Рис. 20.

Единичная карбоксисома представлена в виде сферы, ■которая содержит наружный слой белка (РБФ-взы), а КА находится внутри этого слоя. В отличии от модели (Reinhold et al., 1991) в нашей модели удается оценить проводимость для COg в сферических слоях карбоксисомы, причем коэффициент диффузии для С02 в белке был ,взят в 80 раз ниже чем в воде (см. Verkhivker et al.,1992).

Проницаемость липидных тилакоидных мембран для С02 принимали равной про-яицаемости двойного липидного слоя (Gutknecht et al., 1977). рН среды = 8,0; а рН цитоплазмы и карбоксисом - 7,6.

Введено представление об внергозависиыой карбоангидразе в клетке, которая локализована на (или вблизи) плазмалеммы.

Для облегчения вычислений неподвижный слой вокруг клетки был разделен на две области: тонкий слой вокруг плазмалеммы с толщиной 0,1 мкм (периплазматическое пространство) и оставшаяся часть неподвижного слоя, которая служила только для создания диффузионного сопротивления.

Уравнения для отдельных процессов были взяты из литературы (Spalding and Portia, 1985; Reinhold et al., 1987, 1991).

Система дифференциальных уравнений для описания изменений концентраций компонент была записана в виде:

d[C02lx/dt = (V1 - V2 - V8 - V^)/ vx

(33)

d[C02]p/dt = (V17 - V1S)/ vp d[HC0-]p/dt = (Y10 + V16 + V1g - V9)/ vp .

где V с буквенными индексами х, о, i и р обозначают объемы

d[HC03lz/dt > = (v2 + V12-

d[C02]o/dt = (Y3 +' V11 " ~Y13 >/Vo

dfHCO^/dt = <v4 + "V3 - V12 >/Vo

d[C02]i/dt = (V5 + v13 + V15 - v?)/

dtHOO^l^/dt = + v7 + V -v5- V10 " T16>'

СРЕДА

Иг^Нз!

ПЕРИ ПЛАЗМАТИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСГЮ

// КЛРБОКСИСОМЛ

! <

з кг ^ ®2

К1<Г\

ТИМКОИДНАЯ СИСТЕМА

N

ПЛАЗМАЛЕММА

Рис. 20. Схематическая диаграмма процессов происходящих при функционировании ССМ в цианобактерии. Обозначения х, с,1,р и м соответствуют концентрациям компонент в карбоксисоме, цитоплазме вблизи карбоксисом, цитоплазме около плазмалеммы, в ПП и окружающей среде< V и у2- скорости дегидратации НСОд и гидратации С0£ катализируемые КА в карбоксисомах. У 3 и У^- скорости некатализируемой дегидратации НСО^. и гидратации СО2 в цитоплазме вблизи карбоксисом. У5и Уб- скорости некатализируемой дегидратации НООд и гидратации С0£ в цитоплазме вблизи плазмалеммы. - скорость гидратации С0£, которая катализируется в цитоплазме плазматической КА. У0 - скорость ассимиляции С0£ в карбоксисомах. Уд - скорость активного транспорта НСОд в клетку. У10 - скорость транспорта НСО3 из клетки. У-) 1 и. У12- скорости диффузии СО2 и НСОд между карбоксисомой и цитоплазмой.

У13 и У-|4~ скорости диффузии СО2 и НСО3 между цитоплазмой в

центральной части клетки и плазмалеммой. У15иУ1б~ скорости диффузии С02 и НСО3 между ПП и цитоплазмой. т17и скорости диффузии СО2 и НСО3 между средой и ПП.

кг шертментов в карбоксисомах, цитоплвзме вблизи карбоксисом, цитоплазме вблизи плазмалеммы и в ПЛ.

В качестве начальных условий для вычислений принимались соответствующие концентрации С02 и бикарбоната в среде (которые считались равновесными при данном рН) и затем по методу Рунге-Кутга численно решали систему дифференциальных уравнений (33) до достижения стационарного уровня. Величины варьируемых коэффициентов были выбраны таким образом, чтобы модельные решения достаточно хорошо соответствовали экспериментальной углекислот-ной кривой фотосинтеза для цианобактерий.

На Рио.21 предотавлено одно из стационарных решений. Имеется активный транспорт НСО^ через плазмалемму, а также диффузия СС>2 из среды и из центра клетки в цитоплазму вблизи плазмалеммы с.последующей активной гидратацией СО,,. Затем бикарбонат может пассивно диффундировать к месту выделения С02 (карбоксисомы).

Рис.22 показывает модельное решение, когда активность КА на плазмалемме равна нулю. При втих условиях полунасыщающая скорость поглощения С02 была достигнута только при увеличении концентрации НУ в окружающей среде в 15 раз, по сравнению с данными на Рис.21.

Следовательно, КА, локализованная вблизи плазмалеммы внутри клетки, может служить эффективным перехватчиком С02, диффундирующего из карбоксйсом, и таким образом резко увеличивать эффективность фотосинтеза. Очевидно, что'эта КА также вызывает диффузионный поток С02 в клетку (Рис.21), что часто интерпретируется как наличие активного транспорта С02 (Miller et al., 1988; Espíe et al., 1989).

Проведенное рассмотрение показывает, что возникающие трудности в интерпретации результатов экспериментов по исследованию ССМ в цианобактериях или ыикроводорослях связаны со сложной структурой самого этого механизма. Представляется, что необходимо одновременно учитывать все стадии от диффузии С02 и бикарбоната во внешней среде до связывания 002. Причем КА на различных стадиях может выполнять разные роли.

В конце диссертации приведены небольшое заключение, выводы и литература.

(9,77)

(9,77)

(ноэ^;) [ноод] "77а

Гсо2] [сОр]

1 /^¡нсо^] | I 95,9Ц 87,3

0,5 \ Ш

-4249)\ у

9,1

0,0

III III ii!

\\1 . , ^ 5,1_4,б

(0,23)

(0,2)

, [С02]-~~л\ (0,41) \ (0,17)

4,0'

=51

(142,63)

///

(142,45)

/

0,0

о,

III III

/

, 1НС0о]

[С02] Х^Т&в) (3'?)

(3,43) ' \ ' \\

[оо2]

(3,37)

0,5 ' 96* I 86,3

\ V [сог]-

_ 4,01

Рис.21. Стацконарные концентрации и потоки при работе ССМ в оданобактерии. Концентрация НУ в среде выбрана таким образом, чтобы скорость ассимиляции СО^ была полунасыщающей . Концентрации компонент выражены в мкМ, а потоки на единичную клетку в 10"*® моль С02 (или НООд) в сек. на клетку. рН среды равно 8. рН цитоплазмы - 7,6.

Рис.22. То же как на рис.21, но КА отсутствует на плазмалемме внутри клетки.

ВЫВОДЫ

1. Для анализа газометрических данных, получаемых при непрерывном и периодическом освещении, разработаны и исследованы оптимальные по сложности модели взаимодействия основных компонент фотосинтетического аппарата. Существенным их преимуществом является возможность выражения скорости газообмена через концентрации обобщенных компонент фотосинтетического аппарата или метаболитов, а не через скорости отдельных процессов. Предложенные модели позволяют количественно описать адаптивные изменения скорости фотосинтеза при измене^лш условий освещения и минерального питания, на основе определения изменения концентраций соответствующих компонент фотосинтетического аппарата или метаболитов цикла Кальвина.

2. Проанализированы некоторые адаптивные возможности повышения эффективности использования света при слабом освещении. Эффекты усиления (2-й аффект Эмерсона), "красного падения" квантового выхода фотосинтеза и хроматические переходы объяснены на основе-разработанной модели цикла Кальвина при слабом освещении и отнесены к неспецифическим проявлениям сложной структуры взаимодействий в фотосинтетическоы аппарате. Показано, что специфическим механизмом адаптации в втих условиях освещения может явиться перераспределение светособиракщихж пигмент-белковых.комплексов между фотосистемами, возможность для которого более сильно развита у растений, выращенных при низком уровне, освещения. Этот механизм, по-видимому, позволяет компенсировать потери квантов в фотосистеме 2.

3.Для анализа потенциальных адаптивных возможностей фотосинтетического аппарата развиты математические модели возможных механизмов концентрирования С02 У высших С^ - растений. Теоретически показано наличие существенных адаптивных преимуществ (при функционировании в условиях сильного света) предложенных ранее механизмов концентрирования С02 и развитой, в нашей работе, модели специфического механизма, в котором происходит увеличение, концентрации С02 от границы к центру хлоропласта. На основе предложенных газометрических методов экспериментально показана, на некоторых видах пшеницы, принципиальная возможность наличия

механизмов концентрирования С02 у высших С^-рэстений.

4. Проведено математическое моделирование адаптивных СС>2 концентрирующих механизмов, появившихся у клеток микроводорослей и цианобактерий в процессе филогенетической адаптации к низким концентрациям неорганического углерода в среде. Высокая вффек-тивность функционирования етих механизмов объяснена на основе учета специфических клеточных структур, затрудняющих диффузию С02 из места его концентрирования, а также наличия специального механизма, который с помощью различных форм КА позволяет реутилизировать выходящий из клетки диффузионный поток С02

СПИСОК

работ, опубликованных по теме диссертации

1. Калер В.Л., Фридлянд Л.Е. Моделирование адаптации фотосинтетического аппарата растительной клетки к изменяющимся условиям внешней среды.// Сб. трудов по агрономической физике. Теоретические основы и количественные методы .программирования урожаев. Агрофизический НИМ. Л.: 1979. С.24-38.

2. Фридлянд Л.Е., Калер В.Л. Моделирование эффекта усиления и хроматических переходов фотосинтеза.// Биофизша. 1979. Т.24. N 6. С.1016-1021.

3. Фридлянд Л.Е., Калер В.Л. Влияние отношения АТР/НАДРН на распределение метаболитов цикла Кальвина как возможная причина эффектов усиления, хроматических переходов и изменения квантового выхода фотосинтеза.// 1 Всесоюз. биофиз■ съезд.'Тез. докл. Москва, 1982. С.318-319.

4. Pridlyand L.E., Kaier V.L. The influence of ATP/NADFH ratio on distribution of reductive pentose phosphate cycle metabolites as a possible causative faotor of enhancement effect, chromatic transients and spectral ohangee of quantum yield of photosynthesis.// Biochio. Biophyeio. Acta. 1984. V.766. N 3. P.343-353.

5. Фридлянд Л.Е. Возможная роль карбоангидразы в хлороплас-тах.// Труды 2-й конф. молодых ученых и специалистов. Институт почвоведения и фотосинтеза. Пущино, 1984. ч,1. Пущине, 1985. деп. в ВИНИТИ 22.07.85. N 5301-85.

í. Фридлянд Л.E., Калер В.Л. Теоретическое обоснование возможности существования в хлоропласта! С^-растений механизма концентрирования COg.// Математические и вычислительные методы в биологии. Пущино, 1985. С.156-157.

7. ïridlyand I.E. Photosynthesis adaptation model based on oontentB of photosynthetio apparatus and metabolites of Calvin oyole.// KinetioB of photosynthetio carbon metabolism in Copiants. V.2. Valgus. Tallin, 1985. P.138-142.

8. Фридлянд Л.Е., Калер В.Л. о возможности существования • механизмов концентрирования С02 в хлоропластах С^-растений. //

Докл. АН СССР. 1986. Т.291. N 2. С.508-512.

9. Фридлянд Л.Е. Зависимость эффективности карбоксилирования в С^-раотениях от концентрации ферментов и межклеточного сопротивления диффузии для COg.//Молекулярные механизмы регуляции метаболических процессов. Минск, Из-во " Университетское". 1987. С.269.

10. Fridlyand I.E., Kaier V.L. Possible COg concentration meohaniBm in ohloroplast of C^ plants. Role of carbonic anhydra-se.// General Physiology and Biophys. 1987. V.6. N 6. P.617-632.

11.Фридлянд Л. E., Калер В. Л., Гиллер Ю. Е., Калмыкова В. Г. Каспарова И. В. Оценка внутренних параметров фотосинтетического аппарата по кривым СО2 газообмена листа хлопчатника.// Физиология, растений'. 1988. Т.35. N 1. C.2Í-31.

12. Фридлянд Л.Е. Возможное участие механизма перераспределения светособирающих пигмент-белковых комплексов между фотосистемами в компенсации потерь квантов в фотосистеме 2 при низкой интенсивности освещения.// Структурная динамика биологических мембран и ее роль в регуляции фотобиологических и рецепторных процессов. Всесоюз. конф. Тез. докл. Минск, 1988. С.140.

13. фридлянд Л.'Е., Калер В. л. Критерии существования и оценка эффективности предполагаемых механизмов концентрирования С02 в С^- растениях.// Физиология, растений. ,1988. Т.21. N 3-С.429-437.

14. Фридлянд Л.Е. Определение бффективности карбоксилирования у растений, обладающих механизмом концентрирования С02.// Физиология и биохимия культурных растений.. 1989. Т.21. N 3. С.239-246.

15. Фридлянд Л.Е. Возможная роль карбоангидразы, локализованной в периплазматическом пространстве, при работе механизма концентрирования неорганического углерода в одноклеточных водорослях.// Биохимия. Минск, Из-во "Университетское".1989. С.147-152.

16. Фридлянд Л.Е. Теоретические основы возможности функционирования в Cj-растениях механизмов концентрирования С02 и методы поиска этих растений.// 2-й съезд Всесоюз общества физиологов растений. Тез. докл. Минск, 1990. С.94.

17-Fridlyand L.E. Role oi quanta redistribution among the photoeystems in compensation oi energy loss at low light// Soviet-Indian symposium on regulation oi phorosynthesis. Abst. Пущино, 1990. С.51.

18. Фридлянд Л.Е. Роль перераспределения пигмент-белковых комплексов в компенсации потерь квантов при слабом освещении.// ДАН БССР. 1991. Т.35. N 1. С.88-91.

19. Pridlyand I.E. The role of periplasmio carbonio anhydraso of microalgae in COg-concentrating mechanisms// Carbonic Anhyd-rase (ed. Botre et al.). VCH. Weinheim. 1991. P. 440-442.

20. Фридлянд Л.Е., Красиков Г.Г. Использование периодического освещения для определения параметров фотосинтетического аппарата.// Фотосинтез и фотобиотехнология. Тез. докл.и сооб. Междунерод. конференц. Пущино, 1991. С.19.

21. Pridlyand L.E. Enzymatio control of 3-phosphoglyoerate reduction in chloroplasts.// Biochim. Biophysio. Acta. 1992. V.1102. N 1.P.115-118.

22.Pridlyand L.E. The system of mathematical models for describing COg concentrating mechanisms in oyanobacteria and mioro-algae.// IX Intern. Congrese of Photosynthesis, Nagoya, Japan. Abstracts, Photosynthesis Research, 1992. V.34. N 1. P.201.

23. Фридлянд Л.Е., Цюрша C.H. Ингибирование фотосинтеза . сверхоптимэльными концентрациями СО^ и возможные механизмы етогс

явления.// Физиология растений. 1992. Т.39. N 4. С. 769-774.

24. Pridlyand L.E., Krasyakov G.C. A simple method for determination of the rate of respiration in the light using interaiit-tent radiation.// Photosynthetica. 1992. V.26. N 4. P.579-583.

25. Pridlyand L.E.Paotors affecting the distribution of light exitation between the photosystem in intact leaves at low light.

// 11th International Biophyaioal Congress. Abst. Budapest,1993. К192.

26. Fridlyand I.E., Kaplan A., Reinhold 1. Quantitative evaluation of the role oi a putative COg-eoavenging entity in the oianobaoterial COg-oonoentrating meohaniem.// Plant Physiology and Bioohemistry (в печати)

/