Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Кинетическая модель цитохромного bf комплекса фотосинтетической мембраны

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Кинетическая модель цитохромного bf комплекса фотосинтетической мембраны"

На правах рукописи

Джалал Камали Махшид

Кинетическая модель цитохромного bf комплекса фотосинтетической мембраны

Специальность: 03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре биофизики биологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Г.Ю. Ризниченко доктор биологических наук, профессор, член-корр. РАН А.Б. Рубин Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А.К. Кукушкин

доктор физико-математических наук А.А. Полежаев

Ведущая организация: Институт биохимии им. Баха РАН

Защита диссертации состоится «16» декабря 2004 года в 1530 на заседании диссертационного совета Д 501.001.96 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 Москва ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, биологический факультет, кафедра биофизики, Новая аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан ноября 2004 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д501.001.96 доктор биологических наук, профессор

1X060

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Изучение механизмов регуляции субклеточных энергопреобразующих систем представляет одну из наиболее актуальных проблем современной биологии. Для понимания законов взаимодействия отдельных молекул и молекулярных комплексов и сопряжения физических и биологических законов в единую выработанную в процессе эволюции систему необходимо объединить эти знания в целостной концепции. Методом концептуального объединения разнородных знаний в единую систему является математическое моделирование.

Для моделирования процессов на субклеточном уровне используются кинетические модели, представляющие собой системы дифференциальных уравнений. При описании переноса электронов в мультиферментном комплексе используют уравнения для вероятностей состояний. Взаимодействие комплекса с подвижными переносчиками в кинетических моделях принято описывать с помощью уравнений действующих масс. В самое последнее время на кафедре биофизики биологического факультета МГУ разрабатываются прямые многочастичные модели, позволяющие визуализировать процессы в фотосинтетической мембране.

Фотосинтетическая мембрана представляет собой одну из наиболее хорошо экспериментально изученных субклеточных систем. Имеется большое число математических моделей, которые описывают как процессы в отдельных фотосинтетических реакционных центрах, так и всю совокупность процессов электронного и ионного транспорта в тилакоидной мембране. Наряду с комплексами фотосинтетических реакционных центров фотосистем I и II, важнейшую роль в процессах преобразования энергии играет цитохромный комплекс. Он осуществляет сопряжение электронного транспорта и трансм.ембранного переноса протонов молекулами пластохинона й таким^о^^^м^кс^тролирует об-

щую скорость транспорта электронов от первичного донора к терминальному акцептору. Цитохромный комплекс также является участником циклического электронного транспорта с участием фотосистемы I, являясь регулятором соотношения линейного и циклического электронных потоков. Процессы в цито-хромном комплексе также играют ключевую роль в создании электрохимического потенциала на мембране. Именно функционирование этого комплекса регулирует выделение протонов во внутреннее люминальное пространство ти-лакоида.

Цитохромный комплекс играет важную роль не только в фотосинтетических процессах. Аналогичный комплекс имеется в энергопреобразующей цепи митохондрий. В цианобактериях на уровне цитохромного комплекса в единой мембране сопрягаются фотосинтетическая и дыхательная цепи.

Кинетические характеристики процессов переноса электрона между компонентами цитохромного комплекса изучены значительно менее подробно, чем это сделано для комплексов фотосинтетических реакционных центров. Причина этого понятна - процессы в цитохромном комплексе не инициируются непосредственно светом, они являются следствием идуцированных светом процессов в фотосистемах 1 и 2, которые вызавают последовательность окислительно-восстановительных процессов в фотосинтетической электронтранс-портной цепи. Сведения о кинетике процессов в цитохромном комплексе получают в эксперименте по спектральным измерениям в полосах поглощения входящих в комплекс цитохромов и пластоцианина, являющегося посредником электронного переноса между цитохромным комплексом и фотосистемой I. При этом бывает сложно выделить вклад отдельных окислительно-восстановительных реакций в экспериментально наблюдаемую кинетическую кривую. Все это делает чрезвычайно актуальным математическое моделирование работы цитохромного комплекса и идентификацию его кинетических параметров по экспериментальным данным.

Настоящая работа посвящена детальному моделированию процессов в ци-тохромном комплексе. Построены модели переноса электрона в комплексе и процессов взаимодействия комплекса с подвижными переносчиками. С помощью нескольких методов проведена идентификация параметров кинетической модели по экспериментальным данным, проведены оценки параметров системы, не доступных прямому экспериментальному измерению. Изученная кинетическая модель цитохромного комплекса сопряжена с прямой многочастичной моделью броуновского движения подвижных переносчиков - пластоциа-нина в люминальном пространстве и пластохинона внутри липидного слоя фотосинтетической мембраны.

Цели и задачи работы. Основная цель работы - изучить механизмы функционирования цитохромного комплекса и провести идентификацию параметров отдельных реакций внутри комплекса. Описать взаимодействие комплекса с подвижными переносчиками - пластоцианином и пластохиноном.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Построить кинетическую модель функционирования цитохромного Ь! комплекса фотосинтетической мембраны. В рамках модели учесть влияние электрического и электрохимического трансмембранного потенциала на процессы переноса электрона. Пронализировать возможности различных вычислительных процедур и отобрать адекватные вычислительные методы для решения системы уравнений, описывающих переходы между состояниями комплекса.

2. Исследовать кинетику переменных модели. Провести идентификацию параметров модели по экспериментальных данным. Оценить значения внутренних кинетических параметров цитохромного комплекса.

3. Осуществить сопряжение кинетической модели - системы уравнений для вероятностей состояний цитохромного комплекса с прямой многочастичной

моделью перемещения молекул пластоцианина в люминальном пространстве и пластохинона во внутримембранном пространстве.

Научная новизна. Разработана кинетическая модель функционирования цито-хромного Ь/комплекса в соответствии со схемой Q-цикла Митчела. Переменными модели являются вероятности состояний комплекса, осуществляющего перенос элек фонов от пластохинона на пластоцианин, сопряженный с переносом протонов из стромы хлоропласта в люмен тилакоида. В модели учтена зависимость скоростей реакций электронного переноса от величины трансмембранного потенциала. С использованием ряда вычислительных методов проведена идентификация параметров модели по экспериментальным данным, в том числе проведена оценка величин параметров, не доступных экспериментальному изучению. Проведена оценка концентрации протонов в люмене тилакои-да и трансмембранного электрического потенциала, а также емкости тилакоид-ной мембраны. Выполнено сопряжение кинетической модели процессов в ци-тохромном комплексе с прямой многочастичной моделью переноса электрона подвижными молекулами пластоцианина в люмене тилакоида. Получены кинетические характеристики окислительно-восстановительных превращений при взаимодействии цитохромного комплекса с донором фотосистемы I пласто-цианином.

Практическая значимость. Построенная детальная модель переноса электрона в цитохромном комплексе может быть использована как элемент полной обобщенной кинетической и прямой модели процессов в фотосинтетической мембране. Модель также может быть использована как элемент модели процессов в мембране цианобактерий, где на уровне цитохромного комплекса происходит сопряжение энергопреобразующих процессов фотосинтетической

и дыхательной цепей. Модель позволяет выявить роль цитохромного комплекса в процессе создания электрохимического потенциала на энергопреобразую-щих мембранах тилакоидов и цианобактерий. Модель может быть использована в учебных курсах и практикумах по темам «Математическое моделирование в биологии» и «Фотосинтез» для специальностей биофизика, физиология растений, экология.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: 3-ем Съезде биофизиков России, Воронеж, 2004; 10-той и 11-ой Международных конференциях «Математика. Компьютер. Образование», Пущино, 2003, Дубна, 2004; семинарах кафедры биофизики биологического факультета МГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы, из них 1 в реферируемом научном журнале, 2 в сборниках научных трудов и 1 в тезисах конференции.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, содержащих описание методов и результатов работы, выводов, списка литературы.

Структура и функция цитохромного bf комплекса.

Цитохромный Ь/комплекс, наряду с фотосистемами I и II (ФС I и ФС II), является одним из основных пигмент-белковых комплексов, локализованных в ти-лакоидной мембране хлоропласта и вовлеченных в процесс фотосинтетической трансформации энергии. В электронтранспортной цепи фотосинтеза цитохромный комплекс занимает положение между ФС II и ФС I, контролируя общую скорость транспорта электронов от первичного донора к терминальному акцептору, и обеспечивая баланс между притоком электронов (от ФС II в случае нециклического и от ферредоксина в случае циклического транспорта) и оттоком электронов из ФС I. Положение цитохромного комплекса в фотосинтетической мембране показано на рисунке 1.

Рис. 1. Организация цепи электронного транспорта в тилакоидной мембране. На рисунке представлены фотосистема 1, фотосистема 2, цигохромный Ь/ комплекс, АТФ синтаза.

Важнейшей функцией цитохромного комплекса является сопряжение транспорта электронов по электронтранспортной цепи с формированием электрохимического потенциала протонов на мембране тилакоида, который используется для синтеза АТФ. С точки зрения энзимологии Ь/ комплекс является пластохинол-пластоцианин оксидоредуктазой, т.е. катализирует окисление пластохинола и восстановление пластоцианина.

Окисление РОНг цитохром ЬбГ комплексом осуществляется в реакциях Q-цикла. Благодаря работе Q-цикла происходит направленный перенос протонов через мембрану, при этом окисляется, и восстанавливается пластоцианин.

Цитохромный b6f комплекс содержит два различных центра связывания пла-стохинона. Один из них (р сайт) находится вблизи внутренней поверхности мембраны и связывает пластохинол другой (п сайт) находится вблизи

внешней поверхности мембраны это центр связывания пластохинона (PQ).

Пластохинон (PQ) расположен ближе к наружной поверхности мембраны Как показано на рисуноке 2, Q-цикл, состоит из следующих этапов:

• Приближение молекул пластохинола РРНг к р-сайту и их связывание.

• Передача первого электрона от пластохинола РСЩг на окисленный центр Риске 2Fe-2S и освобождение первого протона в люмен.

• Перенос электрона от восстановленного центра риске 2Fe-2S на цитохром £

• Передача электрона от цитохрома £на пластоцианин и восстановление пластоцианина.

• Перенос второго электрона от семихинона PQH- на гем Ь|, преьра-щение семихинона в свободный пластохинон и освобождение протона в люмен.

• Перенос электрона от гемаЬ| на гем Ь|,.

• Связывание пластохинона PQ на п-сайте.

• Восстановление пластохинона при получении электрона от гемаЬ[,.

• Окисление второй молекулы пластохинола до хинона в р-сайте при втором обороте.

• Получение протона из стромы и образование PQH-.

• Получение второго протона семихиноном и образование PQH2 на втором обороте в п-сайте.

• Диффузия PQH2 из стромального стороны на люменальную сторону мембраны

Рис 2. Q цикл Трансмембранная организация цитохромного Ь^ комплекса (А) Первый оборот окисление РОНг, освобождение двух протонов в люмен, восстановление пластохинона и восстановление пластоцианина (В) Второй оборот окисление второй молекулы РРНг, освобождение двух протонов в люмен, получение второго протона из стромы семихиноном и образование восстановление пластоцианина

Описание модели bf комплекса.

Мы рассмотрели Ь/комплекс как мембранный фермент, катализирующий перенос электронов от пластохинола на пластоцианин, сопряженный с переносом протонов из стромы хлоропласта в люмен тилакоида. Модель строилась в предположении функционирования р-цикла Митчелла, аналогично тому, как это сделано для цитохромного комплекса митохондрий в работе (Демин и др., 1998, 2000). Соответствующая совокупность окислительно-восстановительных реакций изображена на рис.3.

Подача электронов в р-цикл может происходить как от ФС II, так и от ферредоксина (в случае циклического транспорта электронов с участием ФС I). В нашей модели этому процессу соответствует реакция восстановления пла-стохинона р, до пластохинола 0Н2, (показана на схеме жирной стрелкой без номера). Эта реакция происходит на стромальной (индекс 8) поверхности тила-коидной мембраны, после чего пластохинол диффундирует к люменальной (индекс 1) стороне мембраны (реакция 26, жирная пунктирная стрелка в левой части схемы).

После связывания с центром «р» Ь/комплекса пластохинол отдаёт один электрон на железосерный центр Риске, Ре8, и освобождает один протон в люмен тилакоида с образованием комплекса протонированного семихинона с Ре8 (РеБ^РН*) (реакции 1, 2, 3, и 4 в зависимости от редокс состояний Р18 и гемов цитохрома Ь). Если низкопотенциальный гем цитохрома Ь ( 6/ ) окислен (как в состояниях и ), семихинон в составе комплекса отдаёт ге-

му электрон, превращаясь в свободный пластохинон, высвобождая второй протон в люмен тилакоида (реакции 5 и 6).

Если Ь) восстановлен, семихинон остаётся связанным с центром Риске до тех пор, пока Ьг не станет окисленным (в результате реакций 7, 13 и 19) и, следовательно, способным принять второй электрон от семихинона. Затем пласто-хинон диффундирует с люменальной стороны на стромальную (реакция 27, жирная пунктирная стрелка в верхней части схемы).

Рис.3. Схема каталитического цикла цитохромного ЬГкомплекса. Бе8 - железосерный центр Риске, Ь]И Ьь - низко-и высокопотенциальный темы цитохрома Ь; (3Н2 — пластохинол, р — пластохинон, <5" - семихинон, Рсги Рс0" — восстановленная и окисленная формы пластоцианина. Индексы «1» и «8» обозначают люменальную и стромальную локализацию соответствующего компонента системы. Описание цикла приведено в тексте. Цифры рядом со стрелками и буквы над прямоугольниками (с^ , ¡=1, ..12) соответствуют номерам реакций и обозначениям переменных модели.

Трансмембранный перенос электрона между темами цитохрома Ъ: (от Ь/ к ¿А) осуществляется в реакциях 19-21. Восстановленный гем Ь/, восстанавливает пластохинон в стромальном центре связывания «п», с образованием семихино-на , (реакции 7-12). Образовавшийся семихинон берёт второй электрон с тема , превращаясь в пластохинол и поглощая при этом два протона из стро-мы хлоропласта (реакции 13-18). Электрон от восстановленного FeS - центра Риске передается на цитохром/и затем на пластоцианин (реакции 22-25). На схеме не показана стадия, соответствующая переносу электрона между FeS -центром и цитохромом /, т.к. между этими переносчиками устанавливается быстрое равновесие (константы прямого и обратного переноса > 105 с1 , константа равновесия около 3.)

Модель представляет собой систему 26 обыкновенных дифференциальных уравнений. Переменные модели имеют различную природу, их изменение описывается с использованием соответствующего математического аппарата.

Вероятности состояний комплекса. Состояние цитохромного комплекса определяется совокупностью состояний его компонентов. Схема переходов между возможными состояниями приведена на рис. 3. В качестве компонентов комплекса выступают цитохром Ь^ цитохром Ь1 и центр Риске. Цитохром f не рассматривали в качестве отдельного компонента, поскольку его обмен электронами с центром Риске - очень быстрый. Сумма вероятностей 12 возможных состояний комплекса равна единице.

Относительная концентрации различных состояний цитохромного комплекса рассчитывались как произведение вероятности данного состояния на количество цитохромных комплексов, приходящихся на один реакционный центр ФС1.

Величины вероятностей перехода между состояниями могут зависеть от концентраций подвижных переносчиков и концентрации протонов в соответствующем компартменте. На электрогенных стадиях (перпендикулярных поверхности мембраны) константы скоростей прямых реакций, как и константы

равновесия, зависят от величины трансмембранного потенциала. Таким образом, уравнения для вероятностей (концентраций) состояний являются нелинейными.

В качестве примера рассмотрим уравнение для состояния (см. рис.3), как мы увидим в дальнейшем, это состояние вносит основной вклад в сигнал восстановленного цитохрома Ьу.

Здесь С5, Сь, С-) - относительные концентрации соответствующих состояний цитохромного комплекса (рис.3); Qs, Qs , - концентрации нейтрального и вос-тановленного пластохинона на стромальной стороне мембраны, -

концентрация пластохинола на стромальной и люминальной стороне мембраны; ///, Н; - концентрации протонов в люмене и с т р о - концентрация окисленных молекул пластоцианина в люмене. - константы скоростей соответствующих реакций; - константы равновесия.

Как видно из уравнения, изменение состояния происходит в результате следующих процессов. Концентрация состояния С(, увеличивается за счет прямых реакций 20 (перехода электрона с высокопотенциального на низкопотенциальный цитохром) и 23 (перехода электрона с цитохромного комплекса от центра Риске через цитохром /на Рс, а также за счет обратных реакций 2, 10 и 16 (5 последних членов со знаком плюс). (^расходуется в результате прямых реакций 2, 10 и 16 и обратных реакций 20 и 23 (5 первых членов с знаком минус).

Уравнения для концентраций подвижных переносчиков. Второй класс переменных составляли концентрации пластоцианина в окисленной и восстановленной форме (Рсг, Рсох), люменальных и стромальных форм пластохинона

(QH2)i, (QH2).;, Qi , Qs, Qs*", а также концентраций протонов в люмене (Н;) и строме (Hs+) тилакоида. Взаимодействие цитохромного комплекса с подвижными переносчиками описывалось по закону действующих масс в предположении бимолекулярной реакции.

Зависимость скоростей реакций от электрического потенциала на мембране. При записи уравнений скорости отдельных реакций электронного переноса мы учитывали зависимость констант скорости и констант равновесия некоторых из них от величины трансмембранного электрического потенциала согласно следующим формулам:

Kcq(A4/)=exp(-a-A4'/(RT/F))'Kcq, lo(AlF)=exp(-6aA4'/(RT/F))k4, k_(AT)=exp(( 1 -&) a £i¥!(KYi¥)}]i-.

Здесь - та доля мембранного потенциала которая генерируется рассматриваемой стадией при переносе заряда через мембрану, 8 - та часть мембранного потенциала (аДЧ1), которая влияет на константу скорости прямой реакции;

- константа равновесия, константа скорости прямой и обратной реакций при A4-1 = 0. Ст - удельная емкость тилакоидной мембраны, F - постоянная Фарадея, Hj и Hs концентрация протонов в люмене и строме.

Предполагалось, что в Q-цикле электрогенными являются следующие стадии: трансмембранный перенос электрона от гема Ь/ на гем Ь/, (реакции 19-21); перенос протонов в реакциях восстановления пластохинона (реакции 13-18) и окисления пластохинола (реакции 1-6). Процессу межгемного переноса электрона отводилось 80% всего электрогенеза, а оставшиеся 20% делились поровну между протон-транспортирующими стадиями, что соответствует данным, для цитохромного комплекса пурпурных бактерий.

Электрический мембранный потенциал в модели также считали переменной величиной, и его зависимость от времени рассчитывали в соответствии с дифференциальным уравнением:

где ст - удельная емкость тилакоидной мембраны (варьировалась от 2.0 до 10.0 Кул/(Вл) в соответствии с оценками (Bulychev и WimJ 1999)), F- постоянная Фарадея; v(9i), v(q,) - скорости производства объемной плотности заряда в люмене (ф) и строме (<7¿); q¡ и q, измеряются в мМ и являются функциями концен-

В нашей модели мы учитывали, что люмен тилакоида обладает буферными свойствами, которые мы аппроксимировали тремя протон-связывающими группами Вц, Вг и Вз с рК для протонов, варьирующих от 6.7 до 8.7:

Значения К'в и концентрации буферных групп BJ , были выбраны таким образом, чтобы удовлетворить экспериментальным данным по буферной ёмкости люмена тилакоида. Также мы учли пассивную утечку протонов через мембрану тилакоида (реакция 28 на рис.3), аппроксимировав ее простой зависимостью:

Результаты моделирования и идентификации параметров системы.

К настоящему времени в литературе имеется большое количество данных о протекании реакций электронного переноса в Ь/комплексе. Однако, эти данные, как правило, получены на различных объектах (интактные клетки, изолированные тилакоиды, изолированные Ь/комплексы), в различных экспериментальных условиях, с использованием различных фотоспектрометрических методов. Такое разнообразие данных делает их трудно сравнимыми. Вместе с

трации ионов Н+ в соответствующих компартментах хлоропласта.

v28= vleak*ii7(Kh+H+,)

тем, ввиду сложности разработанной нами модели, для ее верификации необходим набор экспериментальных зависимостей, полученных в стандартизованных условиях. Такому требованию в наибольшей степени отвечают данные, опубликованные в (Норе А.В. а1. 1992), полученные на суспензии тилакоидов хлоропластов гороха. В этой работе изучалось изменение во времени концентраций восстановленного гема цитохрома Ьк , окисленного цитохрома £ , окисленного пластоцианина Рсох и концентраций протонов в люмене тилакоида Н1+ после насыщающей вспышки света продолжительностью 15 не. Для ингибирования электронного транспорта от ФС 2 в экспериментальную суспензию добавляли диурон (окончательная концентрация в суспензии 10 мкМ). Восстановление пула пластохинонов достигалось добавлением дурохинола (400 мкМ). Полученные экспериментальные зависимости приведены на рис.4а, 4в и 4г (показаны квадратами), и были использованы нами для идентификции параметров модели. Для процедуры идентификации параметров нами были использованы данные, полученные в (Норе А.В. и др. 1992) на интервале измерений 20 мс. Отметим, что в их работе для идентификации параметров были использованы только первые 7 мс измерений.

При моделировании описанных экспериментальных зависимостей мы исходили из следующих начальных условий: пул пластохинонов полностью восстановлен, с учетом стехиометрии 6 молекул пластохинона на 1 цитохромный комплекс; весь Ь/комплекс находится в состоянии с восстановленным FeS центром Риске и окисленным Ьь, т.е. в состояниях С), Сз, С9 и Сц; 90% пластоциани-на - в окисленной форме; концентрация протонов в люмене и строме соответствует рН = 7. Концентрация восстановленного цитохрома Ь описывалась как сумма концентраций состояний Ь/комплекса, содержащих в своем составе восстановленный Ьь, что соответствует данным Норе о том, что основной вклад в регистрируемый сигнал принадлежит гему

Ыгг= С2+С4+С6+Сх±С1о^С12

Большинство параметров модели были «свободными» и уточнялись в результате процедуры идентификации параметров по экспериментальным данным. В качестве начальных оценок констант скоростей использовались данные, существующие в литературе.

Результаты идентификации параметров системы по экспериментальным данным приведены в Таблице 1, а соответствующие им теоретические кривые показаны на рис. 4 а-г сплошными линиями. Как видно из таблицы, оценки, полученные нами для большинства констант скоростей, находятся в пределах интервала разброса оценок других авторов.

Как видно из таблицы, оценки, полученные нами для большинства констант скоростей, находятся в интервале оценок, предложенных другими авторами. Так, константы скорости переноса электрона от пластохинола к центру Риске (ki-ki) в нашей модели имеют значение 500 С"1, что близко к оценкам (Норе, Huilgol и др. 1992) (около 200 с"1), Близкие оценки получились также для констант скорости переноса электрона на пластоцианин Q/i22'^25 ): 2000 - 3 0 ®0 в нашей модели, 2000-4000 с"' в (Hope, Liggins и др. 1989; Hope, Huilgol и др. 1992). Кроме того, значения констант, полученные для переноса электрона от bj, на пластохинон 1500 с"1 и на семихинон 1370 с"1 близки к оценкам Berry (Berry и Rumberg 2000) (2000 С1).

Поскольку все процессы в модели были описаны как обратимые, нам удалось оценить константы равновесия отдельных реакций электронного переноса. Для большинства реакций полученные значения констант равновесия близки к известным. Вместе с тем, для процессов переноса электрона от на пластохи-нон и восстановления пластоцианина получены более высокие значения констант равновесия (450 и 215), чем в работах (Hope, Huilgol и др. 1992, Berry и Rumberg 2000) (<10). Это может быть связано с тем обстоятельством, что в нашей модели мы не рассматривали возможность оттока электронов от восстановленного пластоцианина, что могло иметь место в экспериментальной ситуации.

Таблица 1. Параметры модели, идентифицированные с использованием экспериментальных данных, опубликованных в (Hope, Huilgol и др. 1992)

Процесс Константа скорости прямой реакции {константа равновесия} Оптимизированное значение (с") Оценки других авторов(с'') *значение получено через редокс потенциал

Перенос ЫКеф} 500 (180} 200 (Hope, Huilgol и др. 1992)

на Рев от 1=1,-4 7850 (Berry и Rumberg 2000)

пласто-

хинола

ЮН»)

Перенос к| {Кея1} 900(1.29} 650(1} (Berry и Rumberg 2000)

на Ь>1 от ¡=5,6

ОН*

Перенос к| { КеЧ1} 1500(450} 407(2,4} (Hope, Huilgol и др. 1992)

от Ь|, на ¡=7,. ..12 2000(1.25} (Berry и Rumberg 2000)

(2.65}* (Hope, Huilgol и др. 1992)

Перенос к| {К«,,} 1370(5} 2000{1.25} (Berry и Rumberg 2000)

от Ь|, на ¡=13,...18

о:

Перенос к, {К«,;} 527(10} (30} (Вепу и Rumberg 2000)

от Ь| на ¡=19,...21 100000(40}* (Hope, Huilgol и др.

ь„ 1992)

Перенос ^22 {Ке„22} 1820(215} (4.8} (Berry и Rumberg 2000)

от РеБ на к23 {Кеч2з} 3050(215} 2000(8} (Hope, Huilgol и др. 1992)

РС к-24 {КсЦ24} 5 {КеЧ25} 1820(215} 3050(215} 4000{ 10}(Hope, Liggins и др. 1989)

0 0 005 0 01 0 015 0 02

Время, с

0 0005 001 0015 002

Время, с

О 0 005 0 01 0 015 0 02

Время, с

Рис 4 Продопжение и комментарии на следующей странице

Время, с

Рис.4. Результаты идентификации параметров модели по экспериментальным данным, опубликованным в (Hope, Huilgol и др. 1992). На графиках приведены изменения во времени концентраций восстановленного гема ци гохрома Ь|, (а), окисленного платоцианина Рсох (в), и концентрации протонов в люмене тилакоида Н|+ (г) после насыщающей вспышки света продолжительностью 15 ж. На графике (б) показаны изменения во времени концентраций различных состояний цитохромного bf комплекса, содержащих в своем составе восстановленный bh. Круглыми знаками изображены экспериментальные точки, сплошными линиями - теоретические кривые.

Более детальное по сравнению с известными моделями (Hope, Huilgol и др. 1992, Норе А.В. 1993, Hope, Liggins и др. 1989) описание каталитического цикла цитохромного комплекса позволило нам оценить ряд констант электронного переноса, не поддающихся определению с использованием других моделей. Так, в моделях (Hope, Huilgol и др. 1992, Норе А.В. 1993, Hope, Liggins и др. 1989) исходно заложено предположение об очень быстром переносе

электрона между темами и на основании чего и проведена редукция системы. В нашей модели получены более низкие оценки для констант скорости этого процесса

Поскольку электрохимический потенциал протонов в нашей модели являлся переменной, мы смогли оценить конечную концентрацию протонов в люмене тилакоида (2- 10"3 мМ, что соответствует рН 5.7) и трансмембранный электрический потенциал (120 мВ). Кроме того, была уточнена оценка для емкости тилакоидной мембраны (1.5 Кул/(В-л)).

Детальное рассмотрение процессов переноса электронов в цитохромном Ь/ комплексе позволило нам проанализировать вклад кинетики отдельных состояний в форму теоретической кривой, описывающей кинетику восстановленного цитохрома Ь (рис.4б). Результаты анализа показали, что в предположении функционирования р-цикла и при кинетических параметрах системы, приведенных в Таблице 1, основной вклад в регистрируемый сигнал вносит состояние цитохромного комплекса (с восстановленным и окисленными и БеЗ).

Прямое моделирование процессов взаимодействия цитохромного комплекса с молекулами пластоцианина.

В кинетической модели взаимодействие цитхромного комплекса с подвижными переносчиками - Рр и Рс описывается в соответствии с законом действующих масс, что предполагает свободную диффузию подвижных переносчиков. Между тем известно, что, что мультиферментные комплексы достаточно плотно расположены в фотосинтетической мембране, что ограничивает диффузию. Ширина люминального пространства лишь вдвое превосходит линейные размеры молекулы РС, кроме того в люмен экспонированы достаточно объемные субъединицы мультиферментных комплексов, поэтому предположение о свободной диффузии подвижных переносчиков в соответствующих компар-тментах является слишком грубым. Детали взаимодействия комплексов с подвижными переносчиками могут быть описаны с помощью метода прямого моделирования, разрабатываемого на кафедре биофизики Биологического ф-та

МГУ совместно с кафедрой компьютерных методов в физике Физического факультета МГУ.

Модель представляет собой трехмерную сцену (рис. 5), в которую включены мембрана тилакоида и люминальное пространство. Описание методов формирования сцены приведено в (Коваленко и др., 2004). Для моделирования движения частиц Рс используется формализм броуновского движения с учетом геометрических ограничений, налагаемых сформированной модельной сценой. В нашей работе выполнено сопряжение изученной выше кинетической модели процессов внутри цитохромного комплекса с прямой моделью броуновского движения подвижных переносчиков.

Рис. 5. Визуализация прямой модели взаимодействия молекул пласто цианина с цитохромным комплексом и комплексом фотосистемы 1.

Для реализации сопряжения прямой модели многочастичной модели броуновского движения подвижных переносчиков с моделями, описывающими вероятности переходов между состояниями мультиферментных комплексов на кафедре компьютерных методов в физике физического факультета МГУ разработан специальный программный модуль, который для модели цитохромно-го комплекса проводит расчеты в соответствии с изученной выше кинетической моделью. Для этого модуля входными характеристиками (начальными условиями) на каждом шаге прямой модели являются вероятности докинга на ци-тохромном комплексе молекул и различных форм пластохинона, рассчитанные из прямой модели.

Оценка параметров прямой модели выполнена при расчетах взаимодействия свободно диффундирующих частиц Рс и цитохрома f в сравнении с результатами экспериментов на выделенных частицах в растворе (рис.6).

Рис.6. Визуальное представление процессов взаимодействия цитохромного комплекса и пластоцианина в растворе.

Включение модели цитохромного комплекса в прямую модель фотосинтетической мембраны позволяет получить в рамках этой модели кинетические кривые окислительно-восстановительных превращений для входящих в состав цитохромного комплекса компонентов, например цитохромов , и более

детально моделировать процессы сопряжения электронного транспорта и генерации электрохимического потенциала на мембране.

Таким образом, разработана модель процессов переноса электрона в цито-хромном комплексе, хорошо описывающая экспериментальные данные по кинетике окислительно-востановительных превращений цитохромов, пластациа-нина и концентрации протонов в люминальном пространстве тилакоида. Проведена идентификация параметров модели по экспериментальным данным. Модель цитохромного комплекса сопряжена с прямой многочастичной моделью процессов в мембране тилакоида, учитывающей пространственную организацию мембраны и ограниченный характер диффузии подвижных переносчиков.

Выводы.

1. Разработана кинетическая модель работы цитохромного комплекса, представляющая собой систему дифференциальных уравнений для вероятностей состояний комплекса и учитывающая зависимость скоростей реакций от величины трансмембранного электрохимического потенциала.

2. Проведена идентификация параметров модели по экспериментальным данным с использованием нескольких процедур идентификации, оценены константы скоростей и константы равновесия реакций, не доступных прямому экспериментальному наблюдению. Согласно нашим оценкам, величина константы равновесия реакции переноса электрона от пласто-хинола рНг на центр Риске составляет 180. Выполнены оценки равновесных значений концентрации протонов в люмене тилакоида (2. 101 мМ, что соответствует рН 5.7) и трансмембраного электрического потенциала (120 мВ). Показано, что при наличии электрона на Ъ', перенос электрона с центра Риске БеЗ на пластоцианин происходит более эффективно.

3. Детальное рассмотрение процессов в цитохромном комплексе позволило проанализировать особенности кинетической кривой восстановленного цитохрома Ъ. Показано, что основной вклад в регистрируемый сигнал вносит состояние цитохромного комплекса с6 (с восстановленным Ъь и окисленными Ъ1 и БеЗ).

4. Выполнено сопряжение кинетической модели с прямой многочастичной моделью перемещения молекул пластоцианина в люминальном пространстве. Модель позволяет получить пространственные, кинетические и статистические характеристики системы.

/

Список публикаций по теме диссертации.

1. Лебедева Г.В., Джалал Камали М, Демин О.В., Беляева Н.Е., Ризниченко. Г.Ю. Кинетическая модель цитохромного ^комплекса. Идентификация параметров модели по экспериментальным данным, полученным на суспензии ти-лакоидов. Математика. Компьютер. Образование. Сб. научных трудов. М.-Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. Вып. 10, т. 3. С. 253-262.

2. Джалал Камали М. Лебедева Г. В. Идентификация параметров кинетической модели цитохромного ^комплекса. Тезисы докладов III Съезда биофизиков России. Воронеж, 2004, т. II. С.411-412.

3. М. Джалал Камали, Г.В. Лебедева*, О.В. Демин*, Н.Е. Беляева, Г.Ю. Ризниченко, А.Б.Рубин, Кинетическая модель цитохромного i/комплекса. Оценка кинетических параметров. Биофизика, 2004, том 49, № 6.

4. Прямое моделирование процессов взаимодействия пластоцианина с фотосистемой 1 в фотосинтетической мембране. Коваленко И.Б., Абатурова A.M., Джалал Камали М., Устинин Д.М., Ризниченко Г.Ю., Грачев Е.А., Рубин А.5. Сб. научных трудов «Математика. Компьютер. Образование» 2004, Вып. 12, т.2, Изд. РХД, М-Ижевск

Подписано в печать 17.11.2004 Формат 60x88 1/16. Объем 1.75 усл.п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 186 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. 102

"22 6 j,

РНБ Русский фонд

2005-4 18060

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Джалал Камали Махшид

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Система фотосинтетического электронного транспорта в мембране тилакоида.

1.2. Структура и функции цитохромного комплекса.

1.3. Структура и функция комплекса ФС1.

1.4. Подвижные переносчики электрона: пластохинон и пластоцианин.

1.4.1. Хиноны хлоропластов.

1.4.2. Пластоцианин.

1.5. Эксперименты по определению кинетических констант взаимодействия Рс, PQ и цитохрома bf.

1.6. Математические модели.

1.6.1. Модели электронного транспорта в комплексах. Методы математического описания переноса электрона в пределах комплексов.

1.6.2. Модели цитохромного bf комплекса в хлоропластах.

1.6.3. Моделирование взаимодействия комплекса с подвижными переносчиками.

Глава 2. Кинетическая модель цитохромного bf комплекса тилакоидной мембраны.

2.1. Описание модели.

2.1.1. Структура модели.

2.1.2. Формулировка модели.

2.2. Методы решения.

2.2.1. Прямая и обратная задача.

2.2.2. Алгоритмы решения и их реализация.

2.2.3. Методы идентификации параметров.

2.3. Результаты моделирования и идентификации параметров системы.

Глава 3. Сопряжение кинетической модели переноса электрона внутри цитохромного комплекса b6f с броуновской моделью диффузии пластоцианина и пластохинона.

3.1. Метод прямого многочастичного моделирования.

3.2. Описание прямой модели.

3.3. Оценка параметров прямой модели взаимодействия цитохромного комплекса и подвижных переносчиков.

3.4. Механизм сопряжения кинетической модели переноса электрона внутри цитохромного комплекса b6f с броуновской моделью диффузии пластоцианина и пластохинона.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Кинетическая модель цитохромного bf комплекса фотосинтетической мембраны"

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Изучение механизмов регуляции субклеточных энергопреобразующих систем представляет одну из наиболее актуальных проблем современной биологии. Для понимания законов взаимодействия отдельных молекул и молекулярных комплексов и сопряжения физических и биологических законов в единую выработанную в процессе эволюции систему необходимо объединить эти знания в целостной концепции. Методом концептуального объединения разнородных знаний в единую систему является математическое моделирование.

Для моделирования процессов на субклеточном уровне используются кинетические модели, представляющие собой системы дифференциальных уравнений. При описании переноса электронов в мультиферментном комплексе используют уравнения для вероятностей состояний. Взаимодействие комплекса с подвижными переносчиками в кинетических моделях принято описывать с помощью уравнений действующих масс. В самое последнее время на кафедре биофизики биологического факультета МГУ разрабатываются прямые многочастичные модели, позволяющие визуализировать процессы в фотосинтетической мембране.

Фотосинтетическая мембрана представляет собой одну из наиболее хорошо экспериментально изученных субклеточных систем. Имеется большое число математических моделей, которые описывают как процессы в отдельных фотосинтетических реакционных центрах, так и всю совокупность процессов электронного и ионного транспорта в тилакоидной мембране. Наряду с комплексами фотосинтетических реакционных центров фотосистем I и И, важнейшую роль в процессах преобразования энергии играет цитохромный комплекс. Он осуществляет сопряжение электронного транспорта и трансмембранного переноса протонов молекулами пластохинона и таким образом контролирует общую скорость транспорта электронов от первичного донора к терминальному акцептору. Цитохромный комплекс также является участником циклического электронного транспорта с участием фотосистемы I, являясь регулятором соотношения линейного и циклического электронных потоков. Процессы в цитохромном комплексе также играют ключевую роль в создании электрохимического потенциала на мембране. Именно функционирование этого комплекса регулирует выделение протонов во внутреннее люми-нальное пространство тилакоида.

Цитохромный комплекс играет важную роль не только в фотосинтетических процессах. Аналогичный комплекс имеется в энергопреобразующей цепи митохондрий. В цианобактериях на уровне цитохромного комплекса в единой мембране сопрягаются фотосинтетическая и дыхательная цепи.

Кинетические характеристики процессов переноса электрона между компонентами цитохромного комплекса изучены значительно менее подробно, чем это сделано для комплексов фотосинтетических реакционных центров. Причина этого понятна - процессы в цитохромном комплексе не инициируются непосредственно светом, они являются следствием идуцированных светом процессов в фотосистемах 1 и 2, которые вызывают последовательность окислительно-восстановительных процессов в фотосинтетической электрон-транспортной цепи. Сведения о кинетике процессов в цитохромном комплексе получают в эксперименте по спектральным измерениям в полосах поглощения входящих в комплекс цитохромов и пластоцианина, являющегося посредником электронного переноса между цитохромным комплексом и фотосистемой I. При этом бывает сложно выделить вклад отдельных окислительно-восстановительных реакций в экспериментально наблюдаемую кинетическую кривую. Все это делает чрезвычайно актуальным математическое моделирование работы цитохромного комплекса и идентификацию его кинетических параметров по экспериментальным данным.

Настоящая работа посвящена детальному моделированию процессов в ци-тохромном комплексе. Построены модели переноса электрона в комплексе и процессов взаимодействия комплекса с подвижными переносчиками. С помощью нескольких методов проведена идентификация параметров кинетической модели по экспериментальным данным, проведены оценки параметров системы, не доступных прямому экспериментальному измерению. Изученная кинетическая модель цитохромного комплекса сопряжена с прямой многочастичной моделью броуновского движения подвижных переносчиков - пластоциа-нина в люминальном пространстве и пластохинона внутри липидного слоя фотосинтетической мембраны.

Цели и задачи работы. Основная цель работы - изучить механизмы функционирования цитохромного комплекса и провести идентификацию параметров отдельных реакций внутри комплекса. Описать взаимодействие комплекса с подвижными переносчиками - пластоцианином и пластохиноном.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Построить кинетическую модель функционирования цитохромного bf комплекса фотосинтетической мембраны. В рамках модели учесть влияние электрического и электрохимического трансмембранного потенциала на процессы переноса электрона. Пронализировать возможности различных вычислительных процедур и отобрать адекватные вычислительные методы для решения системы уравнений, описывающих переходы между состояниями комплекса.

2. Исследовать кинетику переменных модели. Провести идентификацию параметров модели по экспериментальных данным. Оценить значения внутренних кинетических параметров цитохромного комплекса.

3. Осуществить сопряжение кинетической модели - системы уравнений для вероятностей состояний цитохромного комплекса с прямой многочастичной моделью перемещения молекул пластоцианина в люминальном пространстве и пластохинона во внутримембранном пространстве.

Научная новизна. Разработана кинетическая модель функционирования цитохромного bf комплекса в соответствии со схемой Q-цикла Митчелла. Переменными модели являются вероятности состояний комплекса, осуществляющего перенос электронов от пластохинона на пластоцианин, сопряженный с переносом протонов из стромы хлоропласта в люмен тилакоида. В модели учтена зависимость скоростей реакций электронного переноса от величины трансмембранного потенциала. С использованием ряда вычислительных методов проведена идентификация параметров модели по экспериментальным данным, в том числе проведена оценка величин параметров, не доступных экспериментальному изучению. Проведена оценка концентрации протонов в люмене тилакоида и трансмембранного электрического потенциала, а также электрической емкости тилакоидной мембраны. Выполнено сопряжение кинетической модели процессов в цитохромном комплексе с прямой многочастичной моделью переноса электрона подвижными молекулами пластоцианина в люмене тилакоида. Получены кинетические характеристики окислительно-восстановительных превращений при взаимодействии цитохромного комплекса с донором фотосистемы I пластоцианином.

Практическая значимость. Построенная детальная модель переноса электрона в цитохромном комплексе может быть использована как элемент полной обобщенной кинетической и прямой модели процессов в фотосинтетической мембране. Модель также может быть использована как элемент модели процессов в мембране цианобактерий, где на уровне цитохромного комплекса происходит сопряжение энергопреобразующих процессов фотосинтетической и дыхательной цепей. Модель позволяет выявить роль цитохромного комплекса в процессе создания электрохимического потенциала на энергопреобразующих мембранах тилакоидов и цианобактерий. Модель может быть использована в учебных курсах и практикумах по темам «Математическое моделирование в биологии» и «Фотосинтез» для специальностей биофизика, физиология растений, экология.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: 3-ем Съезде биофизиков России, Воронеж, 2004; 10-той и 11-ой Международных конференциях «Математика. Компьютер. Образование», Пу-щино, 2003, Дубна, 2004; семинарах кафедры биофизики биологического факультета МГУ.

Список публикаций по теме диссертации.

1. Лебедева Г.В., Джалал Камали М., Демин О.В., Беляева Н.Е., Ризниченко. Г.Ю. Кинетическая модель цитохромного bf комплекса. Идентификация параметров модели по экспериментальным данным, полученным на суспензии ти-лакоидов. Математика. Компьютер. Образование. Сб. научных трудов. М.-Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. Вып. 10, т. 3. С. 253-262.

2. Джалал Камали М. Лебедева Г. В. Идентификация параметров кинетической модели цитохромного bf комплекса. Тезисы докладов III Съезда биофизиков России. Воронеж, 2004, т. И. С.411-412.

3. М. Джалал Камали, Г.В. Лебедева*, О.В. Демин*, Н.Е. Беляева, Г.Ю. Ризниченко, А.Б.Рубин, Кинетическая модель цитохромного bf комплекса. Оценка кинетических параметров. Биофизика, 2004, том 49, № 6.

4. Прямое моделирование процессов взаимодействия пластоцианина с фотосистемой 1 в фотосинтетической мембране. Коваленко И.Б., Абатурова A.M., Джалал Камали М., Устинин Д.М., Ризниченко Г.Ю., Грачев Е.А., Рубин А.Б. Сб. научных трудов «Математика. Компьютер. Образование» 2004, Вып. 12, т.2, Изд. РХД, М-Ижевск

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, содержащих описание методов и результатов работы, выводов, списка литературы.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Джалал Камали Махшид

Выводы

1. Разработана кинетическая модель работы цитохромного комплекса, представляющая собой систему дифференциальных уравнений для вероятностей состояний комплекса и учитывающая зависимость скоростей реакций от величины трансмембранного электрохимического потенциала.

2. Проведена идентификация параметров модели по экспериментальным данным с использованием нескольких процедур идентификации, оценены константы скоростей и константы равновесия реакций, не доступных прямому экспериментальному наблюдению. Согласно нашим оценкам, величина константы равновесия реакции переноса электрона от пластохинола QH2 на центр Риске составляет 180. Выполнены оценки равновесных значений концентрации протонов в люмене тилакоида (2.10* мМ, что соответствует рН 5.7) и трансмембраного электрического потенциала (120 мВ). Показано, что при наличии электрона на bh перенос электрона с центра Риске FeS на пластоцианин происходит более эффективно.

3. Детальное рассмотрение процессов в цитохромном комплексе позволило проанализировать особенности кинетической кривой восстановленного цитохрома Ь. Показано, что основной вклад в регистрируемый сигнал вносит состояние цитохромного комплекса Сб (с восстановленным bh и окисленными Ъ\ и FeS).

4. Выполнено сопряжение кинетической модели с прямой многочастичной моделью перемещения молекул пластоцианина в люминальном пространстве. Модель позволяет получить пространственные, кинетические и статистические характеристики системы.

Благодарности

Автор диссертации выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.ф.-м.н., профессору Г.Ю. Ризниченко за постановку интересной задачи, научное руководство и постоянное внимание при выполнении всех стадий данной работы.

Автор хотела бы выразить огромную признательность Г.В. Лебедевой за консультации, поддержку и помощь во время приведения работ и полезные обсуждения полученных результатов и благодарит И.Б. Коваленко и Д. М. Устинина за разработку прямой модели и помощь при подготовке диссертации.

Автор благодарит член-корр. РАН профессора А.Б. Рубину, заведующему кафедрой биофизики биологического факультета МГУ, за научное руководство и благодарит всех сотрудников кафедры биофизики биологического факультета МГУ.

Заключение

Фотосинтетическая энергопреобразующая мембрана представляет собой одну из наиболее изученных субклеточных систем. Изучена молекулярная структура компонентов, принимающих участие в процессах электронного транспорта, известны пространственные (геометрические) характеристики системы, с помощью спектрофотометрическх методов оценены константы скоростей отдельных окислительно-восстановительных реакций. Эти разнородные данные, полученные разными экспериментальными методами и на разных объектах, можно объединить в единую систему знаний с помощью компьютерной имитационной модели фотосинтетической мембраны. В настоящей работе построена и изучена субмодель такой обобщенной модели, описывающая процессы в цитохромном комплексе.

Цитохромный комплекс представляет собой один из ключевых элементов целостной энергопреобразующей системы - своеобразный «перекресток». Он осуществляет сопряжение процессов линейного транспорта электронов от второй к первой фотосистеме и циклического электронного транспорта вокруг фотосистемы 1, сопряжение процессов электронного и протонного транспорта у зеленых растений и сопряжение фотосинтетической и дыхательной цепей у циановых бактерий (сине-зеленых водорослей).

Идентификация параметров построенной в данной работе кинетической модели позволила на основе экспериментальных данных оценить значения констант скоростей отдельных реакций, в том числе реакций внутри цитохромного комплекса. Важной особенностью модели является учет зависимости параметров реакций от электрохимического потенциала на мембране. Наиболее электрогенными являются реакции переноса электрона внутри комплекса (между низко- и высокопотенциальным темами цитохрома Ь). Корректный учет этой зависимости возможен лишь в модели, учитывающей эту внутреннюю для цитохромного комплекса стадию переноса электрона.

Осуществлен первый этап работы по встраиванию субмодели цитохромного комплекса в прямую компьютерную имитационную модель процессов в фотосинтетической мембране. С помощью разработанной сотрудником кафедры биофизики Биологического факультета МГУ Д.М. Устининым программы вероятностная модель процессов в цитохромном комплексе сопряжена с моделью броуновского движения подвижных переносчиков - пластохинона в мембране и пластоцианина в люмене. Для построения системы уравнений вероятностной модели в соответствии со схемой возможных состояний цитохромного комплекса использована программа, разработанная дипломником каф. компьютерных методов в физике Физического факультета МГУ Виталием Мурашевым для описания процессов в мультиферментных комплексах. С помощью методики, разработанной сотрудником кафедры биофизики Биологического факультета МГУ И.Б.Коваленко получены кинетические кривые редокс превращений компонентов и визуальная картина процессов в системе.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Джалал Камали Махшид, Москва

1. Albertsson, Р.-А. 2001. A quantitative model of the domain structure of the photosynthetic membrane. TRENDS in Plant Science 6: 349-354.

2. Allen, J. F. 2003. Cyclic, pseudocyclic and noncyclic photophosphorylation: new links in the chain. TRENDS in Plant Science 8: 15-19.

3. Bendall, D. S., and R. S. Manasse. 1995. Cyclic photophosphorylation and electron transport. Biochim. Biophys. Acta 1229: 23-38.

4. Berry, S., and B. Rumberg, eds. 1995. Photosynthesis: From Light to Biosphere. Kluwer, Dordrecht, The Netherlands.

5. Berry, S., and B. Rumberg. 1996. Biochim. Biophys. Acta. 1276: 51-59.

6. Berry, S., and B. Rumberg. 1999. Biochim. Biophys. Acta. 1410: 248-261.

7. Berry, S., and B. Rumberg. 2000. Kinetic modeling of the photosynthetic electron transport chain. Bioelectrochemistry 54: 35-53.

8. Blackwell, W. 1990. Biophys. J. 58: 1259-71.

9. Blackwell, M., C. Gibas, S. Gygax, D. Roman, and B. Wagner. 1994. The plastoquinone diffusion coefficient in chloroplasts and its mechanistic implications. Biochim. Biophys. Acta 1183: 533-543.

10. Bouges-Bocquet, B. 1981. Biochim. Biophys. Acta. 635: 327-340.

11. Buchanan, B. 2000. Biochemistry&molecular biology of plant.

12. Bulychev, A. A., and WimJ. 1999. Physiologia Plantarum. 105: 577-584.

13. Carrell, C. J., H. Zhang, W. A. Cramer, and J. L. Smith. 1997. Biological identity and diversity in photosynthesis and respiration: structure of the lumen-side domain of the chloroplast Rieske protein. Structure 5: 1613-25.

14. Carrell, C. J. 1999. Biochemistry 38: 9590.

15. Fernandes-Velasko, J. G., Jamshidi A., Gong X.-S., Zhou J., Ueng R.Y. J. 2001.

16. Hall, D. O., and К. K. Rao. 1994. Photosynthesis.

17. Hauska G., H. E., Gabellini N., Lockau W. 1983. Biochim. Biophys. Acta. 726: 97133.

18. Heimann, S., C. Klughammer, and U. Schreiber. 1998. FEBS Letters. 426: 126130.

19. Holzapfel, C., and R. Bauer. 1975. Computer simulation of primary photosynthetic reactions compared with experimental results on 02 - exchange and chlorophyll fluorescence of green plants. Z. Naturforsch. 30: 489-498.

20. Hope, А. В., L. Handley, and D. B. Mathews. 1985. Aust. J. Plant Physiol. 12.: 387-394.

21. Hope, А. В., J. Liggins, and D. B. Matthews. 1989. The kinetics of reactions in and near the cytochrome b/f complex of chloroplasts. Cytochrome b-563 reduction. Aust. J. Plant Physiol 16: 353-364.

22. Hope, A. B. 1993. The chloroplast cytochrome bf complex: a critical focus on function. Biochim. Biophys. Acta 1143: 1-22.

23. Hope, A. B. 2000. Electron transfers amongst cytochrome f, plastocyanin and photosystem I: kinetics and mechanisms. Biochim. Biophys. Acta 1456: 5-26.

24. Hosier, J. P., and C. F. Yocum. 1985. Biochim. Biophys. Acta 808: 21-31.

25. Hsu, B.-D. 1992. A theoretical study on the fluorescence induction curve of spinach thylakoids in the absence of DCMU. Biochim. Biophys. Acta 1140: 30-36.

26. Hsu, B.-D. 1993. Evidence for the contribution of the S-state transitions of oxygen evolution to the initial phase of fluorescence induction. Photosynth. Res. 36: 81-88.

27. Joliot, P., and A. Joliot. 1984. Biochim. Biophys. Acta. 765:210-226.

28. Joliot, P., J. Lavergne, and D. Beal. 1992. Plastoquinone compartmentation in chloroplasts. I. Evidence for domains with different rates of photo-reduction. Biochim. Biophys. Acta 1101: 1-12.

29. Jones, R. W., and J. Whitmarsh. 1988. Biochim. Biophys. Acta. 933: 258-268.

30. Jordan, P., P. Fromme, O. Klukas, H. T. Witt, W. Saenger, and N. Krauss. 2001. Nature 411: 909-917.

31. Kaant, A., S. Young, and D. S. Bendall. 1996. The role of acidic residues of plastocyanin in its interaction with cytochrome f. Biochim. Biophys. Acta 1277: 115-126.

32. Kirchhoff, H., S. Horstmann, and E. Weis. 2000. Control of the photosynthetic electron transport by PQ diffusion microdomains in thylakoids of higher plants. Biochim. Biophys. Acta 1459: 148-168.

33. Kobayashi, Y., S. Neimanis, and U. Heber. 1995. Plant Cell Physiol. 36: 16131620.

34. Kramer, D. M., and A. R. Crofts. 1993. Biochim. Biophys. Acta. 1183: 72-84.

35. Malik, M., G. Y. Riznichenko, and A. B. Rubin. 1990. Biological electron transport processes. Their mathematical modeling and computer simulation. Academia, Horwood, Praha, London.

36. Malkin, S. 1971. Fluorescence induction studies in isolated chloroplast. On the electron-transfer equilibrium in the pool of electron acceptors of photosystem II. Biochim. Biophys. Acta 234: 425-427.

37. Aust. J. Plant Physiol. 26: 709-716. Metzger, S. U., W. A. Cramer, and J. Whitmarsh. 1996. Biochim. Biophys. Acta. 1319: 233-241.

38. Ort, D. R., and C. F. Yocum. 1996. Oxygenic Photosynthesis:The Light Reactions. Pearson, D. C., Jr., and E. L. Gross. 1998. Brownian Dynamics Study of the interaction between plastocyanin and cytochrome f. Biophysical Journal 75: 2698-2711.

39. XI International Congress on Photosynthesis, Budapest, Hungary. Sackstede, C. A. 2000. Photosynthesis Research. 66: 145-158. Sacksteder C.A., Kanazawa A., Jacoby M.E., Kramer D.M. 2000. PNAS. V. 97. P. 14283-14288

40. Scheller, H. V. 1996. In vitro cyclic electron transport in barley thylakoids followstwo independent pathways. Plant Physiol. 110: 187-194. Sainz, G. 2000. Biochemistry 39: 9164. Semenov, A. Y. 1993. FEBSLett. 321: 1-5.

41. Setif, P. 2001. Ferredoxin and flavodoxin reduction by photosystem I. Biochim.

42. Biophys. Acta 1507: 161-179. Shahak, Y., D. Crowther, and G. Hind. 1981. Biochim. Biophys. Acta 636: 234243.

43. Trissl, H.-W., Y. Gao, and K. Wulf. 1993. Theoretical fluorescence induction curves derived from coupled differential equations describing the primaryphotochemistry of photosystem II by an exciton-radical pair equilibrium. Biophys. J. 64: 974-988.

44. Ubbink, M., M. Ejdebeck, B. G. Karlsson, and D. S. Bendall. 1998. The structure of the complex of plastocyanin and cytochrome f, determined by paramagnetic NMR and restrained rigid-body molecular dynamics. Structure 6: 323-335.

45. Ullmann, G. M., E.-W. Knapp, and N. M. Kostic. 1997. Computational simulation and analysis of dynamic association between plastocyanin and cytochrome f. Consequences for the electron-transfer reaction. J. Am. Chem. Soc. 119: 4252.

46. Van Kooten, O., J. F. H. Snel, and W. J. Vredenberg. 1986. Photosynth. Res. 9: 211-227.

47. Voltz, E., and B. Rumberg, eds. 1990. Current Research in Photosynthesis. Kluwer, Dordrecht, The Netherlands.

48. Whitelegge, J. P., H. Zhang, R. Taylor, and W. A. Cramer. 2002. Mol. Cell. Proteomics 1: 816.

49. Wikstrom, M., Krab K. 1986. Bioeng. Biomembr 18: 181-193.

50. Witt, H. 1975. Biochim. Biophys. Acta. 505: 355-427.

51. Zhang.H, K. G., Shmith.L,Cramer. W. A. 2003. Pages 5160. Natl.Acad.Sci., U.S.A.

52. Дёмин О. В., X. В. Вестерхофф., Б .Н. Холоденко. 1998. Математическое моделирование процессов генерации супероксида bcj комплексом митохондрий. Биохимия. Т. 63. С. 755.

53. Шинкарев, В. П., и П. С. Венедиктов. 1977. Вероятностное описание процессов транспорта электронов в комплексах молекул-переносчиков. Биофизика 22: 413-418.