Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Теоретическое исследование различных кинетических режимов фотосинтеза и поиск пути увеличения количества поглощаемого CO2

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Теоретическое исследование различных кинетических режимов фотосинтеза и поиск пути увеличения количества поглощаемого CO2"

Ца правах рукописи

Карелина Татьяна Александровна

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ КИНЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ФОТОСИНТЕЗА И ПОИСК ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ПОГЛОЩАЕМОГО С02

Специальность 03 00 02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ООЗ168899

Москва-2008

003168899

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета МГУ имени М В Ломоносова

Научный руководитель

доктор физико-математических наук,

профессор Александр Константинович Кукушкин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор биологических наук, старший научный сотрудник

Владимир Александрович Караваев Николай Георгиевич Бухов

Ведущая организация

Институт химической физики им H. Н. Семенова РАН, г Москва Защита состоится «22» мая 2008 г в

на заседании диссертационного совета Д 501 002.11 при Московском государственном университете имени M В Ломоносова по адресу г Москва, Ленинские горы, МГУ имени M В Ломоносова, физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М В Ломоносова

Автореферат разослан « 20081

Ученый секретарь диссертационного совета Д 50101

доктор физико-математичес!

, О о

Хомутов Г Б

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В настоящее время пространственное строение и химический состав фотосинтетического аппарата изучены достаточно подробно Однако многие вопросы остаются невыясненными, например, не ясно, какие регуляторные процессы обеспечивают оптимальное функционирование сложной фотосинтетической системы позволяя ей подстраиваться под изменяющиеся условия внешней среды Вместе с тем, именно от этих процессов зависит продуктивность фотосинтеза, а улучшение продуктивности фотосинтеза, возможно, позволило бы решить ряд продовольственных и экологических проблем

Наиболее ярким проявлением регуляторных связей является немонотонная (колебательная) индукционная кинетика флуоресценции, поглощения С02 и других характеристик фотосинтетической системы, наблюдаемая при резком изменении условий Одним из наиболее чувствительных экспериментальных методов изучения состояния фотосинтетической системы является регистрация индукции замедленной люминесценции Так же, как и в кинетике выделения кислорода, поглощения С02 и быстрой флуоресценции, при резком изменении внешних условий наблюдались затухающие колебания замедленной люминесценции

Еще одним интересным методом исследования регуляторных связей в фотосинтезе является изучение ответа фотосин гетической системы (флуоресценции, скорости поглощения С02 и количества Р700+) на освещение с интенсивностью, меняющейся по гармоническому закону с частотой со Было показано [1], что при таком освещении регуляторные связи могут усложнять форму зависимости флуоресценции хлорофилла от времени в разложении полученной кинетической кривой на гармонические составляющие будут присутствовать компоненты с частотами 2со и выше.

При изучении регуляции такой сложной системы для правильной интерпретации экспериментальных результатов может быть полезно

построение математических моделей Математическая модель описывает изменение во времени различных компонент системы, взаимосвязь между ними и регуляторные процессы Способность модели описать различные кинетические режимы с характерными временами, совпадающими с полученными экспериментально, является хорошей проверкой адекватности модели и понимания процессов, влияющих на форму кинетических зависимостей

Математическая модель может также облегчить поиск пути увеличения эффективности фотосинтеза В настоящее время путем различных изменений фотосинтетического аппарата удавалось увеличить квантовый выход фотосинтеза Математическая модель способна помочь достаточно быстро отыскать комбинацию параметров, изменение которых позволит достичь наилучшего результата, и уменьшить объем необходимой для этого дорогостоящей экспериментальной работы Попытки поиска пути оптимизации работы фотосинтетической системы с помощью модели уже предпринимались [2], однако при этом изучалось только влияние параметров модели на ассимиляцию СО2 Известно, что увеличение интенсивности света может привести к возрастанию количества восстановленных переносчиков электрон-транспортной цепи (к «перегрузке» ЭТЦ), что, в свою очередь, может привести к появлению активных форм кислорода, способных повредить фотосинтетический аппарат Этот процесс называется фотоповреждением Поэтому, исследуя влияние параметров на эффективность фотосинтеза, необходимо также учитывать их влияние на количество восстановленных переносчиков ЭТЦ При этом интересно было бы исследовать влияние параметров модели на работу фотосинтетической системы, как в стационарных условиях, так и при переменном освещении

Цель работы. Целью работы был поиск с помощью математической модели, способной описать различные кинетические режимы фотосинтеза, пути оптимизации работы фотосинтетической системы для увеличения

эффективности фотосинтеза с учетом необходимости защиты от фотоповреждения

В связи с этим были поставлены задачи

1 Описать с помощью существующей модели колебательный режим замедленной люминесценции на качественном уровне, но с соответствующими характерными временами (периодом колебаний), наблюдаемыми в эксперименте, проверить влияние параметров на характеристики колебательного режима с целью описания механизма возникновения колебаний

2 Сравнить стационарные скорости различных этапов фотосинтеза со скоростями, известными из эксперимента и рассчитанными с помощью других моделей, а также проверить, описывает ли модель другие переходные режимы

3 Описать с помощью этой модели экспериментальные данные по кинетике фотосинтеза при освещении с интенсивностью, изменяющейся по гармоническому закону

4 Изучить влияние параметров модели на ассимиляцию С02 и количество восстановленных акцепторов ФС 2 при различных режимах освещения и найти комбинацию параметров, изменение которых обеспечит наибольшее увеличение эффективности фотосинтеза при минимальном увеличении степени восстановления ЭТЦ

Научная новизна работы заключается в описании с помощью одной модели одновременно различных экспериментальных данных по переходным режимам фотосинтеза при изменении внешних условии Впервые общая модель фотосинтеза, описывающая как первичные, так и темновые процессы, а также взаимодействие между ними, использовалась для исследования влияния кинетических параметров и внешних условий на характеристики работы фотосинтетической системы При этом анализировалось не только изменение количества ассимилированного С02, но и количество восстановленных

переносчиков в электрон-транспортной цепи, что позволяет судить о степени увеличения риска фотоповреждения при изменении каких-либо параметров

Практическая значимость заключается в том, что результаты работы могут быть использованы для увеличения эффективности работы фотосинтетической системы с целью повышения продуктивности фотосинтеза, причем с минимальной возможностью увеличения риска фотоповреждения

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 6-ти научных конференциях, в том числе на Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004» (Москва, 2004), «Ломоносов-2005» (Москва, 2005), «Ломоносов-2007» (Москва, 2007), Всероссийской конференции «Преобразование энергии света при фотосинтезе» (г Пущино, 2005), V и VII Международных молодежных конференциях ИБХФ-РАН ВУЗы «Биохимическая физика», (Москва, 2005 и 2007) и Международной конференции "Photosynthesis in the post-genomic era" (Пущино, 2006)

Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, пяти приложений и списка цитируемой литературы Диссертация включает 120 страниц текста, 39 рисунков и 6 таблиц Список литературы содержит 135 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы

Глава 1 содержит литературный обзор В разделе 1.1 описаны основные реакции фотосинтеза высших растений, включающие как первичные, так и темновые процессы Раздел 1.2 посвящен механизмам регуляции фотосинтеза, в частности, перечислены такие механизмы, как перемещение части светособирающего комплекса (ССК) от ФС 2 к ФС 1, нефотохимическое тушение и циклический электронный транспорт вокруг ФС 1, приводящий к увеличению скорости синтеза АТФ В разделах 1.3 и 1.4 описаны

экспериментальные методы исследования регуляции фотосинтеза -регистрация индукционных кривых флуоресценции, поглощения С02 и замедленной люминесценции

Раздел 1.5 посвящен описанию экспериментального обнаружения колебательных режимов колебаний при включении света и колебании под воздействием света с интенсивностью, меняющейся по гармоническому закону Раздел 1.6 посвящен обсуждению существующих моделей фотосинтеза, с помощью которых предпринимались попытки описать колебательный режим. Проанализированы недостатки существующих моделей и возможные причины возникновения трудностей в описании колебательного режима

Раздел 1.7 посвящен способам поиска пути повышения продуктивности фотосинтеза Проанализированы как экспериментальные способы (генетическая модификация различных компонентов фотосинтетической системы), так и теоретические методы (исследование влияния параметров математической модели на теоретическую скорость ассимиляции С02)

В разделе 1.8 критически проанализированы проблемы в описании кинетических режимов и поиске способов повышения продуктивности фотосинтеза с помощью существующих моделей и сформулированы цели и задачи работы

В Главе 2 приведено описание методов исследования Раздел 2.1 посвящен описанию модели, развитой ранее на кафедре биофизики и используемой для расчетов в настоящей работе Модель включает первичные процессы (поглощение света пигментами фотосистем, разделение зарядов), реакции электрон-транспортной цепи и несколько реакций цикла Кальвина Пункты 2.1.1-2.1.5 посвящены описанию процессов, учитываемых в модели Схема модели приведена на рис. 1 В пункте 2.1.6 приведена система уравнений, используемая для расчетов В разделе 2.2 приведено описание методов, используемых для решения системы дифференциальных уравнений модели и программных средств, используемых для анализа результатов и некоторых расчетов

Раздел 2.3 содержит описание метода анализа системы на устойчивость по Ляпунову, применявшегося для анализа влияния параметров на характеристики колебаний частоту и коэффициент затухания В этом же разделе перечислены программные средства, использованные для вычислений с помощью этого метода

Глава 3 содержит результаты работы Раздел 3.1 посвящен теоретическому описанию различных кинетических режимов, наблюдавшихся ранее в экспериментах В пункте 3.1.1 описан колебательный режим замедленной люминесценции (рис 2) Этот режим был получен путем подбора параметров, их значения приведены в подписи к рис 2 Ранее уже высказывалась гипотеза о возникновении колебаний после включения света происходит резкое повышение концентрации восстановленных акцепторов ФС 1, однако из-за недостатка АТФ акцепторы расходуются медленно, это приводит к увеличению потока циклического

Рис. 1. Схема реакций фотосинтеза, учитываемых в модели Здесь 7Г,, 7t2 -

* Ф

пигменты антенны, Я" , 71 ^ - пигменты антенны в возбужденном состоянии, 7Г,, ТС 2 - реакционные центры ФС 1 и 2, К* , ЯГ* - реакционные центры ФС 1 и

2 в возбужденном состоянии, Q, U и Ф- электронные переносчики, DPGA -дифосфоглицерат, PGA - фосфоглицерат, Ru5P - рибулозо-5-фосфат, RuBP -рибулозобисфосфат, G3P - глицеральдегид-3-фосфат, АТР - АТФ

электронного транспорта вокруг ФС 1, что, в свою очередь вносит вклад в реакции ЭТЦ, которые сопряжены с синтезом АТФ, и следовательно, повышается концентрация АТФ Повышение концентрации АТФ приводит к увеличению скорости работы цикла Кальвина и понижению концентрации акцепторов ФС 1 и уменьшению потока ЦЭТ и скорости синтеза АТФ, после чего циклы повторяются, пока система не достигнет стационара Анализ временных зависимостей, полученных в данной работе подтвердил эту гипотезу

Пункты 3.2-3.4 посвящены анализу характеристик работы фотосинтетической системы, полученных с помощью модели при выбранных значениях параметров Для того чтобы проверить, насколько соответствуют действительности значения констант, выбранные для описания колебательного режима, в пункте 3.2 проведено сравнение стационарных скоростей некоторых процессов, рассчитанных с помощью

5 зох«;'

о

| 2 5х10Г5-х

| 2 0Х1СГ ф

| 1 5х1Сг'-2

£ 1 0x10"

ТО

| 5 0x10'

с;

| 0,0.

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 1 с

Рис. 2. Полученный с помощью модели колебательный режим замедленной люминесценции Значения параметров А=4 104, В=1, Р=0,04, (5=1, С=1, С1=1, Б=0, Но=1, Р,=1, 0,=1, В1Ь=0,04, О1Ь=0, 11=2 103, 11ь=0,04, Р=0,2, Рр|=0,007, Р3=0Д, Р,=0,01, Р2=4 10"3, Р10=2 10"4, Рп=10-5, Р12=Ю'\ Р 13=10"4, РО21=0, Ро22=0, Рр2=0, РС02=1, АБТ=25. Начальные условия Zg(0)=2, 2ш(0)=4, 2ц(0)=0,1, остальные равны нулю

используемой в работе модели и скоростей, рассчитанных с помощью других моделей Анализ показал, что скорости процессов карбоксилирования РуБФ, фосфорилирования Ру5Ф и ФГА, синтеза АТФ и регенерации Ру5Ф совпадают со скоростями из других моделей с точностью до порядка Имеются существенные отличия, однако и у других авторов наблюдаются расхождения в значениях скоростей до двух порядков В пункте 3.1.3 приведено сравнение

стационарных концентраций некоторых компонентов фотосинтетической системы, рассчитанных с помощью нашей модели и рассчитанных с помощью других моделей, а также измеренных в экспериментах Сравнение показало, что используемая в данной работе модель при выбранных для описания колебательного режима параметрах достаточно правдоподобно описывает работу фотосинтетической системы (концентрации метаболитов и переносчиков ЭТЦ, рассчитанные с помощью модели, совпадают с литературными данными с точностью до порядка) В пункте 3.1.4 приведено описание с помощью данной модели изменения концентраций некоторых метаболитов цикла Кальвина после выключения насыщающего света Показано, что время достижения стационара совпадает в эксперименте и в модели и составляет около 40-50 с

Пункт 3.1.5 посвящен моделированию колебаний под воздействием света с переменной интенсивностью Для этого в программе была предусмотрена возможность изменения интенсивности света по закону А=АО)=А0+АГ со5(ю 0 (1)

Р=Р(1)=Ро+Г2 соб(СО I) (2)

Для получения нелинейного ответа флуоресценции оказалось необходимым учесть обратную регуляцию первичных процессов В качестве механизма такой регуляции рассматривался процесс переноса подвижного ССК от ФС 2 к ФС 1 Известно, что на работу фермента киназы, осуществляющего фосфорилирование ССК, оказывает влияние восстановленный пластохинон В пункте 3.1.5.1 было предложено описание регуляции первичных процессов с помощью учета неггосредственного влияния подвижных переносчиков на поглощение света ФС 2 Параметр А, характеризующий поглощение света пигментами ФС 2, полагали зависящим от текущего значения 2-концентрации восстановленной формы и" подвижных переносчиков электронов между фотосистемами

А(г5)=А (1-Ак1 гш (3)

Для расчетов были использованы те же значения параметров, что и для получения колебательного режима. Исследовалась быстрая флуоресценция, как и в экспериментах [1]. Период модуляции примерно равен периоду собственных колебаний (60 с). Оказалось, что чем больше параметр Ак1, тем лучше выражены нелинейности во флуоресценции. Рассчитанный режим показан на рис. 3.

ч

<и

I

ь

о^

к

к з г ю з о ч> а.

о >.

е

к

21 (В

Е

Ш СГ

о 5> о

■ ¡»Е

О о.

о

X

ш

О

х

Рис. 3. Ответ системы на воздействие светом с интенсивностью, меняющейся по гармоническому закону (1-2). А=2-10"4, А2=1,9-10"4, р=0,02, Б2=0,019, Ак1=20, (0=0.1 (Т=60 с).

300

t(c)

350

В пункте 3.1.5.2 учтено ингибирующее влияние тиоредоксина на работу киназы, осуществляющей фосфорилирование подвижного ССК. Для этого используется несколько иной подход в описании регуляции первичных процессов, предложенный другими авторами. При этом поглощение света ФС 2, описываемое параметром А, зависит от количества фосфорилированного ССК:

А(г12)=А-(1-Ак1-212«), (4)

где переменная Ъ\г описывает долю фосфорилированного пигмент-белкового комплекса. Изменение переменной 2^12 описывается с помощью уравнения

л

(5)

Оказалось, что подбор параметров позволяет добиться совпадения описания нелинейности во флуоресценции с помощью данного метода и с помощью метода, предложенного в пункте 3.1.5.1. Для учета влияния тиоредоксина это

уравнение было изменено, в предположении, что концентрация тиоредоксина пропорциональна концентрации восстановленного акцептора ФС 1

^ = * (ЛЛ--7) (6)

Л К1 + Р14 24 12; ™

Выражение в знаменателе описывает влияние тиоредоксина на работу киназы

Анализ зависимости флуоресценции от времени показал, что при учете влияния тиоредоксина спад интенсивности флуоресценции после максимума происходит более плавно, чем показано на рис. 3, что говорит о сохранении достаточно большого количества восстановленных переносчиков ЭТЦ

В пункте 3.1.5.3 приведено описание зависимости от времени при периодическом освещении других характеристик фотосинтетической системы скорости поглощения С02 и сигнала поглощения А820, который характеризует количество восстановленных реакционных центров ФС 1 (Р700+) Для совпадения теоретического описания этих зависимостей с экспериментальными данными оказалось необходимым изменить некоторые параметры, используемые в модели. Полученные результаты для зависимости флуоресценции и поглощения СО2 от времени и значения измененных параметров приведены на рис 4 Теоретические зависимости качественно воспроизводят экспериментальные результаты, хотя в зависимости флуоресценции от времени второй максимум наступает раньше, чем в экспериментальных данных Для зависимости Р700+ от времени была получена кривая, совпадающая по форме с экспериментальной, однако также несовпадающая с ней по фазе. Это может объясняться тем, что не совсем корректно описан механизм регуляции первичных процессов В частности, для переноса подвижного ССК требуется определенное время, и это не учтено в модели. То, что допущена неточность описания именно механизма регуляции первичных процессов, подтверждается тем фактом, что в скорости поглощения С02 фазовых сдвигов не наблюдается Анализ показал, что сама нелинейность ответа системы на освещение с периодической интенсивностью проявляется в принципе даже и без учета регуляции первичных процессов при Ак1=0 (рис 4)

Рис. 4. Зависимости от времени флуоресценции (а,в) и поглощения С02 (б, г), полученные в эксперименте (а,б) [1] и рассчитанные с помощью модели (в, г). Штриховая линия — интенсивность освещения, остальные линии - зависимости, полученные при значениях параметров А=6-10А2=5,5-10"4, Р=2-102, Р2=1.8Т0" 2, Ри=7Т0"5; Р13=5-10"6; Рр2=0,5, Ак1=35. Штрихпунктирная - без регуляции первичных процессов (Ак1=0), штрихпунктирная с двумя точками - без циклического ЭТ (Р3=0).

Однако учет этой регуляции является необходимым для правдоподобного описания самой формы кривых. Таким образом, анализируя результаты моделирования, мы можем предложить следующий механизм регуляции фотосинтеза. Недостаток АТФ в цикле Кальвина замедляет линейный ЭТ из-за медленного расходования НАДФН, но при этом возрастает поток через циклический электронный транспорт. Оба эти процесса приводят к возрастанию концентрации восстановленных подвижных переносчиков.

Поскольку при этом замедляются скорости всех реакций ЭТЦ, появляется опасность фотоповреждения Поэтому количество восстановленных подвижных переносчиков является регулятором первичных процессов Этот механизм обратной регуляции обеспечивает уменьшение поглощения света или количества пигментов матрицы в возбужденном состоянии, что приводит к снижению количества восстановленных промежуточных переносчиков

В разделе 3.2 с помощью теории Ляпунова анализируется влияние параметров модели на решения системы уравнений Этот метод позволяет выделить параметры, которые непосредственно влияют на возможность существования колебаний и на характеристики колебаний (частоту и коэффициент затухания) Ранее уже были определены значения параметров, при которых модель описывает колебания, похожие на наблюдаемые экспериментально В пункте 3.2.1 для проверки применимости метода Ляпунова были найдены решения характеристического уравнения при данных значениях параметров При этом было получено две пары комплексно сопряженных решений векового уравнения Х,|д= - 0,000008 ±0,0001i и ^3,4= -0,00028 ±0,0001i Первая пара соответствует колебаниям с частотой а>-0,0001 мс"1 или w=0,l с"1 и коэффициентом затухания 0,008 с"1, которые совпадают с экспериментальными данными Другая пара соответствует колебаниям с таким же значением частоты, но с очень большим значением коэффициента затухания, поэтому на графиках эти колебания не видны Это означает, что помимо наблюдаемых колебаний, существуют еще другие колебания, которые быстро затухают, но они могут также свидетельствовать о регуляторных процессах Был построен Фурье-спектр колебаний, полученных в модели, который качественно совпадал со спектрами, полученными в экспериментах других авторов В спектре присутствуют частоты меньше частоты 0,02 Гц, соответствующей периоду около 1 мин, наблюдаемому экспериментально

Для изучения влияния параметров модели на частоту и коэффициент затухания колебаний значение каждого параметра изменялось в пределах двух-трех порядков в меньшую и большую сторону от значения, использованного

для получения колебательного режима (рис 2) Для каждого нового значения параметра решалось характеристическое уравнение Таким образом, были построены зависимости частот колебаний и коэффициентов затухания от этих параметров В результате оказалось возможным условно разделить параметры на две группы Первая была названа группой слабо-влияющих параметров, вторая - группой сильно-влияющих параметров

В пункте 3.2.2 перечислены параметры, слабо-влияющие на колебания Р (константа скорости электронного транспорта), Р1 (константа скорости поступления восстановителя Ф" в цикл Кальвина), Рю, Рп и Рп (константы скоростей реакций цикла Кальвина). Зависимости частот колебаний и коэффициентов затухания от этих параметров имеют вид кривых с насыщением, т е. в коротком интервале изменения каждого из этих параметров частота и коэффициент затухания увеличиваются или уменьшаются, достигают экстремального значения, при дальнейшем изменении значения этого параметра в большую сторону они остаются неизменными У каждого из этих параметров всегда есть только одна область существования колебаний (ОСК), те область изменений этого параметра, где существуют колебания, и ОСК либо ограничена только снизу, либо вообще не ограничена для любых значений параметра больше нуля.

В пункте 3.23 перечислены параметры, названные сильно-влияющими А и Б (количество света, поглощаемого фотосистемами 2 и 1 соответственно), Рц (регенерация РуБФ), Р3 (константа скорости циклического электронного транспорта), Рп (константа сопряжения электронного транспорта и синтеза АТФ). Кривые зависимостей частот колебаний и коэффициентов затухания от этих параметров имеют более сложный вид, и все они имеют разную форму. Для некоторых параметров имеется несколько ОСК

Раздел 3.3 посвящен исследованию влияния параметров модели на теоретическую эффективность работы фотосинтетической системы В этом разделе исследуется влияние параметров на такие характеристики работы системы, как стационарная скорость ассимиляции С02, общее количество СО2,

поглощенного за период достижения стационарного состояния и количество восстановленных переносчиков ЭТЦ (акцепторов ФС 2)

В пункте 3.3.1 описано изучение влияния нескольких выбранных параметров на ассимиляцию во время достижения стационара после включения постоянного света При различных значениях параметров на достижение стационарного состояния требовалось разное время, поэтому для облегчения сравнения результатов вычислений был выбран промежуток 800 с, время, за которое, как правило, стационар достигался при любых значениях параметров Таким образом, рассчитывалась стационарная скорость поглощения С02 и количество С02, ассимилированного за время 800 с после включения света При этом изменения проводились в небольшой области около значений параметров, выбранных для описания колебательного режима В Таблице 1 приведены результаты расчетов В нашей модели в предположении, что Рсо2=1> те при насыщающих концентрациях С02, скорость ассимиляции С02 пропорциональна Z9 Поэтому исследовалась зависимость стационарных значений Z9 от параметров Оказалось, что только три параметра из исследуемых влияют на поглощение С02 Б (количество света, поглощаемого ФС 1), А (количество света, поглощаемого ФС 2), Р12 (константа скорости ассимиляции С02) Уменьшение стационарной скорости ассимиляции при увеличении интенсивности света, поглощаемого ФС 2 (строка 1 3 Таблицы 1), по всей видимости, может быть вызвано перегрузкой ЭТЦ Это означает, что если бы в фотосинтезе не было механизмов защиты ЭТЦ от перевосстановления, это могло бы привести не только к фотоповреждению, которое у нас в модели не учитывается, но и к уменьшению поглощения С02 Учет регуляции первичных процессов в соответствии с формулой (3) устраняет эффект падения скорости ассимиляции, при значении параметра Ак1=40 зависимость скорости ассимиляции от интенсивности света поглощаемого ФС 2 имеет вид кривой с насыщением

Таблица 1 Обозначения. V, - стационарная скорость поглощения СОг, Ъг -концентрация восстановленных акцепторов ФС 2, А^ - количество С02, ассимилированного за время 800с Исходные значения параметров- А=2 10"4,

Р=0,02, Р=0,2, РР1=7 10°, Рз=0,1, Р10=2 10", Р,,=10о, Р12=1 1(Г, Р^НО"4 остальные как в подписи к рис 2 Для Ъ2 указаны среднее и максимальное значения Все величины указаны в относительных единицах Значения

z2

Изменяемые параметры и их значения vs Ас

Среди Мах

Колеб. режим 11) См в подписи к таб 0,9 71 0,027 0,051

Р12 1 2)2 10"4 1,1 176 0,087 0,147

А 1 3) 5 Ю-4 0 130 0,64 0,94

1 4) 4 10"4 1,8 141 0,078 0,146

F 1 5) 0,04 0,9 70 0,07 0,104

1 6) 0,001 0,5 37 0,772 0,901

А, PF1 1 7)4 10"4/0,015 1,6 142 0,033 0,099

A,F,Pf1 1 8)4 10"4/0,12/0,015 2,2 175 0,11 0,15

При измененных параметрах А=5 10"4, F=0,12, PFi= 0,015

Р 2 1) 0,5 2,2 176 0,068 0,106

Р, Рз 2 2) 0,5/0,2 2,2 176 0,064 0,099

Р. Рз, Pll)Pl2 2 3) 0,5/0,2 /2 10'3 /3 10"4 0,75 178 0,031 0,051

Расчеты показали, что изменение только одного параметра, как правило, не приводит к увеличению скорости ассимиляции (за исключением параметров Р(2, F и А), хотя и может способствовать разгрузке ЭТЦ Увеличение интенсивности света в ФС 1 (F) и ФС 2 (А) приводит к увеличению количества ассимилированного СОг, однако одновременно приводит к увеличению количества восстановленных переносчиков в ЭТЦ Максимального увеличения ассимиляции в этом случае можно добиться увеличением константы сопряжения электронного транспорта и синтеза АТФ (PFi, строка 1 8 Таб. 1) Для уменьшения количества восстановленных акцепторов ФС 2 в этом случае необходимо увеличить скорости линейного и циклического электронного транспорта (Р и Рз) и скорости хотя бы двух реакций цикла Кальвина (Таб 1, строка 2 3)

Интересно, что увеличения эффективности фотосинтеза можно добиться изменением именно тех параметров, которые были отнесены к группе сильно-

влияющих на колебательный режим Это говорит о том, что в колебательном режиме проявляется работа основных регуляторных механизмов системы, осуществляющих оптимизацию ее работы при изменении внешних условий

В пункте 3.3.2 приведены результаты исследования влияния параметров, описывающих регуляцию первичных процессов, на характеристики работы фотосинтетической системы Результаты расчетов для некоторых параметров приведены в Таблице 2. Расчеты показали, что эти процессы способствуют уменьшению количества восстановленных акцепторов ФС 2 при незначительном уменьшении количества ассимилированного ССЬ Анализ влияния обратной связи показал, что добавление такой связи не уменьшает достигнутых результатов увеличения продуктивности, но дополнительно способствует уменьшению степени восстановления ЭТЦ (Таб 2, строки 2 12 10) В таблице показаны результаты расчетов для различных значений параметров к и ко Фактически параметр к характеризует скорость процессов фосфорилирования и дефосфорилирования, а параметр ко - соотношение между скоростями реакций фосфорилирования и дефосфорилирования Видно, что уменьшение количества восстановленных акцепторов ФС 2 обеспечивается при больших значениях к0 (Таб 2, строки 1 3, 1 4, 2 3, 2 4) Уменьшение этого параметра по сравнению с параметром к приводит к тому, что количество восстановленных акцепторов практически не изменяется (2 4) Наименьшей степени восстановления ЭТЦ при минимальном уменьшении скорости ассимиляции можно добиться при низких значениях параметра к и высоких значениях ко (Таб 2, строки 1 4, 2 6) Видно, что при изменении стационарной скорости ассимиляции примерно на 15% происходит уменьшение максимальной концентрации восстановленных переносчиков на 30 % (Таб 2, строка 2 6) Учет ингибирования тиоредоксином с различными параметрами, описывающими его влияние, показал, что характеристики работы системы при этом не улучшаются (Таб 2, строки 2 7-2 8)

Таблица 2. Исследование влияния параметров, описывающих регуляцию первичных процессов Значения изменяемых параметров приведены в таблице, остальные как в подписи к Таблице 1___ _

Изменяемые параметры и их значения vs <V z

среди max

Колеб режим 1 1) См в подписи 0,9 71 0,027 0,051

Akl 1 2) 40 0,7 52 0,02 0,037

Akt, k, ко I 3) 20/1/1 0,75 59,8 0,023 0,043

1 4)20/0,1/1 0,87 69,4 0,023 0,041

Akl, к, ко, Рн 1 5) 20/1/1/1 0,77 61 0,023 0,044

1 6) 40/1/1/1 0,68 53,4 0,02 0,04

1 7)40/1/1/10 0,78 61,4 0,023 0,045

Изменены А=5 10"4, F=0,12, Р, ,=0,015, Р=0,5, Р3=0,2, Р„=2 10"5 Р|2= =3 10"4

Akl 2 1)0 0,75 178 0,031 0,051

2 2)20 0,6 163 0,029 0,042

Akl, к, ко 2 3) 20/1/1 0,67 163,4 0,029 0,042

2 4) 20/0,1/1 0,67 163,4 0,029 0,042

2 5) 20/1/0,1 0,73 176,3 0,031 0,05

2 6) 20/0,05/2 0,63 152 0,026 0,034

Akl, к, ко,Рн 2 7) 20/1/1/1 0,68 164 0,029 0,045

2 8) 20/0,05/2/10 0,68 162 0,028 0,048

В пункте 3.3.3 изучается влияние параметров модели на ассимиляцию при освещении с интенсивностью, изменяющейся по гармоническому закону Были проведены исследования (Таблица 3), аналогичные описанным выше (пункт 3 5 1) Исследования проводились вблизи значений параметров, использованных для описания экспериментальных данных [2] Режим, рассчитанный при этих значениях параметров, назывался «основным» Видно, что параметр Р12, характеризующий скорость карбоксилирования РуБФ, влияет на ассимиляцию, причем его увеличение ведет не только к улучшению ассимиляции, но и к уменьшению степени восстановления ЭТЦ (Таб 3, строка 1 14) При этом параметр Рц, скорость фосфорилирования Ру5Ф, мало влияет как на ассимиляцию, так и на разгрузку цепи (Таб 3, строка 1 6) Параметр Рв, скорость фосфорилирования глицерофосфата, который не влиял на ассимиляцию при постоянном освещении, влияет на нее при периодическом

освещении Исследование влияния отдельных параметров проводилось без учета влияния регуляции первичных процессов (Ак1=0) Однако оказалось, что

Таблица 3 Обозначения Ар - количество СОг, ассимилированного за период 1 мин Исходные значения параметров А=6 Ю-4, А2=5,5 Ю-4, ¥=2 Ю-2, Р2=1,9 Ю-4, РР1=0,007, Рю=210"4, Рц=5 Ю-5, Р,2=10"4, Р|3=2 Ю-6, РН2=0,5, Ак1=0 Для параметров А и Р указаны средние значения, амплитуда их изменений (А2 и Р2)

Изменяемые параметры и их значения АР г2

средн тах

«Основной» режим 11) См в подписи 10,5 0,689 0,92

А 1 2) 0,02 10,6 0,99 1

Б 13)0,1 10,5 0,68 0,92

Р.о 1 4)2 Ю-4 11 0,660 0,908

Ри 1 5) 2 10"4 10,71 0,677 0,916

Р.2 1 6)2 10"4 13,5 0,482 0,798

Р.з 1 7) 1 10'3 13,26 0,487 0,817

Ак1 1 8)45 8,9 0,027 0,046

Изменены параметры А=2 10'2, ¥=2, РР|=0,015, Ак1=45

Рю/ Ри 2 1)3-10""/3 10"4 2,5 0,047 0,055

Рю/Рн 2 2) 3 Ю-4 /2 10° 2,5 0,047 0,078

Р12/Р13 2 3)3 Ю-4/2 10"5 30 0,08 0,095

при периодическом освещении участие этого механизма регуляции обеспечивает уменьшение количества восстановленных акцепторов в 20 раз при уменьшении скорости ассимиляции всего на 20% (Таб 3, строка 1 8) Дальнейшие расчеты проводились при значении параметра Ак1=45 Неожиданным результатом является то, что при одновременном изменении констант двух скоростей реакций цикла Кальвина (синтез Ру5Ф и карбоксилирование РуБФ, либо синтез Ру5Ф и фосфорилирование глицерофосфата) количество ассимилированного С02 не возрастает, а наоборот, уменьшается (Таб 3, строки 2.1-2.2) Наиболее интересным с практической точки зрения результатом является то, что увеличения ассимиляции С02 в три раза при увеличенной интенсивности света и скорости синтеза АТФ можно достигнуть одновременным увеличением скорости карбоксилирования и скорости фосфорилирования глицерофосфата (Таб 3,

строка 2 3) Дополнительные увеличения скоростей других процессов не влияют ни на ассимиляцию, ни на степень восстановления ЭТЦ

В пункте 3.3.4 были проведены исследования влияния процессов регуляции поглощения света ФС 2 на характеристики работы фотосинтетической системы при переменном освещении, аналогичные описанным в пункте 3 3 2 Результаты расчетов приведены в Таблице 4 Из таблицы видно, что добавление обратной связи позволяет существенно уменьшить количество восстановленных переносчиков при сохранении

Таблица 4. Влияние параметров описывающих регуляцию первичных процессов на характеристики работы фотосинтетической системы при освещении с периодически изменяющейся интенсивностью Значения изменяемых параметров показаны в таблице, остальные как в подписи к Таблице 3_ _

Изменяемые параметры и их значения АР г

¡средн шах

«Основной» режим. 1 1)См в подписи 10,5 0,689 0,92

Ак1 12)45 8,9 0,027 0,046

Ак1, к, кО 1 3) 20/1/1 9,3 0,043 0,084

1 4)20/0,1/1 9,3 0,043 0,083

1 5) 20/1/2 9 0,029 0,049

Ак1, к, кО, Р14 1 6) 20/1/1/1 9,3 0,055 0,111

1 7)20/1/2/1 8,9 0,032 0,063

Изменены А=2 10"2, Р=2, Рп=0,015, Р12=3 Ю-4, Р13=2 Ю"5

Ак1 2 1)0 30,6 0,954 0,993

2 2) 45 28,2 0,085 0,100

Ак1, к, кО 2 3) 20/0,1/1 29 0,125 0,148

2 4)20/1/2 28,2 0,085 0,100

Ак1, к, кО, Р|4 2 5)20/1/1/1 29 0,196 0,257

2 б) 20/1/2/1 28,7 0,113 0,137

средней скорости ассимиляции (Таб 4, строки 1 2-1 7). Как и в случае обычного колебательного режима, существенное уменьшение количества восстановленных переносчиков достигается при достаточно больших значениях параметра ко (Таб 4, строки 13-15) Оптимальный режим в данном случае обеспечивается при значениях параметров, указанных в строке (1 5) Таб 4, т е

при достаточно большой скорости процессов фосфорилирования и дефосфорилирования и достаточно большом соотношении скоростей процессов фосфорилирования и дефосфорилирования При ингибировании тиоредоксином уменьшение количества восстановленных переносчиков было не столь эффективно, как при отсутствии ингибирования (Таб 4, строки 2 5, 2 6) Это означает, что при переменной интенсивности света ингибирование тиоредоксином ухудшает работу фотосинтетической системы и улучшить ее можно, уменьшив влияние тиоредоксина

На основе результатов, полученных в данной работе были сделаны следующие выводы

1 Анализ параметров, определяющих возможность существования колебательных решений (сильно-влияющих на колебания), подтвердил существующую гипотезу о возникновении колебаний- недостаточное количество АТФ для нормального функционирования цикла Кальвина приводит к увеличению потока через циклический электронный транспорт и ускорению синтеза АТФ, что приводит к уменьшению потока через ЦЭТ и повторению цикла

2 Основными механизмами, регулирующими работу системы при изменяющейся интенсивности света, являются циклический электронный транспорт вокруг ФС 1 и регуляция первичных процессов редокс-состоянием переносчиков ЭТЦ Обратная регуляция первичных процессов необходима как для защиты от фотоповреждения, так и для нормального функционирования системы при ярком освещении

3 Оптимизация работы фотосинтетической системы может быть достигнута изменением параметров, отнесенных к группе сильно-влияющих на колебания интенсивность света, константа сопряжения электронного транспорта и синтеза АТФ, потребление АТФ в цикле Кальвина Это означает, что именно от этих параметров зависит как работа системы в стационарных условиях, так и

кинетика при переходе к новому состоянию при изменении внешних условий Колебательный режим является проявлением этой регуляции. 4 При освещении с гармонически модулированной интенсивностью обратная регуляция первичных процессов обеспечивает сильное уменьшение количества восстановленных акцепторов практически не приводя к уменьшению скорости ассимиляции С02, однако ингибирование реакции фосфорилирования ССК тиоредоксином уменьшает эффективность этой регуляции

Литература

1 Nedbal, L , Brezina, V , Adamec F , Stys, D , Oja, V , Laisk, A, Govindjee, Negative feedback regulation is responsible for the non-linear modulation of photosynthetic activity in plants and cyanobactena exposed to a dynamic light environment Вlochim Biophys. Acta, 2003, v 1607, p 5-17

2 Zhu X G, de Sturler, E, Long, S P, Optimizing the distribution of resourses between enzymes of carbon metabolism can dramatically increase ptotosynthetic rate a numerical simulation using an evolutionary algorithm Plant Physio), 2007, v 145, p 513-526

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях

1 Карелина Т. А, Белов А А, Кукушкин А К , Математическая модель и анализ причин колебаний замедленной люминесценции высших растений Вестник Московского Университета, сер Физика Астрономия, 2005, вып 5,31-34

2 Карелина Т А, Белов А А, Кукушкин А К, Математическое моделирование колебаний замедленной люминесценции высших растений и анализ скоростей реакций, рассчитанных с помощью модели Биофизика, 2005, т 50, № 6, с 1105-1111

3 Нгуен Т Т Ф, Карелина Т А, Кукушкин А К, Изучение регуляции фотосинтеза с помощью анализа влияния кинетических параметров его математической модели на характеристики колебательного режима и скорость фиксации С02 Биофизика, 2007, т 52, №5, с 861-868.

4 Карелина Т А, Моделирование колебательного режима замедленной люминесценции высших растений Тезисы докладов международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004», секция физика, Москва, с 91-93

5 Карелина Т А, Анализ скоростей реакций в модели колебательного режима замедленной люминесценции высших растений. Тезисы докладов международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005», секция физика, Москва, с 58-59

6 Карелина Т А, Математическое моделирование различных периодических режимов в фотосинтетической системе листьев высших растений. Тезисы докладов всероссийской конференции «Преобразование энергии света при фотосинтезе», 2005 г, г Пущино, с 22-23

7 Карелина Т А, Математическое моделирование ответа фотосинтетической системы на периодическое внешнее воздействие Тезисы докладов молодежной конференции «Биохимическая физика», Москва,ИБХФРАН, 2005 г, с 99-100

8 Karelina Т, Modelling of the nonlinear answer of the photosynthetic system to harmonically modulated irradiance Abstracts of the International conference "Photosynthesis in the post-genomic era", 2006, Puschino, p 276

9 Нгусн T T Ф, Карелина T А Влияние параметров математической модели фотосинтеза на характеристики колебаний и скорость фиксации СОг Тезисы докладов международной конференции студентов,

аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2007», секция физика, Москва, с 32-33

10 Карелина Т А Изучение параметров, влияющих на среднюю скорость поглощения СОг при фотосинтезе при различных режимах освещения, с помощью математической модели Тезисы докладов молодежной конференции «Биохимическая физика», Москва, 2007 г ИБХФ РАН, с 141-147

Подписано к печати 210ЧС& Тираж ЮС Заказ D3

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Карелина, Татьяна Александровна

Список используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Экспериментальное обнаружение колебательного режима в фотосинтезе и существующие модели его возникновения (обзор литературы).

1.1. Основные реакции фотосинтеза высших растений.

1.2. Механизмы регуляции фотосинтеза.

1.3. Замедленная люминесценция.

1.4. Индукция фотосинтеза.

1.5. Колебательный режим фотосинтеза.

1.5.1. Колебания при резком изменении внешних условий.

1.5.2. Колебания под действием света с переменной интенсивностью.

1.6.Математические модели фотосинтеза.

1.6.1. Модель Лайска и Уокера.

1.6.21Модель Хортона и Николсона.

1.6.3. Модель Лайска и Эйхельманн (1989 г.).:.

1.6.4. Модель Лайска, Эйхельманн и Ойя.

1.6.5. Модель Гирша.

1.6.6. Модель Лазара, Кана, Клинковского и Науса.

1.6.6. Модель Лазара, Кана, Клинковского и Науса.

1.6.7. Модель, разработанная на физическом факультете МГУ.

1.6.8. Анализ системы на устойчивость.

1.7.Способы повышения продуктивности фотосинтеза.

1.7.1 Экспериментальные способы.

1.7.2. Теоретический анализ зависимости влияния кинетических параметров на скорость поглощения СОг.

1.7.3. Изучение влияния на продуктивность фотосинтеза параметров.модели, развитой на кафедре биофизики.

1.8.Постановка задачи.

Глава 2. Методы исследования.

2.1.Описание модели, испбльзуемой для расчетов.

2.1.1. Первичные процессы, учитываемые в модели.

2.1.2. Смысл коэффициентов и переменных, используемых в уравнениях для первичных процессов.

2.1.3. Взаимодействие световых и темновых процессов.

2.1.4. Описание восстановительного пентозофосфатного цикла.

2.1.5. Производство АТР в световой стадии фотосинтеза.

2.1.6. Система уравнений, используемая для расчетов.

2.2. Методы решения системы кинетических уравнений.

2.3 Особенности применения аналитического метода исследования для данной системы уравнений.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ.

3.1 Теоретическое описание различных кинетических режимов.

3.1.1. Колебания после включения постоянного света.

3.1.2. Анализ скоростей реакций.

ЗЛ.З.Сравнение стационарных концентраций метаболитов, рассчитанных с помощью нашей модели со стационарными концентрациями, рассчитанными в других моделях и измеренными в экспериментах.;.

3.1.4. Сравнение рассчитанных кинетических и индукционных кривых с экспериментальными.75'

3.1.5 Моделирование ответа системы на воздействие света с интенсивностью, меняющейся.по гармоническому закону.

3.2. Анализ влияния параметров на характеристики колебаний.

3.2.1. Решения характеристического уравнения системы.903.2.3. Сильно-влияющие параметры.

3.3. Поиск пути увеличения поглощения СОг и уменьшения риска фотоповреждения.99'

3.3.1. Влияние кинетических параметров на эффективность фотосинтеза и состояние ЭТЦ при постоянном освещении.

3.3.2. Влияние регуляции первичных процессов на эффективность фотосинтеза и состояние ЭТЦ при постоянном освещении.

3.3.3 Влияние параметров модели на теоретическую эффективность фотосинтеза и состояние ЭТЦ при периодическом освещении.

3.3.4. Влияние регуляции первичных процессов на эффективность фотосинтеза и количество восстановленных переносчиков при периодическом освещении.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Теоретическое исследование различных кинетических режимов фотосинтеза и поиск пути увеличения количества поглощаемого CO2"

Фотосинтез - уникальный биологический процесс, в ходе которого выделяется кислород, а энергия солнечного света запасается в виде энергии биохимических соединений. Благодаря этому процессу возможно существование жизни на Земле. Понимание устройства фотосинтетических систем позволит, возможно, найти способы управления ими и повышения эффективности их работы. Это, в свою очередь, может решить ряд продовольственных и экологических проблем.

Помимо этого, исследования фотосинтеза помогут понять физико-химическую природу многих биологических процессов, свойственных не только фотосинтезирующим организмам (взаимодействие света с веществом, миграция энергии, электронный транспорт, образование АТФ при помощи мембранного потенциала):

В настоящее время пространственное строение и химический состав фотосинтетического аппарата изучены достаточно подробно.' Однако многие вопросы остаются невыясненными, например, не ясно, какие регуляторные процессы обеспечивают оптимальное функционирование сложной системы, позволяя ей подстраиваться под изменяющиеся условия внешней среды. Вместе с тем, именно от этих процессов зависит продуктивность фотосинтеза.

Одним из наиболее распространенных экспериментальных .методов изучения фотосинтеза является регистрация индукционных кривых — зависимостей флуоресценции, поглощения СО2 и других характеристик от времени при резком изменении внешних условий. Этот метод особенно удобен тем, что позволяет изучать систему in vivo, не разрушая ее.

Наиболее ярким проявлением регуляторных связей является немонотонная (колебательная) кинетика, наблюдающаяся при резком изменении внешних условий. Так, при включении света или резком изменении газового состава среды можно наблюдать затухающие колебания флуоресценции, поглощения СОг и выделения кислорода. Одним из наиболее чувствительных экспериментальных методов изучения состояния фотосинтетической системы является регистрация индукции замедленной люминесценции. Так же, как и в кинетике выделения кислорода, поглощения С02 и быстрой флуоресценции, при резком изменении внешних условий- наблюдались затухающие колебания» замедленной люминесценции.

Другим интересным- методом исследования ре1уляторных связей в фотосинтетической системе является изучение ее ответа на периодическое' воздействие с некоторой частотой4 со. Можно воздействовать на' фотосинтетическую - систему светом с интенсивностью, меняющейся по гармоническому закону с частотой со. При этом регуляторные связи могут усложнять форму зависимости' флуоресценции хлорофиллач от времени: в разложении^ полученной кинетической^ кривой на гармонические составляющие будут присутствовать компоненты«с частотами 2© и выше.

Все описанные экспериментальные методы помогают в изучении механизмов регуляции фотосинтеза. Понимание этих процессов необходимо для» поиска пути увеличения эффективности фотосинтеза, что является одной из важнейших задач биофизики.

При изучении такой сложной системы может быть полезно построение математических моделей. Математическая модель описывает изменение во времени различных компонент системы, взаимосвязь между ними и регуляторные процессы. Это позволяет оценить влияние отдельных стадий на'процесс в целом. Хорошей проверкой адекватности' модели является ее способность описать различные формы кинетических индукционных кривых, о которых упоминалось ранее. При воздействии на фотосинтетическую систему светом с переменной интенсивностью на форму кинетических кривых могут влиять регуляторные взаимодействия. Изучение этого влияния может пролить свет на природу этих взаимодействий и даже помочь определить их характерные времена. Однако для проверки правильности понимания механизма процессов, приводящих к такой сложной форме кинетических кривых, необходима модель, способная описать такую кинетику, по крайней мере, качественно.

Проверкой правильности самой математической модели является количественное соответствие скоростей процессов, рассчитанных с помощью модели, и скоростей, измеренных в эксперименте. Однако измерить скорости отдельных этапов биохимических реакций довольно трудно, поэтому приходится, пользоваться косвенными методами, в том числе и подбором констант для совпадения расчетной и экспериментальной кинетики.

Для более глубокого понимания причин возникновения колебательного режима при индукции фотосинтеза необходимо не только теоретически описать колебательный режим, но и определить, от значений каких именно параметров модели зависит, возникнут ли колебания. Также необходимо определить, какие именно параметры определяют характеристики колебаний - частоту и коэффициент затухания. Возможно, после такого анализа, зная из эксперимента характеристики колебаний, можно будет определить кинетические параметры системы или, по крайней мере, сделать какие-либо выводы о состоянии ее компонент.

Математическая модель может также облегчить поиск пути увеличения эффективности фотосинтеза. В настоящее время путем различных изменений фотосинтетического аппарата удавалось увеличить квантовый выход фотосинтеза. Однако такая экспериментальная работа требует много времени и средств. Кроме того, в экспериментах, как правило, изменениям подвергается только один параметр. По нашему мнению, увеличению эффективности могло бы способствовать одновременное изменение сразу нескольких параметров. Математическая модель может указать пути увеличения эффективности и существенно уменьшить объем необходимой для этого дорогостоящей экспериментальной работы. Именно математическая модель способна помочь достаточно быстро отыскать комбинацию параметров, изменение которых позволит достичь наилучшего результата.

Поэтому, помимо анализа влияния параметров предлагаемой модели на характеристики колебаний, интересно было бы провести анализ влияния параметров на скорость ассимиляции С02. При этом нужно исследовать не только стационарную скорость поглощения С02. Поскольку фотосинтетическая система зачастую подвергается влиянию изменяющихся внешних условий, может изменяться и скорость ассимиляции С02. При изменении условий (интенсивность света, концентрация СО2) будет происходить переход в новое стационарное состояние. Этот переход займет определенное время, в течение которого система также должна работать достаточно эффективно. Таким образом, нужно исследовать также эффективность работы системы во время достижения нового стационарного состояния. Для этого необходимо изучать не скорость поглощения С02, которая непрерывно меняется, а общее количество СО2, поглощенное за время достижения нового стационарного состояния.

Известно также, что при увеличении интенсивности света может возрасти количество восстановленных переносчиков электрон-транспортной цепи (ЭТЦ), что, в свою очередь, может привести к появлению активных форм кислорода, способных повредить фотосинтетический аппарат. Этот процесс называется фотоповреждением. Более того, большое количество восстановленных переносчиков в ЭТЦ само по себе способно привести к снижению скорости некоторых реакций в ЭТЦ («перегрузке» ЭТЦ), что, в свою очередь, приведет к уменьшению скорости синтеза АТФ и снижению скорости работы цикл Кальвина.

Для защиты от перегрузкиг Э'ГЦ и фотоповреждения; существуют различные механизмы: уменьшение количества света, поглощаемого, фотосистемой 2, нефотохимическое тушение, и т.д. Поэтому, исследуя: влияние* параметров; на -эффективность фотосинтеза, необходимо- также: учитывать их влияние на количество восстановленных переносчиков:ЭТЦ: Кроме того,, механизмы защиты от перегрузки ЭТЦ и фотоповреждения; защищающие систему при? высокой интенсивности? света,, могут способствовать уменьшению эффективности фотосинтеза при- небольшой; интенсивности* света или; при освещении с переменной интенсивностью; Поэтому представляется важным изучить, также влияние этих механизмов на скорость поглощения СОг и степень восстановления ЭТЦ.

Математическая? модель позволит найти такую; комбинацию' параметров, изменение которых, не только будет способствовать увеличению? эффективности; но и приведет к минимальному увеличению степени восстановления ЭТЦ.

При?этом интересно было; бы исследовать влияние: параметррвмодели;; на эффективность фотосинтеза и количество восстановленных переносчиков как.при переходе к. новому стационарному состоянию после ступенчатого изменения -. интенсивности света; так и при режиме: освещения с периодически изменяющейся интенсивностью.

Цель работы; Целью: настоящей работы было описание с помощью существующей моделш фотосинтеза различных экспериментальных данных по; переходным режимам при различных режимах освещения; После проверки модели на способность описать , эти; данные дальнейшей целью: работы был поиск возможного? пути; оптимизации системы; для увеличения эффективности фотосинтеза-с учетом необходимости защиты от/фотоповреждения:

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Карелина, Татьяна Александровна

ВЫВОДЫ

На основании полученных результатов были сделаны следующие выводы:

1. Анализ параметров, определяющих возможность существования колебательных решений (сильно-влияющих на колебания), подтвердил существующую гипотезу о возникновении колебаний: недостаточное количество АТФ для нормального функционирования цикла Кальвина приводит к увеличению потока через циклический электронный транспорт и ускорению синтеза АТФ, что приводит к уменьшению потока через ЦЭТ и повторению цикла.

2. Основными механизмами, регулирующими работу системы при изменяющейся интенсивности света, являются циклический электронный транспорт вокруг ФС 1 и регуляция первичных процессов редокс-состоянием переносчиков ЭТЦ. Обратная регуляция первичных процессов необходима как для- защиты от фотоповреждения, так и для нормального функционирования системы при ярком освещении.

3. Оптимизация работы фотосинтетической системы может быть достигнута изменением параметров, отнесенных к группе сильно-влияющих на колебания: интенсивность света, константа сопряжения электронного транспорта и синтеза АТФ, потребление АТФ в цикле Кальвина. Это означает, что именно от этих

• параметров зависит как работа системы в стационарных условиях, так и кинетика при переходе к новому состоянию при изменении внешних условий. Колебательный режим является проявлением этой регуляции.

4. При освещении с гармонически модулированной интенсивностью обратная регуляция первичных процессов обеспечивает сильное уменьшение количества восстановленных акцепторов практически не приводя к уменьшению скорости ассимиляции СОг, однако ингибирование реакции фосфорилирования ССК тиоредоксином уменьшает эффективность этой регуляции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы удалось получить следующие результаты

1. В рамках общей модели процесса фотосинтеза удалось описать колебательный режим замедленной люминесценции без каких-либо дополнительных, физически необоснованных предположений.

2. Значения скоростей реакций, приблизительно соответствуют скоростям, рассчитанным в других моделях; кроме того, они обеспечивают удовлетворительное описание других экспериментальных кинетических кривых.

3. Учет регуляции поглощения света восстановленными подвижными переносчиками электрон-транспортной цепи позволил описать теоретически форму зависимости флуоресценции от времени при освещении светом с интенсивностью, изменяющейся по гармоническому закону, чего не удавалось достичь с помощью других моделей.

4. Изучение влияния различных параметров на характеристики колебательного режима фотосинтеза (частоту и коэффициент затухания колебаний) показало, что для некоторых параметров, названых сильно-влияющими, существуют определенные области значений, в которых могут существовать, колебания. Значения остальных параметров влияют только на характеристики колебаний (частоту и коэффициент затухания).

5. Анализ спектров Фурье полученных колебаний флуоресценции, а также решений характеристического уравнения системы показал, что наблюдаемые кинетические кривые состоят из различных колебаний с разными частотами. Зависимости частот основных и дополнительных колебаний от параметров модели отличаются друг от друга.

6. Изучение влияния отдельных параметров на поглощение С02 показало, что только три параметра влияют на поглощение СОг- Однако путем одновременного изменения нескольких параметров удалось добиться существенного увеличения количества ассимилированного С02, как при постоянном освещении, так и при освещении с гармонически модулированной интенсивностью. В частности, при высокой интенсивности света поглощение С02 может быть увеличено путем увеличения скорости синтеза АТФ и скоростей некоторых реакций цикла Кальвина.

7. Показано, что при большой интенсивности света, поглощаемого ФС 2 скорость поглощения С02 резко падает. Учет обратной регуляции возбуждения пигментов ФС 2 восстановленными переносчиками электрон-транспортной цепи позволяет устранить этот эффект.

8. Изучение влияния параметров, описывающих регуляцию первичных процессов показало, что эта регуляция способствует уменьшению количества восстановленных переносчиков в ЭТЦ при незначительном уменьшении скорости ассимиляции. При этом наилучшие результаты могут быть достигнуты при небольших скоростях процессов фосфорилирования и дефосфорилирования, но достаточно большом соотношении между этими скоростями.

9. При большой интенсивности света при периодическом освещении одновременное увеличение констант скоростей реакций синтеза Ру5Ф и карбоксилирования, либо синтеза Ру5Ф и фосфорилирования глицерофосфата приводит к уменьшению, а не к увеличению количества ассимилированного со2.

10. При периодическом освещении ингибирование реакции фосфорилирования ССК тиоредоксином уменьшает эффективность регуляции первичных процессов.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Карелина, Татьяна Александровна, Москва

1. Андронов, A.A., Витт, A.A., Хайкин, С.Э., Теория колебаний. М., Наука, 1981.

2. Гордиенко, Т.В., Индукционные эффекты в фотосинтезе при различном физиологическом состоянии. Диссертация на соискание степени канд. физ-мат. наук, М., МГУ, 2004.

3. Дамдинсурэн, Колебательный режим послесвечения в листьях высших растений. Биофизика, 1990, т. 35, N 4, с. 687-688.

4. Долгополова, А.А, Фиксация углерода, накопление крахмала, транспорт сахарозы и неорганического фосфата и первичные процессы фотосинтеза. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук, М., МГУ, 2004.

5. Караваев, В. А, Нелинейные регуляторные процессы в фотосинтезе высших растений. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат наук, М., МГУ, 1990.

6. Караваев, В.А., Теоретическая модель взаимодействия световых и темновых процессов фотосинтеза. Физиология растений, 1988, т.35, N 2, с.234-243.

7. Караваев, В.А., Кукушкин, А.К., Теоретическая модель световых и темновых процессов фотосинтеза: проблема регуляции. Биофизика, 1993, 38, N 66 с. 958-975.

8. Кузнецова, Е.А., Кукушкин, А.К., Сравнительное изучение медленной индукции послесвечения листьев и хлоропластов. Тезисы докл. 6-й Всесоюз. конф. по фотоэнергетике растений, Львов, 1980, с. 27.

9. Кузнецова, С.А., Кукушкин, А. К., Новый теоретический подход к исследованию регуляторных связей в фотосинтезе. Биофизика, 1999, т. 44, N 3, с. 448.

10. Кукушкин, А.К., Караваев, В.А., Физико-химические механизмы регуляции фотосинтеза: гипотезы, достижения, перспективы. Физическая мысль России, 1995, N 1, с. 17-30.

11. Кукушкин, А.К., Тихонов, А.Н., Лекции по биофизике фотосинтеза растений. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988, 520 с.

12. Лайск, А.Х., Кинетика фотосинтеза С3-растений. Москва. Наука. 1991г.

13. Мак-Кракен, Д., Дорн, У., Численные методы и программирование на ФОРТРАНе. М., "Мир", 1977 г., с. 411.

14. Маторин, Д.Н., Венедиктов, П.С., Рубин, А.Б., Замедленная люминесценция и ее использование для оценки состояния растительного организма. Изв АН СССР, сер биол., 1985, 4, с. 508-520.

15. Молчанов, А.М., Колебательные режимы как частный случай критических режимов. В.сб.: Колебательные процессы в биологических и химических системах, ч.2 Пущино, 1971, с.327-328.

16. Рабинович Е., Фотосинтез, М., ИИЛ, 1959, с.ЮО.

17. Рубин, А. Б., Кренделева, Т. Е., Регуляция первичных процессов фотосинтеза. Успехи биол. химии, 2003, т.43, с. 225-266.

18. Рубин, А.Б., Кононенко, A.A., Пащенко, В.З., Чаморовский, С.К., Венедиктов, П.С., Принципы регуляции и модельные системы первичных процессов фотосинтеза. Итоги науки и техники ВИНИТИ, Биофизика, 1987, 22, М., с.1-212.

19. Сазанов, Л. А., Караваев, В. А., Кукушкин, А .К., Математическая модель регуляции фотосинтеза. Влияние внешних факторов, затухающие колебания. Физическая химия, 1988, т. 62(12), с. 3351-3354.

20. Сазанов, Л. А, Караваев, В.А, Кукушкин, А.К., Математические модели колебательных процессов и медленной индукции флуоресценции в фотосинтезе. Всб: Тр. 5 всесоюзной межуниверситетской конференции "Биология клетки", 4.1. 1987, с. 252-254.

21. Сазанов, JI.A., "Математическое моделирование взаимодействия световых и темновых процессов фотосинтеза ". Диссертация на соискание степени кандидата физ.-мат. наук, Москва, МГУ, 1989.

22. Фотосинтез, под ред. Говинджи, М., Мир, 1987.

23. Чернавский, Д. С., Чернавская, Н. М., Колебательный процесс в биологических и химических системах. М. Наука, 1967, с. 51.

24. Allen, J.F., Redox control of transcription: sensors, response regulators, activators and repressors. FEBS Letters, 1995, v. 332, p. 203-207

25. Allen JF., Photosynthesis of ATP—electrons, proton pumps, rotors, and poise. Cell, 2002, v. 110, p. 273-276.

26. Allen, J.F., Bennett, J., Steinback, K.E., Arntzen, C.J., Chloroplast protein phosphorylation couples plastochinone redox state to distribution of excitation energy between photosystems. Nature, 1981, v. 291, p. 25-29.

27. Anderson, B, Barber, J., Mechanisms of photodamage and protein degradation during photoinhibition of photosystem II. In: Baker NR, ed. Photosynthesis and the environment. Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1996, p. 101— 121.

28. Badger, M. R., Sharkey, T.D., von Caemmerer, S., The relationship between steady -state gas exchange of bean leaves and the levels of carbon reduction-cycle intermediates. Plants, 1984, v. 160, p. 305.

29. Bainbridge, G., Madgwick, P., Parmar, S., Mitchell, R., Paul, M., Pitts, J., Keys, A.J. Parry, M.A.J., Engineering Rubisco to change its catalytic properties. J. of Exp. Botany 1995, v. 46, p. 1269-1276.

30. Bendall, D. S., R.S. Manasse, R.S., Cyclic photophosphorylation and electron transport, Biochim. Biophys. Acta, 1995, v. 1229, p. 23-28.

31. Clarke, J. E., Johnson, G.N., In vivo temperature dependence of cyclic and psuedocyclic electron transport in barley. Planta, 2001, v. 212, p. 808-816.

32. Cleland, W.W., The kinetics of enzyme-catalyzed reactions with two or more substrates or products. I. Nomenclature and rate equations. Biochim. Biophys. Acta, 1963, v. 67, p. 104-137.

33. Cruz, J. A., Avenson, T.J., Kanazawa, A., Takizawa, K., Edwards, G. E., and Kramer, M. D., Plasticity in light reactions of photosynthesis for energy production and photoprotection. J. of Exp. Botany, 2005 v. 56, N. 411, p. 395^06.

34. Depege, N, Bellafiore, S, Rochaix, J.D., Role of chloroplast protein kinase Stt7 in LHCII phosphorylation and state transition in Chlamydomonas. Science, 2003, v. 299, p. 1572-1575.

35. Dietz, K. J., An evaluation of light and C02 limitation of leaf photosynthesis by C02 gas- exchange analysis. Planta, 1986, v. 167, p. 260.

36. Diner, B.A., Babcock, G.T., Structure, dynamics, and energy conversion efficiency in photosystem II. In: Ort DR, Yocum CF, eds. Oxygenic photosynthesis: the light reactions. The Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1996, p. 213-247.

37. Farquhar, G.D., von Caemmerer, S., Berry, J.A., A biochemical model of photosynthetic C02 assimilation in leaves of C3 species. Planta, 1980, v. 149, p. 78-90.

38. Finazzi, G., Rappaport F., Furia, A., Fleischmann, M., Rochaix, J.D., Zito, F., Forti, G., Involvement of state transitions in the switch between linear and cyclic electron flow in Chlamydomonas reinhardtii. EMBO Reports, 2002, v. 3, p.280-285.

39. Forsberg, J., Allen, J.F., Protein tyrosine phosphorylation in the transition to light state 2 of chloroplast thylakoids. Photosynth Res., 2001, v. 68(1), p. 71-9.

40. Fridlyand, L. E., Independent changes of ATP/ADP or pH could cause oscillations in photosynthesis. J. Theor. Biol., 1998, v. 193, p. 739-741.

41. Furbank, R.T., Foyer, C.H, Oscillations in levels of metabolites from the photosynthetic carbon reduction cycle in spinach leaf disks generated by the transition from air to 5% C02. Arch. Biohem. Biophys., 1986, v. 246(1), p. 240-244.

42. Geiger, D.R, Servaites, J.C., Diurnal regulation of photosynthetic carbon metabolism in C3 plants. Annu Rev Plant Phys Plant Mol Biol, 1994, v. 45, p. 235-256.

43. Gepts, P., A comparison between crop domestication, classical plant breeding, and genetic engineering. Crop. Science, 2002, v. 42, p. 1780-1790.

44. Giersch, C., Oscillatory response of photosynthesis in leaves to environmental perturbations: a mathematical model. Arch. Biohem. Biophys., 1986, v. 245(1), p. 263270.

45. Giersch, C., Photosynthetic oscillations: Observations and models. Comments theor. Biol., 1994, v. 3, p. 339-364.

46. Giersh, C., Heber, U., Krause, G.H., Plant membrane transport (Sparswick, R.M., Lucas, V.J., Daity, J., eds.), Elsevier, Amsterdam, 1980, p.65-83.

47. Giordano, M., Beardall., J., Raven, J. A., C02 concentrating mechanisms in algae: mechanisms, environmental modulation, and evolution. Ann. Rev. of Plant Biol., 2005, v. 56, p. 99-131.

48. Gizzatkulov N., Klimov A., Lebedeva G., Demin O., DBsolve7: New update version to develop and analyze models of complex biological systems. Abstracts of the ISMB/ECCB conference, 2004, p. 260.

49. Goldberg D.E., Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning. Addison-Wesley, Reading, M. A., 1989.

50. Golding, A .J., Johnson, G.N., Down-regulation of linear and activation of cyclic electron transport during drought. Planta 2003, v. 218, p. 107-114.

51. Harrison, E.P., Olcer, H., Lloyd, J.C., Long, S.P., Raines, C.A., Small decreases in SBPase cause a linear decline in the apparent RuBP regeneration rate, but do not affect Rubisco carboxylation capacity. J. Exp. Botany, 2001, v. 52, p. 1779-1784.

52. Heldt, H.W., Chon, C.J., Lorimer, G.H., Phosphate requirement for the light activation of ribulose- 1,5-biphosphate carboxylase in intact spinach chloroplasts. FEBS Lett. 1978, v. 92, p. 234-240.

53. Horton, P., Ruban, A., Walters, R., Regulation of light harvesting in green plants. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 1996, v. 47, p. 655684.

54. Horton, P., Nicholson, H., Generation of oscillatory behavior in the Laisk model of photosynthetic carbon assimilation. Photosynth. Res., 1987, v. 12, p. J29-143.

55. Joliot, P., Joliot, A., Cyclic electron transfer in plant leaf. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 2002, v. 99, p. 10209-10214.

56. Joliot, P., Joliot, A., Quantification of cyclic and linear flows in plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 2005, v. 102(13), p. 4913-8.

57. Kanazawa A., Kramer D.M., In vivo modulation of nonphotochemical exciton quenching (NPQ) by regulation of the chloroplast ATP synthase. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 2002, v. 99, p. 12789-12794.

58. Karpinski, S., Reynolds, H., Karpinska, B., Wingsle, G., Creissen, G., Mullineaux, P., Systemic signaling and acclimation in response to excess excitation energy in Arabidopsis. Science, 1999, v. 284, p. 654-657.

59. Knaff, D. B., Ferredoxin and ferredoxin-dependent enzymes. In: Ort D. R., Yocum C. F., eds. Oxygenic photosynthesis: the light reactions. The Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1996, p. 333-361.

60. Kramer, D. M., Cruz, J. A., Kanazawa, A., Balancing the central roles of the thylakoid proton gradient. Trends in Plant Science, 2003, v. 8, p. 27-32.

61. Kurisu, G., Zhang, H., Smith, J. L., Cramer, W. A., Structure of the cytochrome b6 f complex of oxygenic photosynthesis: tuning the cavity. Science 2003, v. 302, p. 10091014.

62. Laisk, A., Eichelmann, H, Oja V., Eatherall, A., Walker, D.A, A mathematical model of the carbon metabolism in photosynthesis. Difficulties in explaining oscillations by fructose 2,6-bisphosphate regulation. Proc.R.Soc.Lond.B, 1989, v. 237, p. 389-415.

63. Laisk, A., Eichelmann, H. Towards understanding oscillations: a mathematical model of biochemistry of photosynthesis. Phil. Trans. R. Soc. London B., 1989, v. 323, p. 369384.

64. Laisk, A., Walker, D. A., Control of phosphate turnover as a rate-limiting factor and possible cause of oscillations in photosynthesis: a mathematical model. Proc.R.Soc.London. B, 1986, v. 227, p. 281-302.

65. Laisk, A., Eichelmann, H., Oja, V, C3 photosynthesis in silico. Photosynthesis Research, 2006, v. 90, p. 45-66.

66. Laisk, A., Siebke, K., Gerst, U., Eichelmann, H., Oja, V., Heber, U.: Oscillations in photosynthesis are initiated and upported by imbalances in the supply of ATP and NADPH to the Calvin cycle. Planta, 1991, v. 185, p. 554-562.

67. Laisk, A., Walker, D.A., A mathematical model of electron transport. Thermodynamic necessity for photosystem II regulation: 'light stomata'. Proc. R. Soc. Lond. B, 1989, v. 237, p. 417-444.

68. Lazar, D., Kana, R., Klinkovsky, T., and Naus, J., Experimental and theoretical study on high temperature induced changes in chlorophyll a fluorescence oscillations in barley leaves upon 2 % C02. Photosynthetica, 2005, v. 43 (1), p. 13-27.

69. Long, S.P., Ainsworth, E.A., Rogers, A., Ort, D.R., Rising atmospheric carbon dioxide: plants face their future. Annual Reviews of Plant Biology, 2004, v. 55, p. 591-628.

70. Long, S.P., Humphries, S., Falkowski, P.G., Photoinhibition of photosynthesis in nature. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 1994, v. 45, p. 633-662.

71. Long, S. P., Zhu, X. G., Naidu, S. L., Ort, D. P., Can improvement in photosynthesis increase crop yields. Plant, Cell and Environ., 2006, v. 29, p. 315-334.

72. Long, S. P., Zhu, X. G., Naidu, S. L., Raines, C.A., Ort, D. P, Limits to efficiencies of primary production constraints and opportunities, In. Yields of Farmed Species (eds.

73. R. Sylvester-Bradley & J. Wiseman). Nottingham University Press. Nottingham, 2005, p. 167-191.

74. Malkin, R., Photosystem I electron transfer reactions-components and kinetics. In:Ort DR,YocumCF, eds. Oxygenic photosyntheseis: the light reactions. The Netherlands: Kluwer Academic Press, 1996, p. 313-332.

75. Malkin, S., Fast photoacoustic transients from dark-adapted intact leaves: oxygen evolution and uptake pulses during photosynthetic induction a phenomenology record. Planta, 1987, v. 171, p. 65-72.

76. Maxwell, K., Johnson, G. N., Chlorophyll fluorescence-a practical guide. J. of Exp. Botany, 2000, v. 51, p. 659-668.

77. McCarty, R.E., An overview of the function, composition and structure of the chloroplast ATP synthase. In: Ort D.R., Yocum C.F., eds. Oxygenic photosynthesis: the light reactions. The Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1996, p. 439-451.

78. Merchant, S., Sawaya, M. R, The Light Reactions: A Guide to Recent Acquisitions for the Picture Gallery. The Plant Cell, 2005, v. 17, p. 648-663.

79. Mitchell, P., Chemiosmotic coupling in oxidative and photosynthetic phosphorylation. Biological Reviews of the Cambridge Philosophical Society, 1966, v. 41, p. 445-502.

80. Muller, P., Li, X.-P., Niyogi, K. K., Non-photochemical quenching. A response to excess light energy. Plant Physiology, 2001, v. 125, p. 1558-1566.

81. Munekage, Y., Hojo, M., Meurer, J., Endo, T., Tasaka, M., Shikanai, T., PGR5 is involved in cyclic electron flow around photosystem I and is essential for photoprotection in Arabidopsis. Cell, 2002, v. 110, p. 361-371.

82. Nedbal, L., Brezina, V., Cerveny, J., Trtilek, M. Photosynthesis in dynamic light: systems biology of unconventional chlorophyll fluorescence transients in Synechocystis sp. PCC 6803. Photosynth. Res. 2005, v. 84, p. 99-106.

83. Nedbal, L., Brezina, V., Complex metabolic oscillations in plants forced by harmonic irradiance. Biophys. J. 2002, v. 83, p. 2180-2189.

84. Ogawa, T., Simple oscillations in photosynthesis of higherplants. Biochim. Biophys. Acta, 1982, v. 681, p. 103-109.

85. Ort, D.R., Yocum, C.F., Light reactions of oxygenic photosynthesis.In: Ort D.R., Yocum C.F., eds. Oxygenic photosynthesis: the light reactions. The Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1996, p. 1-9.

86. Ott, T., Clarke, J., Birks, K, Johnson, G., Regulation of the photosynthetic electron transport chain. Planta, 1999, v. 209, p. 250-258.

87. Paul, M.J., Foyer, C.H., Sink regulation of photosynthesis, J. of Exp. Botany, 2001,v. 52 (360), p. 1383-1400.

88. Petersson, G., Ryde-Petersson, U., A mathematical model of the Calvin photosynthesis cycle, Eur. J. Biochem., 1988, v. 175, p. 661-672.

89. Petersson, R.B., Sivac, M. N., Walker, D.A., Carbon dioxide-induced oscillations in fluorescence and photosynthesis: role of thylakoid membrane energization in regulation of photosystem II activity Plant Physiol., 1988, v. 88, p. 1125-1130.

90. Pyke, K.A., Leech, R.M., Cellular-levels of ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase and chloroplast compartment size in wheat mesophyll-cells. J. of Exp. Botany, 1987, v. 38, p. 1949-1956.

91. Quick, W. P., Neuhaus H. E., The regulation and control of photosynthetic carbon assimilation. In: Foyer, C.H. and Quick, W.P. (eds) A Molecular Approach to-Primary Metabolism in Higher Plants, Taylor and Francis, London, 1997, p. 41-62.

92. Raines, C.A., The Calvin cycle revisited. Photosynthesis Research, 2003, v. 75, 1-10.

93. Raines, C. A., Transgenic approaches to manipulate the environmental response of the C3 carbon fixation cycle. Plant, Cell and Environ., 2006, v. 29, p. 331-339.

94. Rascher, U., Nedbal, L., Dynamics of photosynthesis in fluctuating light. Commentary. Curr. Opin. In Plant Biol., 2006, v. 9, p. 671-678.

95. Rintamaki, E., Martinsuo, P., Pursiheimo, S., Aro, E.-M., Cooperative regulation of LHC II phosphorylation via plastoquinol and ferredoxin-thioredoxin system in chloroplast. Proc. Nat. Acad. USA, 2000, v. 97, p. 11644-11646.

96. Rovers, W., Giersch, C., Photosynthetic oscillations and the interdependence of photophosphorylation and electron transport as studied by a mathematical model. BioSystems, 1995, v. 35 (1), p. 63-73.

97. Ryde-Pettersson, U., Identification of possible two-reactant ources of oscillations in the Calvin photosynthesis cycle and ncillary pathways. Eur. J. Biochem., 1991, v. 198, p. 613-619.

98. Sacksteder C. A., Kanazawa, A., Jacoby M.E., Kramer D.M., The proton to electron stoichiometry of steady-state photosynthesis in living plants: a proton-pumping Q-cycle is continuously engaged. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2000, v. 97, p. 14283-14288.

99. Sage R.F., Variation in the kcat of Rubisco in C-3 and C-4 plants and some implications for photosynthetic performance at high and low temperature. J. of Exp. Botany, 2002, v. 53, p. 609-620.

100. Sazanov, L.A., Burrows, P.A., Nixon P.J., The chloroplast Ndh complex mediates the dark reduction of the plastoquinone pool in response to heat stress in tobacco leaves. FEBS Letters, 1998, v. 429, p. 115-118.

101. Seemann, J.R., Badger, M.R., Berry, J.A., Variations in the specificity activity of ribulose-l,5-bisphosphate carboxylase between species utilizing differing photosynthetic pathways. Plant Physiology, 1984, v. 74, p. 791-794.

102. Sivak, M.N., Walker, D.A., Chlorophyll a fluorescence: can it shed light on fundamental questions in photosynthetic carbon dioxide fixation? Plant Cell Environ, 1985, v. 8, p. 439-448.

103. Sivak, M.N., Walker, D.A., Photosynthesis in vivo can be limited by phosphate supply. New Phytol. 1986, v. 102, p. 499-512.

104. Sorokin, E.M., Decay of luminescence of chlorophyll a light-collecting molecules. Photosynthetica, 1978, v. 12(3), p. 250.

105. Stitt, M., Metabolite levels during induction in the chloroplast and extrachloroplast compartments of spinach protoplasts. Biochim. Biophys. Acta 1980, v. 593(1), p. 85102.

106. Stitt, M., Grosse, H., Woo, K.-C., Interactions between sucrose synthesis and C02 fixation. II. Alterations of fructose 2,6-bisphosphate during photosynthetic oscillations. J. Plant Physiol., 1988, v. 133, p. 138-143.

107. Strehler, B., Arnold, W.A., Light production by green plants. J. Gen. Physiol., 1951, v. 34, p.809-820.

108. Teusink, B., Walsh, M.C., van Dam, K., Westerhoff, H.V., The danger of metabolic pathways with turbo design. Trends in Biochemical Sciences, 1998, v. 23, p. 162-169.

109. Veljovic-Jovanovic, S., Cerovic, Z.G., Induction of oscillations in chloroplasts fluorescence by re-illumination of intact isolated pea chloroplasts. Planta, 1991, v. 185, p. 397-400.

110. Vener, A.V., Ohad, I., Andersson, B., Protein phosphorylation and redox sensing in chloroplast thylakoids. Curr. Opin. Plant Biol., 1998, v.l, p. 217-223.

111. Walker, D.A, Sivak, M. N., Can phosphate limit photosynthetic carbon assimilation in vivo? Physiol. Veg., 1985, v. 23, p. 829-841.

112. Walker, D.A., Concerning oscillations. Photosynthesis Research, 1992,. 34, p. 387395.

113. Walker, D.A., Sivak, M.N., Prinsley, R.T., Cheesbrough, J.K., Simultaneous measurement of oscillations in oxygen evolution in chlorophyll a fluorescence in leaf pieces. Plant Physiol, 1983, v. 73, p. 542-549.

114. Wollman, F.-A., State transitions reveal the dynamics and fexibility of the photosynthetic apparatus. EMBO Journal, 2001, v. 20(14), p. 3623-3630.

115. Woodrow, I. E., Berry, J. A., Enzymic regulation of photosynthetic C02 fixation in C3 plants. Annu. Rev. Plant. Physiol. Plant. Mol. Biol., 1988, v.39, p. 533-594.

116. Zhang, H., Whitelegge, J.P., Cramer, W.A., Ferredoxin:NADP+ oxidoreductase is a subunit of the chloroplast cytochrome b6f complex. J. Biol. Chem., 2001, v. 276, p. 38159-38165.