Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Теоретическое исследование взаимодействия фотодыхания с темновыми и световыми процессами фотосинтеза

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Теоретическое исследование взаимодействия фотодыхания с темновыми и световыми процессами фотосинтеза"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 577.3

ЗАКИРЬЯНОВ Фарит Касирович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФОТОДЫХАНИЯ С ТЕМНОВЫМИ И СВЕТОВЫМИ ПРОЦЕССАМИ ФОТОСИНТЕЗА

03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1993 г.

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Л.К.Кукушкин.

'„■фициалыше оппоненты: доктор физико-математических наук Ризничешсо Г.Ю.

кандидат физико-математических наук Мелихова K.M.

ведущая организация: Институт химической физики им. H.H.Семенова РАН

'{пиита состоится " 2.0 " А\ 993 года в /6 часов ЗО минут на заседании Специализированного совета № „ otf.ii' (к. .060.05.77) в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: !1'.>ь9у, Москва, ГСП, Воробьевы горы, МГУ, ■ают1?с!сии факультет, ауд. СФ/\ .

и диссертацией можно ознакомиться е оиблиотеке физического Факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

автореферат разослан

•а? ••

1993 года.

«¡X

учешй секретарь спецсоЕ^та N ^имт в МГУ, канд. ({из.-мзт. йаук' / ... .* \''A''l Т.М

Козлова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Фотосинтез является одним из важнейших биологических процессов в природе. Детальное изучение принципов молекулярной организации и физических основ функционирования фотосинтетического аппарата (ФСА) необходимо для понимания фундаментальных закономерностей преобразования энергии света в растительной клетке. Знание принципов и механизмов регуляторных процессов в фотосинтезе может способствовать решению практических задач, связанных о повышением продуктивности сельскохозяйственного производства, с развитием биотехнологии, с решением ряда экологических проблем и т.п..

Многолетние исследования фотосинтеза, проводимые в различных лабораториях мира, привели к значительному прогрессу в понимании структурной и функциональной организации ФСА высших растений. Выяснены основные закономерности преобразования световой энергии при фотосинтезе, детально изучена структура макромолеадлярных сштособиращих и электрон-транспортных комплексов. Значительные успехи достигнуты в исследовании механизмов энергетического сопряжения реакций электронного транспорта с процессами запасания энергии в хлоропластах - энерго-преобразущих органеллах растительной клетки. Расшифрована метаболические пути темповых стадий фотосинтеза, обеспечивающих фиксацию углекислоты хлоропластами. Однако до последнего времени остается нерешенным ряд принципиальных вопросов, связанных с выяснением физических основ регуляции световых и тем-новых процессов фотосинтеза.

Одна из наиболее острых проблем в исследовании фотосинтеза •■ это проблема фотодыхания б С3-растениях. Последние 10-15 лет эта проблема исследуется очень интенсивно. Многие стороны фотодыхательного газообмена, биохимическая основа, его вызывающая, стали ясны в большей мере. Вместе с тем, до сих пор непонятны биологическая целесообразность этого процесса, а также механизмы сопряжения световых и темновых процессов фотосинтеза, участвующих в регуляции фотодохания. Основная трудность, стоящая на пути решения этих проблем, заключается в том, что используемые экспериментальные метода исследования фотодахания по газооомену не вполне адекватны для раздельной оценки влияния кислорода на ФСЛ растений на уровне рибулозобисфосфат-оксиге-назной реакции , с одной стороны, и электрон-транспортной цепи ( реакции Мелера ) - с другой. В связи с этим возникла необходимость теоретического исследования вшеобозначенных проблем путем разработки соответствующей математической модели с учетом экспериментально установленных фактов о структурно-функциональ-пой организации ФСЛ высших растений.

итмеченше проблемы определили задачи данной работы, посвященной теоретическому исследованию взаимодействия фотодахания с темновыми и световыми реакциями фотосинтеза. Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется следующим:

- исследование особенностей фотосинтетического метаболизма в условиях различной кислородной обеспеченности имеет, помимо Фундаментального, важное прикладное значение;

- ограниченность имеющихся экспериментальных методов исследования кислородного метаболизма с необходимостью ведет к применению методов компьютерного моделирования для исследования

системы фотосинтетических реакций.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы было выяснение регуляторных механизмов сопряжения реакций гликолатного пути фотодахания с темновыми реакциями цикла Кальвина и совокупностью световых реакций фотосинтезирукщих клеток высших растений. Проведенная работа была связана с решением ряда конкретных задач:

- разработка математической модели фотосинтеза, адекватно описывающей как световые процессы, так и темновые, включая цикл Кальвина и реакции фотодахательного метаболизма;

- изучение зависимости продуктивности фотосинтеза от внешних факторов: а) исследование зависимости выхода фотосинтеза ( поглощения СС>2 ), интенсивности фотодахания и флуоресценции от условий освещения, б) исследование зависимости чистого поглощения С02, интенсивности фотодыхания и флуоресценции при различных концентрациях кислорода и углекислого газа в среде, в) исследование световых кривых фотосинтеза в зависимости от концентрации кислорода;

- изучение переходных процессов фотосинтеза при резких изменениях газового состава среда ( концентраций С02 и 02 ) и выяснение регуляторных механизмов при переходных процессах;

- изучение колебательных режимов фотосинтеза и выяснение влияния ксщентрвдаи кислорода на характер колебаний параметров фотосинтетического аппарата;

- изучение изменений сигнала ЭПР1 и степени тушения флуоресценции при различных интенсивностях фотодахания и скоростях реакции Мелера ( окисление акцепторов фотосистемы I молекулярным кислородом ).

Научная новизна работы. В литературе в настоящее время

имеется значительное число результатов, по данной проблеме. Основные результаты нашей работы являются новыми. В работе выявлены основные факторы регуляции системы фотосинтетических реакций - распределение потока электронов в электрон-транспортной цепи мезду восстановлением а также

циклический электронный транспорт в фотосистеме I. Показано, что в момент включения света, когда темновые реакции восстановления СО2 еще не активированы, инициируется нециклический электронный транспорт, связанный с поглощением кислорода в ооеих фотосистемах. При этом фотопоглощение кислорода конкурирует с восстановлением МВР+. Фактором, определяющим распределение штока электронов между этими двумя конкурирующими процессами, является активность работы цикла Кальвина. Модельные решения свидетельствуют о том, что снижение выхода фотосинтеза с повышением интенсивности реакций гликолатного пути фотодахания связано с переориентацией всей системы реакций для обеспечения выхода на новый стационарный уровень, который характеризуется меньшей эффективностью и увеличением интенсивности стационарной флуоресценции. Локазано, что величина углекислотного компенсационного пункта является зависимой от интенсивности возбуждающего света и концентрации кислорода. В ходе исследования колеоаний при фотосинтезе выявлена демпфирующая роль фотодыхательной цепи реакций, связанная с уменьшением потока электронов в циклическом электронном . транспорте. Показано , что главным регуляторным механизмом, контролирующим продуктивность фотосинтеза при изменении внешних условий, является конкуренция между СО? и О,, за субтрат рибулозобисфос-фат. Полученные результаты качественно согласуются с эксперимента лышми. . .

Практическая и научная ценность. Полученные в работе результаты вносят вклад в понимание механизмов регуляции фотосшггетических процессов в клетках высших растений. Предложшшй способ описания кинотики световых и темновых реакций ФСА может найти практическое применение в лабораториях биофизического и биохимического профиля, в которых исследуются проблемы адаптации растений к изменяющимся условиям окружающей среда, проблемы повышения продуктивности различных сортов и видов сельскохозяйственных культур. Предложенная модель взаимодействия световых и темновых стадий фотосинтеза может Оитъ использовала для дальнейших более строгих описаний этих процессов с более полним учетом фотодыхательного азотного цикла растошгл.

Лиребоцяя работа и пубхк.чаь^чи. Материалы диссертации докладивились на семинарах кафедры биофизики физического факультета !ЛГУ, па IV Всесоюзном совещании "Люшшесцентшй анализ в медицине и биологии и его аппаратное обеспечение" и изложена в трех публикациях.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация представляет собой рукопись на (С>У страницах, включая 3.3 рисунков. Список литература включает /^наименований.

СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой теш, формулируются основные задачи и цели исследования, отмечается научная новизна полученных результатов.

Первая глава представляет собой обзор литературы по теме диссертационной работы. В разделе 1.1 изложены современные представления о фотосинтезе и фотодахания высших растений. Дано описание световых и темновых стадий фотосинтеза.

В разд.1.2 рассмотрены общие принципы регуляции биологических систем на различных уровнях. Описаны общие теоретические результаты, полученные с помощью математических моделей. Рассмотрены колебательные явления в оиологических системах и условия их возникновения.

В разд.1.3 описываются теоретические модели фотосинтеза и . фотодыхания, с той или иной полнотой учитывающие известные данные о строении ФСА растений. Рассмотрены модели без учета и с учетом световых процессов. С помощью последних описываются не только стационарные, но и переходные процессы в фотосинтезе, в частности, колебательные процессы, в которых наиболее полно проявляются существуювде в модели регуляторные связи. Отмечено, что несмотря на значительное число разработанных моделей фотосинтеза, ни одна из них не дает полного учета взаимодействия первичных и вторичных процессов, в том числе не объясняет адекватно механизм возникновения колебаний при переходных процессах и влияние многочисленных внешних факторов на эти процессы. Поэтому целью работы было описать более широкий, чем ранее, круг явлений связанных с взаимодействием первичных и вторичшх процессов фотосинтеза, в особенности, влияние фотодыхания на фотосинтетаческие процессы.

Вторая глава посвящена описанию метода исследования: в ней изложена рассматриваемая модель фотосинтеза и фотодыхания. Данная модель является .дальнейшим развитием модели для первичных процессов, предложенной ранее в работах А.К.Кукушкина

с соавторами. С целью учета темновых процессов (цикла Кальвина) эта модель была расширена в работах В.А.Караваева и др. Для учета фотодахательного метаболизма (гликолатного пути) эта модель была расширена наш. Схема модели представлена на рис.1.

Световые процессы описываются на основе общепринятой 2-схемы первичных процессов фотосинтеза высших растений и водорослей, а также концепции фотосинтетической единицы. Модель включает пять переносчиков электрон-транспортной цепи (ЗГЦ)реакционные центры (РЦ) фотосистем (ФС) I и II {ЩъЩ), первичные акцепторы электронов ФС1 и ФСП (Ф и 0) и обобщенный пул переносчиков электронов между обеими ФС (и). РЦ1 и РЦП могут находиться в окисленном (и возбужденном ( ЗГ1 * ) состояниях, получая энергию возбуждения от молекул пигмента (хлорофилла), которые в свою очередь возбуждаются ( ЗГ1г ) квантами света ( ).

Для учета вторичных процессов в модель введены 5 интермедиатов цикла Кальвина ( фосфоглицерат - ФГК, 1,3-дифос-фоглицерат - ДФГК, фосфоглэдериноЕый альдегид - ФГА, рибулоэо-1,5-бисфосфат - РуБФ, рибудозо-5-фосфат - Р5Ф ) и 4 интермедиа-та гликолатного пути фотодихания ( фосфэгликолат - ФГ, глицин -Гли, глицерат - ГК и углекислота фотодыхания - С02 ). Такое количество интермедиатов является минимальным, позволяющим адекватно описать реакции с участием внешних реагентов ( С02, 02, АТФ, НАБРН ). В модели учтено производство АТФ в двух пунктах сопряжения, расход АТФ в реакциях цикла Кальвина и гликолатного пути, окисление акцепторов Фай кислородом воздуха, перенос энэргии возбуждения с ФСП на ФС1 по механизму "спилловера". Аналогом НАСРН в темновых процессах является восстановленный акцептор Ф~. Продукты фотосинтеза на рис.1

обозначены X.

С учетом приведенных реакций, закона действующих масс и стехиометрических соотношений получена система 15-ти нелинейных дифференциальных уравнений для переменных

2, = 10 (£-!,) 21 2,=слад+ол - (и 22

23 = + 0.1 Риа

г, = Рмга2и -(р1г(Рсс+ +Рог)?9

±п - (2 Ра (рсь+ ( ^

2-1г = - /?;>

¿ЛЗ = ¿. = ^

• ас

с = ЛС(1-2М [0Л(В+Ь)^с(1-Е1 )]ь1лЕо2А г (В+Ъ) ЧОС^ Ес {1-1М1' )

г Иа(Р^Т>£1)и-23) + [о.1С + Н»(1-2,)]

п _ д+ СХ£2 . с

В+МОСк-Ъ) ' Ь+МНоЦ-Ъ)-

Переменные и обозначают: Е, ,Е2 - концентрации

светособиракщих пигментов и РЦ ФОН в возбужденном состоянии; Е3,Е4 - то же для ФС1; - относительные концентрации окис-

ленных РЦИ и восстановленных первичных акцепторов ФСН; - ю же для ФС1; '¿^ - относительная концентрация восстановленных переносчиков между ФС1 и ФСИ; - концентрации ДФГК, Ф1'А, Р'ЬФ, РуВФ, ФГК, ЛТФ, ФГ, 1'ли, ГК, С02 фотодахания соответ-ствешо в нормировке на общоэ число ИД. Переход к временной

о

переменной СгЧ ( т.е. к миллисекундам ) осуществлен в связи с тем, что реакции первичных процессов имеют характерные времена порядка миллисекунд.

Параметры в уравнениях характеризуют скорости соответствующих реакций, изображенных на рис.1. А к ? соответствуют числу квантов света, поглощаемых в ФСП и ФС1 за 1 секунду на 1 молекулу пигмента. Ец - число акцепторов электронов и и0 -число переносчиков зектронов в расчета на один РЦП. В конца второй главы пригодятся численные значения параметров и начальных условий.

В третьей главе изложены основные результаты работы и их обсуждение.

Газдел 3.1 посвящен моделированию индукционных кривых фотосинтеза при включении света. В п.3.1.1 исследуются изменения окислительно-восстановительного состояния переносчиков ЭТЦ и концентраций интермедаатов темновых процессов. Индукционные кривые фотосинтеза (МКФ) моделировались в предположении о темновой адаптации системы фотосинтеза. Показано, что по мере увеличения ЭТ на кислород ( при росте 10^1 в среде ) использование ОТ в темновых реакциях уменьшается. Анализ полученных

результатов показывает, что включение ЗТ на о, при лимитированном использовании Ф~ в цикле Кальвина поддерживает нециклический ЭТ и обеспечивает необходимый уровень производства АТФ, позволяя достичь больших интенсивностей света без перехода в нерабочее состояние. Полученные зависимости имеют экспериментальное подтверждение и согласуются с обсуждаемой в литературе ролью псевдоциклического ЭТ на кислород.

С ростом оксигеназной активности фермента рибулозооисфос-фат-карбоксилазы-оксигеназы наблюдается снижение скорости фотосинтеза, сопровождаемое увеличением стационарной флуоресценции. В присутствии кислорода в среде фотосинтетическая фиксация С02 в цикле Кальвина еыходит на новый стационарный уровень для обеспечения переориентации использования АТФ и 1Ш)РН с восстановления С02 на совместное функционирование цикла Кальвина и гликолатного пути фотодыхашя.

I Показано, что фактором, определяющим распределение потока вектронов в ЭТЦ на восстановление ИАБР+ или 09, является Ьктивность работы цикла Кальвина - в случае "недозагружеяности" 1т восстановлением С02 активируется фотопоглощение кислорода в ■ГЦ. Конкуренция между С02 и О^ является, таким образом, одним к главных регуляторннх механизмов.

В В п.3.1.2 представлены результаты по моделированию кривой Идленной индукции флуоресценции (МИФ). Отмечено, что вид Иивой МИФ определяется несколькими факторами: условиями ^Ьещения, газовым составом среды и др. В рассматриваемой ^■оте основным фактором, определяющим вид кривых МИФ являлось ^Вимодействие световых и темновых стадий фотосинтеза. На ^Иовании расчетных кривых МИФ для различных скоростей темновых ^мессов построена зависимость времени половинного тушения

флуоресценции Т/д от скоростей: темновых реакций: при уменья нии последних 1резко увеличивается, достигая величин, срг нимых с экспериментальными ( рис.2 ). Такие относительно 60.1 шие по сравнению с характерными временами элементарных ака времена переходных процессов обусловлены возникавдими в сложе системе нелинейными взаимодействиями отдельных стадий фотосг теза.

В разделе 3.2 рассматриваются регуляторные взаимодейси световых и темновых реакций фотосинтеза при переходных проце сах. Здесь рассматриваются переходные процессы при резкой сме газового состава среды ( рис.3 ). При этом на модели получЕ перехлесты флуоресценции при изменениях концентраций С02 и С качественно согласующиеся с наблюдаемыми экспериментально. У1 личение отношения Ро2/рС02 вызываэт увеличение уровня АТФ|

системе и уменьшение концентраций ФГК и ДФГК и соответствую увеличение концентраций Ф~ и О-, что приводит к увеличению оресценции. Усиливающиеся при этом циклический и нецикличеЛ ЭТ вызывают увеличение содержания АТФ, в результате чего рость ФГК-киназной реакции возвращается к прежнему уровню, и проявляется в обратном увеличении 1ДФГЮ и уменьшении Ю-] и флуоресценции ( рис.3 ). Перехлесты при уменьшении шения Ро2/,рС02 имеют противоположную направленность.

Раздел 3.3 посвящен исследованию колебательного рея фотосинтезе. Колебания в модели связаны с наличием отриц! ной обратной связи через ЫАЮН (й^) и АТФ (г, 1) мевду ско| ми ЭТ и цикла Кальвина. Показано, что ключевыми для возн ния колебаний являются реакции циклического ЭТ, при эт<] больше вклад циклического штока по сравнению с нецикличЛ

Рес. '¿. 1-ав»сзоо7ь врекенп половинного туг.епия ■¡'луоое^ценц.:;: от ско:;ссгеГ: текновых реакций.

Рис.3. Перехлесты флуоресценции пои изменен/.:! газового состава соеды. Штриховая лиь.гя соответствует отсутствию кислооода.

общий ЭТ, тем сильнее проявляются колебания. Как и в экстр!

менте, проявлению колебаний способствуют увеличение интенсивнс

сти света и ЮС^З и уменьшение 10^]. Влияние кислорода г

колебания моделировалось изменением параметров Рд , Р^ , Р«

2 21 2<

С ростом концентрации кислорода происходит увеличение отто? электронов от Ф~ и СГ на кислород, вследствие чего уменьшаете скорость циклического ЭТ, и, следовательно, ослабляютс колебания ( рис.4 ). Полученные результаты имеют экспе риментальное подтверждение. Как и в эксперименте, так и модели колебания флуоресценции и поглощения С02 сдвинуты г фазе примерно на 90°.

В разделе 3.4 исследовалось влияние внешних факторов ъ продуктивность фотосинтеза. В п.3.4.1 рассматриваются световк кривые фотосинтеза (СКФ) при различных концентрациях кислородЕ Моделирование СКФ согласуется с экспериментом. Зависимости да стационарных значений продуктивности фотосинтеза пос: начального возрастания выходят на плато ( рис.5 ). Сигмоидал! ность СКФ на начальном участке объясняется тем, что при низю интенсивностях света скорость ЭТ недостаточна для поддержан! регенерации РуБФ на уровне, необходимом для накопления это1 интермедиата. Насыщение объясняется ограниченной пропуски способностью цикла Кальвина при данных значениях параметре! Уменьшение продуктивности фотосинтеза при росте концентрат кислорода вызвано тем, что значительная доля электронов идет I восстановление кислорода в пределах ЭТЦ, а такие уменьшение скорости регенерации РуБФ из-за гликолатного пути фотодахани* Интенсивность фотодахания (^5) растет с ростом интенсивносо света, что согласуется с экспериментальными данными.

Р;1с.4. Колебания флуоресценции поз наличии и отсутствий /штшшнзая линия/ кислорода в оЬеде.

Рис.5. Световые кривые фотосинтеза. I - продуктивность фотосиьтеза; штриховая линия соответствует отсутствии кислооода. 2 - интенсивность фот'одыхаьия.

Зависимость продуктивности от газового состава сред рассмотрена в п.3.4.2. Как видно из рис.6, эта зависимость аналогично СКФ, имеет два четко выраженных участка. Следуе ойратить внимание на то, что фотодахние не насыщается с повыше нием концентрации кислорода. Это связано с тем, что с роете ¡0^1 оольшо углерода отвлекается в гликолатный путь фотодахг ння. При этом в цикле Кальвина скорость потребления N41)1 уменьшается, что приводит к уменьшению скоростей ЭТ.

Показало также, что при изменениях интенсивности света газового состава среды продуктивность фотосинтеза коррелиру со степенью тушения флуоресценции. Таким образом, степе: тушения флуоресценции может служить мерой продуктивное Фотосинтеза.

8 заключении отмечены некоторые важные аспекты проблемат км работы и перечислены основные выводы: !. Предложена модель, поведение которой качественно согласует со всей совокупностью имеющихся экспериментальных данных, предложенном се видо учет фотодыхания является минималы достаточным для правильного описания экспериментальных резуо татов.

?.. Моделирование световых, углекислотных и кислородных крш фотосинтеза качественно согласуется с экспериментом. Зависим« ти для стационарных значений продуктивности фотосинтеза интенсивности света и концентрации С02 после начального возр; гения выходят на плато.

3. Полученные характерные времена индукционных процессов хор согласуются с экспериментальными данными. Сделан вывод о т что на эти времена, наряду со скоростями электронн транспорта, влияют и скорости темновых процессов.