Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Теоретическое исследования взаимодействия фотодыхания и с темновыми и световыми процессами фотосинтеза

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

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

рго од

. / "> Г11

1 7 да

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 577.3

ЗАКИРЬЯНОВ Фарит Кабирович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФОТОДЫХАНИЯ С ТЕМНОВЫМИ И СВЕТОВЬШИ ПРОЦЕССАМИ ФОТОСИНТЕЗА

03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1993 г.

Работа выполнена на кафедре оиофизики физического факультета Московского государственного университета им. М.Ь'Ломоносова.

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

'инициальные оппоненты: доктор физико-математических наук Ризниченко Г.Ю.

кандидат физико-математических наук Мелихова Ь'.М.

¡.'едущая организация: Институт химической физики им. Н.Н.Семенова РЛН

'■'пщкта состоится 1993 года

п /£" ".псов ЗС минут на заседании Специализированного совета М° - УШ.' (й..0Ьо.05.г/7) в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: !!',>Ь99, Москва, ГСП, Воробьевы горы, Ш'У, •згсаческии факультет, ауд. СФД .

с диссертацией можно ознакомиться в оиблиотеке физического факультета .МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан

1993 года.

Ученый секретарь спецсоЕета N 3 ОФТТ

в Ш'У, канд. физ.-мат. наук ^ 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 регуляторннх процессов в фотосинтезе может способствовать решению практических задач, связанных с повышением продуктивности сельскохозяйственного производства, с развитием биотехнологии, с решением ряда экологических проблем и т.п..

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

Одна из наиболее острых проблем в исследовании фотосинтеза - это проблема фотодыхания в 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 фотодахашя. Основная трудность, стоящая на пути решения этих проблем, заключается в том, что используемые экспериментальные методы исследования фотодыхания по газооомену не Еполне адекватны для раздельной оценки влияния кислорода на ФСЛ растений на уровне рибулозобисфосфат-оксиге-нззной реакции , с одной стороны, и электрон-транспортной цепи ( реакции Мелера ) - с другой. В связи с этим возникла необходимость теоретического исследования вышеобозначенных проблем путем разработки соответствующей математической модели с учетом экспериментально установленных фактов о структурно-функциональной организации ФСЛ высших растений.

итмеченные проблемы определили задачи данной работы, посвящеиюй теоретическому исследованию взаимодействия фотодыхания 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 фотодыхания с темновыми реакциями цикла Кальвина и совокупностью световых реакций фотосинтезирующих клеток высших растений. Проведенная работа была связана с решением ряда конкретных задач:

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

- изучение зависимости продуктивности фотосинтеза от внешних факторов: а) исследование зависимости выхода фотосинтеза ( поглощения СС>2 ), интенсивности фотодыхания 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 среды ( концентраций С02 и 02 ) и выяснение регуляторных механизмов при переходных процессах;

- изучение колебательных режимов фотосинтеза и выяснение

у

влияния концентрации кислорода на характер колебаний параметров фотосинтетического аппарата;

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

Научная новизна работы. В литературе в настоящее время

имеется значительное число результатов, по данной проблеме. Основные результаты нашей работы являются новыми. В работе выявлены основные факторы регуляции системы фотосинтетических реакций - распределение потока электронов в электрон-транспортной цепи между восстановлением М1)Р+, а также циклический электронный транспорт в фотосистеме I. Показано, что в момент включения света, когда темновые реакции восстановления С02 еще не активированы, инициируется нециклический электронный транспорт, связанный с поглощением кислорода в обеих фотосистемах. При этом фотопоглощение кислорода конкурирует с восстановлением МЛВР+. Фактором, определяющим распределение потока электронов между этими двумя конкурирующими процессами, является активность работы цикла Кальвина. Модельные решения свидетельствуют о том, что снижение выхода фотосинтеза с повышением интенсивности реакций гликолатного пути фотодыхания связано с переориентацией всей системы реакций для обеспечения выхода на новый стационарный уровень, который характеризуется меньшей эффективностью и увеличением интенсивности стационарной флуоресценции. Показано, что величина углекислотного компенсационного пункта является зависимой от интенсивности возбуждающего сЕета и концентрации кислорода. В ходе исследования колеоании при фотосинтезе выявлена демпфирующая роль фотодыхателыюй 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 С09 и за субтрат рибулозобисфос-фат. Полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными.

Практическая и научная ценность. Полученные в ргботе результаты вносят вклад в понимание механизмов регуляции фотосинтетических процессов в клетках высших растений. Предложенный способ описаш1Я кинетики световых и темповых реакций ФСЛ мокет найти практическое применение в лабораториях биофизического и биохимического профиля, в которых исследуются проблемы адаптации растений к изменяющимся условиям окружающей среды, проблемы повышений продуктивности различных сортов и видов сельскохозяйственных культур. Предложенная модель взаимодействия светоЕых и темновых стадий фотосинтеза может быть использована для дальнейших более строгих описаний этих процессов с более ползши учетом фотодыхателыюго азотного цикла растений.

;\прс<3сцяя ргбота и публикации. Материалы диссертации докладывались на семинарах кафедры биофизики физического Сякультота ИГУ, на IV Всесоюзном совещании "Люминесцентный анализ в медицине и биологии и его аппаратное обеспечение" и излечена в трех публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация представляет собой рукопись на страницах, включая

рисунков. Список литературы включает наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой темы, 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 фотодыхании 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 существующие 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 вторичных процессов фотосинтеза, в особенности, влияние фотодыхания на фотосинтетические 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 фотодыхательного метаболизма (гликолатного пути) эта модель была расширена нами. Схема модели представлена на рис.1.

Световые процессы описываются на основе общепринятой г-схемы первичных процессов фотосинтеза высших растений и водорослей, а также концепции фотосинтетической единицы. Модель включает пять переносчиков электрон-транспортной цепи (ЭТЦ):реакционные центры (РЦ) фотосистем (ФС) I и II (Эй 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 (.77^) и возбужденном ( ЗГ1 * ) состояниях, получая энергию возбуждения от молекул пигмента (хлорофилла), которые в свою очередь возбуждаются ( ЗГ,* ) квантами света ( М{г).

Для учета вторичных процессов в модель введены 5 интермедиатов цикла Кальвина ( фосфоглицерат - ФГК, 1,3-дифос-фоглицерат - ДФГК, фосфоглицериновый альдегид - ФГА, рибулоэо-1,5-бисфосфат - РуБФ, рибулозо-5-фосфат - Р5Ф ) и 4 интермедиа-та гликолатного пути фотодыхания ( фосфогликолат - 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, КАБРН ). В модели учтено производство АТФ в двух пунктах сопряжения, расход АТФ в реакциях цикла Кальвина и гликолатного пути, окисление акцепторов Ф и 0 кислородом воздуха, перенос энергии возбуждения с ФСП на ФС1 по механизму "спилловера". Аналогом Ш)РН 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

= Юй,£0Ег (1-1г)~ (Ав Е02^Рг)11

Ъ = Ш<Е< {1-1,) ~{ет1, + 0.1 ри015)ZJ % = Ц-*<)-(Сш Е3+0.1 Р3 и ~15)+ +& 21г)ЕА

¿г = ( + 0.1Р13)15

¿8 = Р1с1717 ~

¿9 = Ри 2x1 ~

= (ол РГ( ри0 +РГР, -

¿.¡2 = ~ ^

213 = ¿.= ^±-,1=1 15

¿Л - Р3^-13¿13 -R.iiZ.uZn ^15 - ~ 8и

С _ /¿А)+ Га/Ц- )]Ь1ВЕоI\ 1г

с Но(р+Т>е№-2з) + + Но(1-Ъ)] б/вЪЕ* г А+ Сх£2 . г

Переменные Ь^-Е^ и Ъ^-Ъ^ обозначают: Е^ - концентрации светособирающих пигментов и РЦ ФСП в возбужденном состоянии; Е3,Е4 - то же для ФС1; - относительные концентрации окис-

ленных РЦП и восстановленных первичных акцепторов ФСП; - то же для 'К!; '¿^ - относительная концентрация восстановленных переносчиков между ФС1 и ФСП; - концентрации ДФГК, Ф1'Л, РЬФ, РуБФ, ФГК, ЛТФ, ФГ, Гли, ГК, С02 фотодыхания соответственно в нормировке на общее число РЦ1. Переход к времешзой переменной Г-103г ( 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 и Р соответствуют числу квантов света, поглощаемых в ФСП и ФС1 за 1 секунду на 1 молекулу пигмента. Ед - число акцепторов электронов и и^ -число переносчиков эектронов в расчете на один РЦП. В конце второй главы приводятся численные значения параметров и начальных условий.

В третьей главе изложены основные результаты работы и их оосуждение.

Раздел 3.1 посвящен моделированию индукционных кривых фотосинтеза при включении света. В п.3.1.1 исследуются изменения окислительно-восстановительного состояния переносчиков ЭТЦ и концентраций интермедиатов темновых процессов. Индукционные кривые фотосинтеза (ИКФ) моделировались в предположении о темновой адаптации системы фотосинтеза. Показано, что по мере увеличения ЭТ на кислород ( при росте Ю2] в среде ) использование Ф~ в темновых реакциях уменьшается. Анализ полученных

результатов показывает, что включение ЭТ на 02 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 рибулозобисфэс-фат-карбоксилазы-оксигеназы наблюдается снижение скорости фотосинтеза, сопровождаемое увеличением стационарной флуоресценции. В присутствии кислорода в среде фотосинтетическая фиксация СС>2 в цикле Кальвина еыходит на новый стационарный уровень для обеспечения переориентации использования АТФ и МВРН с восстановления С02 на совместное функционирование цикла Кальвина и гликолатного пути фотодахания.

Показано, что фактором, определяющим распределение потока эектронов в ЭТЦ на восстановление №АСР+ или 02, является активность работы цикла Кальвина - в случае "нэдозагруженности" ЭТ восстановлением С02 активируется фотопоглощение кислорода в ЭТЦ. Конкуренция между С02 и 02 является, таким образом, одним из главных регуляторных механизмов.

В п.3.1.2 представлены результаты по моделированию кривой медленной индукции флуоресценции (МИФ). Отмечено, что вид кривой МИФ определяется несколькими факторами: условиями освещения, газовым составом среды и др. В рассматриваемой работе основным фактором, определяющим вид кривых МИФ являлось взаимодействие световых и темновых стадий фотосинтеза. На основании расчетных кривых МИФ для различных скоростей темновых процессов построена зависимость времени половинного тушения

флуоресценции от скоростей темновых реакций: при уменьшении последних Т1/г резко увеличивается, достигая величин, срав-шмых с эксперименталышми ( рис.2 ). Такие относительно большие по сравнению с характерными временами элементарных актов времена переходных процессов обусловлены возникающими в сложной системе нелинейными взаимодействиями отдельных стадий фотосинтеза.

В разделе 3.2 рассматриваются регуляторные взаимодействия световых и темновых реакций фотосинтеза при переходных процессах. Здесь рассматриваются переходные процессы при резкой смене газового состава среды ( рис.3 ). При этом на модели получены перехлесты флуоресценции при изменениях концентраций С02 и 02, качественно согласующиеся с наблюдаемыми экспериментально. Увеличение отношения Р0 /Рсо вызывает увеличение уровня АТФ в 2 2

системе и уменьшение концентраций ФГК и ДФГК и соответствующее увеличение концентраций Ф~ и СГ, что приводит к увеличению флуоресценции. Усиливающиеся при этом циклический и нециклический ЭТ вызывают увеличение содержания АТФ, в результате чего скорость ФГК-киназной реакции возвращается к прежнему уровню, что и проявляется в обратном увеличении [ДФГК] и уменьшении [ф~], [СГ] и флуоресценции ( рис.3 ). Перехлесты при уменьшении отношения Ро2/РС02 имеют противоположную направленность.

Раздел 3.3 посвящен исследованию колебательного режима при фотосинтезе. Колебания в модели связаны с наличием отрицательной обратной связи через МБРН (г4) и АТФ (г^) между скоростями ЭТ и цикла Кальвина. Показано, что ключевыми для возникновения колебаний являются реакции циклического ЭТ, при этом чем больше вклад циклического потока по сравнению с нециклическим в

и

\\

\\ н \

—

i 2 з- Р

Р;:с. ■! луопе"ш;нц. половинного ту::с :: от скилос/еГ те;.новчх п'М.

реакции

Рис.о. Перехлесты флуоресценции пои г:зл;енеы;:,-; газового состава среды. Штриховая лиьля соответствует отсутствию кпслоэода.

общий ЭТ, тем сильнее проявляются колебания. Как и в эксперименте, проявлению колебаний способствуют увеличение интенсивности света и 1.С02 3 и уменьшение Ю2]. Влияние кислорода на колебания моделировалось изменением параметров Р0^, Рф, ро22"

С ростом концентрации кислорода происходит увеличение оттока электронов от Ф~ и на кислород, вследствие чего уменьшается скорость циклического ЭТ, и, следовательно, ослабляются колебания ( рис.4 ). Полученные результаты имеют экспериментальное подтверждение. Как и в эксперименте, так и в модели колебания флуоресценции и поглощения С02 сдвинуты по фазе примерно на ао°.

В раздело 3.4 исследовалось влияние внешних факторов на продуктивность фотосинтеза. В п.3.4.1 рассматриваются световые кривые фотосинтеза (СКФ) при различных концентрациях кислорода. Моделирование СКФ согласуется с экспериментом. Зависимости для стационарных значений продуктивности фотосинтеза после начального возрастания выходят на плато ( рис.5 ). Сигмоидаль-ность СКФ на начальном участке объясняется тем, что при низких интенсивностях света скорость ЭТ недостаточна для поддержания регенерации РуБФ на уровне, необходимом для накопления этого интермедиата. Насыщение объясняется ограниченной пропускной способностью цикла Кальвина при данных значениях параметров. Уменьшение продуктивности фотосинтеза при росте концентрации кислорода вызвано тем, что значительная доля электронов идет на восстановление кислорода в пределах ЭТЦ, а также уменьшением скорости регенерации РуБФ из-за гликолатного пути фотодыхания. Интенсивность фотодыхания (215) растет с ростом интенсивности света, что согласуется с экспериментальными данными.

Рис.4. Колебания флуоресценции при наличии и отсутствии /штриховая линия/ кислорода в сЬеде.

Рис.5. Световые кривые фотосинтеза. I - продуктивность фотосинтеза; штриховая линия соответствует отсутствию кислорода. 2 - интенсивность фотодыхаиия.

Зависимость продуктивности от газового состава среды рассмотрена в п.3.4.2. Как видно из рис.6, эта зависимость, аналогично СКФ, имеет два четко выраженных участка. Следует обратить внимание на то, что фотодыхние не насыщается с повышением концентрации кислорода. Зто связано с тем, что с ростом '.и,] больше углерода отвлекается в гликолатный путь фотодыхания. При этом в цикле Кальвина скорость потребления МЛБРН уменьшается, что приводит к уменьшению скоростей ЭТ.

Показано также, что при изменениях интенсивности света и газового состава среды продуктивность фотосинтеза коррелирует °о степенью тушения флуоресценции. Таким образом, степень тушения флуоресценции может служить мерой продуктивности Сотосинтеза.

3 заключении отмочены некоторые саяшо аспекты пробломати-раооты а перечислены осноише икводы: 1 . Мрдаожлш модель, поведение которой качественно согласуется ьс!)И совокупностью дающихся экспериментальных данных. В иродкисошом се »¡да учет фотодахания является минимальным достаточным д.'.я правильного описания экспериментальных результатов.

Моделирование световых, углекислотных и кислородных кривых •(Х)тссиптеза качественно согласуется с экспериментом. Зависимости для стационарных значений продуктивности фотосинтеза от 'лптенсиЕпости света и концентрации С02 после начального возрастания выходят на плато.

3. Иолучсшше характерные времена индукционных процессов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Сделан вывод о том, что на эти времена, наряду со скоростями электронного транспорта, влияют и скорости темновых процессов.

Рис.6. А - зависимость лроотктивьостл /I/ а ■■ отодыхаьия /2/от концентрации СОо при валлчлг отсугогт,... /штриховая лкьия/ кислорода в соедэ. Е -'зависимость продуктивности фотосинтеза от концентрации кислооода в среде.

4. Показано, что степень тушения флуоресценции может служить показателем продуктивности фотосинтеза при различных внешних условиях.

5. Исследование влияния внешних факторов на колебания показало, что фотодыхапие является относительно сильным демпфером колебаний. Показано, что при повышении концентрации кислорода колебания значительно гасятся Механизмом этого демпфера является наличие отрицательной обратной связи (00С) межу скоростями электронного транспорта в световых реакциях и скоростями темновых реакций, включающих цикл Кальвина и фотодыхание. 00С реализуется через NADPH и АТФ; ключевой является система циклического электронного транспорта.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Закирьянов Ф.К., Караваев В.А., Кукушкин А.К.

О связи характерных времен переходных прцессов с активностью темновых процессов фотосинтеза. Биофизика.1992. Т.37, вып.2, с.219-221.

2. Zaklryanov i'.K., Kukushkin Л.К., Karavaey V.A.

On the relationship of photorespiration with the change kinetics of chlorophyll a fluorescence. Moscow State University. Preprint № 3. 1992.

3. Кукушкин А.К., Караваев В.А., Закирьянов Ф.К.

Индукция флуоресценции хлорофилла в листьях - перспективный метод экологического контроля окружающей среда. В сб.: Флуоресцентные методы исследования и клинической диагностики. Вып.4. М.: 1992, с.51.