ИСТИНА

Рассматривается агентная математическая модель, позволяющая воспроизвести динамику редокс-превращений компонентов фотосинтетической электрон-транспортной цепи с явным учетом диффузии подвижных переносчиков электрона в сложном интерьере внутрихлоропластного пространства. Геометрия гранальных и стромальных тилакоидов задается аналитически на основе современных представлений о пространственной организации тилакоидных мембран. В модели рассматривается грана, состоящая из нескольких (от 2 до нескольких десятков) цилиндрических тилакоидов, и соединяющиеся с ней стромальные ламеллы. Предполагается, что состоящая из сближенных цилиндрических тилакоидов грана «пронзает» стромальные ламеллы, при этом в области контакта формируются переходные спиральные структуры. Размеры и форма компартментов задаются в виде числовых параметров модели. Модель является дискретной по времени и пространству. Пространство внутри хлоропласта разбивается на ромбододекаэдрические ячейки объемом 2 куб. нм, используются тороидальные (периодические) граничные условия. В модели рассматриваются окислительно-восстановительные реакции, происходящие с участием агентов – трансмембранных белковых комплексов (фотосистем 1 и 2 и цитохромного b6f комплекса) и мобильных переносчиков электрона – пластохинона, пластоцианина и ферредоксина. Для представления молекулы пластохинона используется одна ячейка модели; белковые молекулы занимают несколько соседних ячеек, их форма задается по данным рентгеноструктурного анализа или криоэлектронной микроскопии, а угол поворота определяется случайным образом при запуске модели. Все агенты в модели рассматриваются как подвижные, для трасмембранных белковых комплексов доступна латеральная диффузия в плоскости мембраны, для мобильных переносчиков – трехмерная диффузия в пределах соответствующего компартмента (липидного слоя мембраны для пластохинона, люмена тилакоида для пластоцианина и стромы для ферредоксина). За один шаг модели (2 мкс) агент может сместиться на одну ячейку в любом направлении, для каждого типа агентов задается вероятность смещения за один шаг модели. Для подвижных переносчиков вероятность смещения была подобрана таким образом, чтобы наблюдаемые в модели коэффициенты диффузии соответствовали экспериментально измеренным. Каждый из агентов модели может находиться в одном из нескольких редокс-состояний. То, каким образом происходят переходы между состояниями агентов, определяется заданной для каждого типа агентов программой, таким образом, можно легко изменять степень детализации процессов, происходящих в каждом из агентов, независимо от других агентов. Одна или несколько ячеек вблизи поверхности трансмембранных комплексов задаются как активные сайты, попадание в которые подвижных переносчиков электрона приводит к запуску программы, анализирующей это взаимодействие. Рассмотрена максимально упрощенная система, в которой все процессы электронного транспорта между трансмембранными комплексами моделировались как необратимые диффузионно-контролируемые. Если на текущем шаге модели в сайте взаимодействия оказывается молекула агента – реакционного партнера, и редокс-состояния двух агентов допускают обмен электронами между ними, то происходит соответствующее изменение состояний этих агентов. Кроме того, в комплексах могут происходить спонтанные реакции, соответствующие светоиндуцированному разделению зарядов в фотосистемах и переносу электронов между входящими в состав комплекса переносчиками. С помощью разработанной модели было исследовано влияние геометрических параметров граны на переходные окислительно-восстановительные процессы, происходящие при освещении адаптированных к темноте листьев. Несмотря на простоту, такая модель позволила воспроизвести основные особенности наблюдаемых в экспериментах кривых при использовании небольшого числа настраиваемых параметров. Модель реализована в виде программы на языке программирования Python.