ИСТИНА

Важной фундаментальной задачей является изучение механизмов регуляции процессов в энергопреобразующих мембранах на молекулярном и мембранном уровне. В ходе выполнения проекта кинетические и прямые компьютерные модели будут использованы для сравнительной оценки констант скоростей переноса электрона на отдельных участках фотосинтетической цепи высших растений, циановых и зеленых одноклеточных водорослей в процессе роста, в условиях азотного голодания и для мутантных форм фотосинтезирующих организмов. Детальные кинетические модели процессов в фотосинтетической мембране зеленых растений и водорослей будут идентифицированы по экспериментальным данным регистрации индукционных кривых флуоресценции хлорофилла а, спектрального сигнала и сигнала ЭПР фотоактивного пигмента Р700 для различных режимов освещения и в присутствии ионофоров. С помощью прямых многочастичных моделей процессов в люмене тилакоида, описывающих диффузию пластоцианина и его взаимодействие с мультиферментным комплексом фотосистемы 1 и цитохромным комплексом в поле фотосинтетической мембраны, будет изучена роль геометрии внутритилакоидного пространства и электростатических взаимодействий в регуляции фотосинтетического электронного транспорта. Будет разработана комплексная модель, включающая кинетику процессов внутри мультиферментных комплексов, многочастичное моделирование броуновской динамики подвижных переносчиков в люменени строме, пространственно-временную эволюцию электрохимического потенциала и синтез АТФ. На модели будет изучено влияние отдельных процессов на наблюдаемую кинетику флуоресценции и окислительно-восстановительных превращений Р700. Разработка комплекса кинетических и многочастичных компьютерных моделей первичных процессов фотосинтеза позволит получить новые знания о функционировании фотосинтетической системы как целого.

В ходе выполнения проекта для получения сравнительной оценки регуляторных механизмов первичных процессов фотосинтеза микроводорослей и высших растений были использованы кинетические и прямые компьютерные модели. Детальная кинетическая модель фотосистемы 2 была дополнена функциями, описывающими кинетику электрического потенциала и pH в двух компартментах - люмене и строме. С помощью модели был проведен анализ кривых переменной флуоресценции, регистрируемой после возбуждения импульсами различной энергии для листьев (Arabidopsis thaliana) и водорослей (Chlorella pyrenoidosa). Исследовано влияние потенциала, а также pH люмена и стромы на ход индукции флуоресценции в листьях гороха Pisum sativum в контроле и в присутствии ионофоров. Проанализированы процессы прямой диссипации возбуждения в антенне, рекомбинации зарядов и тушения возбуждения катион-радикалом P680. На основании анализа проведена оценка параметров безызлучательных диссипативных процессов. Разработана обобщенная модель процессов в тилакоидной мембране, найдены значения параметров, для которых модель тилакоида адекватно описывает данные по нарастанию и спаду индукции флуоресценции и, одновременно, данные по кинетике окисления и восстановления Р700+. Идентификация параметров моделей позволила оценить константы скоростей переноса электрона и другие характеристики фотосинтетического аппарата изучаемых объектов. Результаты показывают, что константы скоростей реакций в пределах комплекса фотосистемы 2 растений и водорослей отличаются незначительно. Процессы переноса электрона в акцепторной части цепи зеленых растений протекают более интенсивно, чем у водорослей. Водоросли отличаются большей восстановленностью пула хинонов по сравнению с растениями. На основе приближения о квазиравновесных состояниях была проведена редукция детальной модели и построена упрощенная модель фотосистемы 2, позволяющая провести экспресс-анализ экспериментальных кривых индукции флуоресценции. Решения модели с высокой точностью описывают экспериментальные кривые. Выражения, связывающие параметры детальной и упрощенной моделей, позволили провести оценки констант детальной модели, соответствующие разным экспериментальным условиям и разным организмам. Редуцированная модель была дополнена реакциями, описывающими перенос электронов в процессе хлородыхания в условиях голодания, что позволило описать наблюдаемое экспериментально скачкообразное уменьшение активности фотосистемы 2 и предложить механизм такого явления. С помощью многочастичной компьютерной модели рассчитаны константы скорости второго порядка образования комплексов белков пластоцианина с цитохромом f и фотосистемой 1 из цианобактерий Thermosynechococcus elongatus и Synechocystis sp для различных значений ионной силы раствора. Проведен сравнительный анализ зависимостей константы скорости образования комплексов от ионной силы для циановых и для аналогичных белков из высших растений. С использованием компьютерной модели рассчитаны кривые восстановления P700 и окисления цитохрома f после короткой насыщающей вспышки света и вычислены характерные времена окислительно-восстановительных процессов для различных концентраций белка пластоцианина и различной геометрии тилакоидной мембраны. Расчеты показали, что при физиологических значениях ионной силы образование комплексов пластоцианина и цитохрома f в цианобактериях происходит примерно с той же скоростью, что и в высших растениях. Скорость реакции связывания пластоцианина и фотосистемы 1 в цианобактериях на порядки меньше, чем в высших растениях. Показано, что скорость реакции образования комплексов белков в цианобактериях, в отличие от высших растений, практически не зависит от ионной силы. В отличие от растений, в которых электростатические взаимодействия играют основную роль, в цианобактериях эта роль намного меньше.