Фотосинтез является ключевым звеном сложной системы метаболизма, обеспечивающей в итоге рост и развитие растений и одноклеточных водорослей в соответствии с генетической программой. В фотосинтезе происходит преобразование энергии света в энергию химических связей продуктов фотосинтеза.
Результаты биофизических исследований фотосинтеза создают научную основу методов автоматического управления ростом фотосинтезирующих микроорганизмов в фотобиотехнологии и методов экспресс-диагностики состояния клеток фитопланктона в экологическом мониторинге водных биоценозов.
Хорошо известно, что в водных экосистемах начальным и ключевым звеном трофической цепи являются фитопланктонные одноклеточные микроорганизмы, продуктивность и обилие которых в тех или иных условиях определяется в основном эффективностью процессов фотосинтеза.
При разных световых освещенностях, температурах и действии внешних факторов (загрязнений), в том числе и стрессового характера, изменяется состояние фотосинтетического аппарата, продуктивность фотосинтеза и число клеток фитопланктона и тем самым продуктивность всей водной экосистемы. Источником необходимой информации служит хлорофилл, локализованный в фотосинтетических мембранах, обладающий определенными спектральными свойствами, изменение которых при разных воздействиях можно регистрировать в режиме реального времени. Именно это и дает необходимую информацию для экспресс-диагностики состояния клеток.
В настоящей статье представлены результаты, полученные сотрудниками кафедры биофизики Биологического факультета МГУ по биофизическим механизмам первичных процессов фотосинтеза (ППФ) и разработанные на этой основе люминесцентные методы экспресс-диагностики состояния клеток фитопланктона для экологического мониторинга водных биоценозов и биоиндикации состояния водной среды.
Рассмотрены современные методы математического и компьютерного моделирования процессов в фотосинтетической мембране. Обобщенная кинетическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений и включает описание процессов в мультиферментных комплексах фотосистемы 1, фотосистемы 2, цитохромном комплексе, процессы сопряженного трансмембранного переноса протонов и других ионов, генерацию электрического и электрохимического потенциала, работу АТФ-синтазы. Модель позволяет одновременно следить за кинетикой разнородных переменных модели (концентрациями переносчиков, вероятностями состояний комплексов, величинами электрического и химического потенциалов). Модель адекватно описывает результаты экспериментов, в том числе кинетические особенности индукционной кривой флуоресценции при различных интенсивностях света, индукцию электрического потенциала в присутствии различных агентов и др.
Прямая многочастичная компьютерная модель фотосинетической мембраны описывает процессы, происходящие на «сцене», включающей компартменты стромы, люмена и внутримембранного пространства. Движение подвижных переносчиков в компартментах описывается с помощью броуновской динамики. Модель позволяет наряду с кинетическими и статистическими характеристиками системы получить визуальное представление о движении отдельных переносчиков, перемещении электрона в системе, наглядно выявляет роль гетерогенного распределения комплексов фотореакционных центров и другие особенности пространственной организации фотосинтетической мембраны.
Работа посвящена компьютерной имитационной модели диффузии и взаимодействия белков пластоцианина и цитохрома f в растворе. Модель является многочастичной и позволяет моделировать несколько сотен белков в растворе. С помощью данной модели мы изучали кинетические характеристики образования комплекса пластоцианин-цитохром f для мутантов пластоцианина для различных значений pH и ионной силы раствора.
Сигнал флуоресценции, возбуждаемой насыщающим импульсом длительностью 10 нс, измерен на препаратах термофильного штамма водоросли Chlorella pyrenoidosa Chick (нативных и с диуроном) в диапазоне от 100 нс до 10 с и проанализирован в математической модели процессов ФС2. При имитации короткого светового воздействия важен детальный учет процессов рекомбинации, в том числе безызлучательной, в ФС2, дальнейшие процессы в электронно-транспортной цепи тилакоидной мембраны описываются одной реакцией повторного окисления хинолов. Включение в модель реакций блокирования ингибитором акцепторной части ФС2 позволило описать кривые ИФ, регистрируемые в присутствии диурона.
В данной работе развивается предложенная ранее модель потенциалозависимого протонного переноса через мембрану клетки водоросли Chara. В предыдущем варианте модели в качестве переменных рассматриваются концентрация протонов снаружи клетки и трансмембранный потенциал. В предлагаемом варианте модели вводится новая переменная — концентрация протонов в цитоплазме. При исследовании модели получены колебательная и хаотическая динамика трансмембранного потенциала. Обсуждается физиологическая роль наблюдаемых режимов.
Работа посвящена разработке метода прямого компьютерного моделирования диффузии белков-подвижных переносчиков электрона и их взаимодействия с другими белками и белковыми комплексами в трехмерном пространстве. Метод является развитием метода прямого моделирования электронного транспорта в тилакоидной мембране, описанным ранее. Построена трехмерная компьютерная модель взаимодействия подвижного переносчика электрона белка пластоцианина с белком цитохромом f (одним из компонентов цитохромного комплекса) в растворе. Построенная модель позволила изучить влияние ионной силы на кинетические характеристики взаимодействия пластоцианина и цитохрома f.
Предложена математическая модель ионных потоков через клеточную мембрану водоросли Chara corallina. Модель основана на кинетических свойствах протонной АТФ-азы и учитывает динамику трансмембранного потенциала. Модель описывает экспериментально обнаруженный гистерезис рН в примембранной области при изменении интенсивности света. Обсуждается механизм возникновения бистабильных состояний.
Разработанная модель изолированной фотосистемы 2 (ФС2) способна адекватно описать быструю фазу индукции флуоресценции, наблюдаемую in vivo в фотосинтезирующих образцах при включении света высокой интенсивности. Особенности индукционной кривой определяются динамикой накопления флуоресцирующих состояний ФС2. Модификация значений параметров, входящих в модель ФС2, позволяет на качественном и количественном уровне объяснить эффекты, наблюдаемые при регистрации быстрой фазы индукции флуоресценции в различных условиях эксперимента (ингибиторы, рН, другие воздействия).
В работе рассмотрены процессы взаимодействия подвижного переносчика пластоцианина с комплексом фотосистемы 1 и цитохромным комплексом. Построены прямая и кинетическая модели взаимодействия пластоцианина с ФС1 и cyt, оценены параметры прямой модели по экспериментальным данным. На кинетической модели исследовано влияние обратных реакций на характер кинетических кривых.
В работе рассматривается система «реакция-электродиффузия» применительно к растворам с низкой ионной силой, где традиционные представления о локальной электронейтральности среды не работают. Для одномерного случая исследованы возможности появления пространственно-временных неоднородностей. Показано, что учет самосогласованного поля в системе с диффузией и нелинейными химическими взаимодействиями меняет области значений параметров, при которых образуются структуры. В системе возможно появление бистабильности, возникновение солитоноподобных структур и апериодические по времени и по пространству режимы.
Разработана кинетическая модель, описывающая систему генерации и потребления трансмембранного электрохимического градиента протонов DmH+ в первичных процессах фотосинтеза в хлоропластах. Учтена зависимость скоростей реакций электронного переноса от величины трансмембранного электрического потенциала. Модель применена к описанию экспериментальных данных по регистрации быстрой фазы индукции флуоресценции хлорофилла при различных интенсивностях освещения объекта (от высоких до низких). Для каждой интенсивности света проанализирован состав флуоресцентного сигнала.
Matorin D. N., Antal T. K., Sharshenova A. A., Tynybekov A. K., Otte M. L., Van de Werf H., Rubin A. B.Monitoring of natural phytoplankton in the Issyk-Kul Lake with the use of a submersible pump-and-probe fluorometer Proc. Int. Conference ‘Human Health and Environment. Strategies and Programmes in New Millenium,’ INTAS, Bishkek, Kyrgyz Republic, May 2001, P. 57- 63
Рубин Андрей Борисович