When exposed to light, Characean cells develop a pattern of alternating alkaline and acid bands along the cell length. The bands were identied with a tip-sensitive antimony pH microelectrode positioned near one end of Chara internode at a distance of 50-100 lm from the cell wall. The stage with Chara cell was moved along its longitudinal axis at a computercontrolled speed (100 or 200 microm s-1) relative to the pH probe over a distance of 50 mm. Under sufficient uniform illumination of the cell (from 100 to 2.5Wm-2), the homogeneous pH distribution becomes unstable and a banding pattern is formed, the spatial scale of which decreases with the light intensity. If the cell is locally illuminated, bands are formed only in the region of illumination. It is shown that the inhibition of cyclosis by cytochalasin B leads to the disappearance of the banding pattern. The addition of ammonium (weak base) inhibited the banding pattern, whereas acetate (weak acid) alleviated the inhibitory eject of ammonium and restored the pH banding. A model explaining the observed phenomena is formulated in terms of proton concentration outside and bicarbonate concentration inside the cell. It contains two diffusion equations for the corresponding ions with nonlinear boundary conditions determined by ion transport processes across the cell membrane. The model qualitatively explains most of the experimental observations. It describes the dependence of the pattern characteristics on the light intensity and reveals the role of cyclosis in this phenomenon.
На основе новейших физико-химических данных построена детальная кинетическая модель каталитического цикла фотосистемы II (ФС II) высших растений. В соответствии с иерархией времен отдельных фотосинтетических стадий проведсна редукция модели с целью описания процессов миллисекундного диапазона. В рамках полученной системы осуществлен теоретический расчет кривых индукции флуоресценции хлорофилла при разных значениях параметров модели. Для расчета интенсивности флуоресценции предложено соотношение, включающее концентрации флуоресцирующих состояний ФС II и их зависимость от компонентов электрохимического потенциала на мембране тилакоидов. Показано, что в рамках модели, ограничивающейся рассмотрением процессов в пределах ФС II, не могут быть описаны некоторые экспериментально наблюдаемые паттерны нарастающей части кривой индукции флуоресценции хлорофилла. Найдено, что стационарное эначение интенсивности флуоресценции может зависеть от трансмембранного электрического потенциала немонотонным образом.
Предложена новая концепция регуляции обмена нитрата посредством поликомпартментации аниона в корне. На проростках пшеницы, выращенных при 25 и 12°С в зоне корней, исследованы поглощение нитрата, компартментация и восстановление в корнях и транслокация в побеги. Показано, что нитрат корня компартментирован в нескольких функциональных пулах: запасном, метаболическом и подвижном, предназначенном для персмещения в надземные органы. Нетто-поступление, отношение вход/выход (в/из корней), размер подвижного пула и транслокация изменяются в зввисимости от температуры выращивания. Выявлены колебания скорости нетто-потлощения и концентрации нитрата в тканях, а также изменения этих колебаний под действием температуры. Эмпирическая модель регуляции базируется на том, что нетто-поступление посредством изменения соотношения вход/выход контролируется нитратом подвижного пула, размер которого зависит от оттока аниона в побеги. Математическая модель представляет собой систему линейных дифференциальных уравнений и после упрощения в соответствии с иерархией констант скоростей отдельных процессов сводится к системе двух дифференциальных уравнений, которая имеет на фазовой плоскости предельный цикл в определенной области значений параметров. Модель обосновывает регуляцию по принципу положительной обратной связи процесса транспорта нитрата из вновь поглощенного пула в транслокационный пул и его формирования в клетках коры корня. Модель воспроизводит явления, наблюдаемые экспериментально.
A new concept illustrated by a corresponding mathematical model of nitrate metabolism regulation is proposed. The model is based on the root nitrate compartmentat ion in several functional pools: storage, metabolic and mobile (MobP) intended for translocation to shoots. Data on nitrate uptake, compartmentation, reduction in intact roots and translocation to shoots were obtained on steady state wheat seedlings grown at 25° and 12°C in the root zone. The net uptake, influx/efflux ratio, MobP size and translocation changed depending on the medium temperature. The oscillations of the net uptake rate, nitrate tissue concentration and its temperature modification were revealed. The scheme of regulation is based on the idea that net uptake through nitrate influx/efflux is under the control of the nitrate of MobP which size was dependent on the nitrate translocation into shoots. The mathematical model is represented by a system of ordinary differential equations simplified according to the time hierarchy of reactions. It has a limit cycle at definite values of parameters. The model postulates the mechanism of a positive feedback regulation of newly absorbed nitrate transfer into translocated pool formed in the root cortex. Theoretical results are verified experimentally.
A model is proposed that describes electrodiffusion in the layer adjacent to the cell membrane. The model takes into account chemical reactions at the membrane, Coulomb interactions between particles, their random motion (diffusion), and the effect of an external electric field. Linear analysis of the model shows a possibility of spatiotemporal patterning in the presence of an applied electric field. The dissipative structures formed in the presence and the absence of the electric field differ in a number of characteristics. First, the former structure drifts. Its slow drift proceeds unidirectionally. While it drifts, the number of its structural elements varies. Second, isolated soliton-like structures may emerge in this system. as the dispersion relation contains not only even, but also odd powers of the wavenumber k. In addition to Turing-type diffusion instability, dispersion instability may arise in the presence of an external electric field, also causing spatiotemporal patterning.
Basic mechanisms of kinetic regulation of photosynthetic processes are considered. These mechanisms provide strict light-dependent regulationof electron transport in photosynthetic reaction centers and more flexible regulation at the level of interaction between pboeosystems, transmembrane fluxes of ions, and coupling with dark reactions of the Calvin cycle. A generalized mathematical model was constructed. This model consolidates the modern knowledge about photosynthetic processes in higher plants. The general principlesof multilevel regulation of photosynthetic processes are discussed.
Рубин Андрей Борисович