We review the recent research on kinetic and direct multiparticle modeling of the processes in the
photosynthetic membrane conducted at the Chair of Biophysics of the Biological Faculty, Moscow State University.
The models take into account the modern experimental data on the heterogeneous structure and the
kinetic characteristics of the system. The generalized kinetic model describes the processes in multisubunit
complexes (photosystems I and II, the cytochrome complex), the coupled transmembrane ion fluxes and generation
of the electrical and electrochemical potentials. Identification of the model parameters allows estimation
of the rate constants for reactions that cannot be examined experimentally. Multiparticle models provide a vivid
picture of the interaction between the electron transport chain components in the thylakoid lumen and stroma,
and explicitly represent Brownian diffusion and electrostatic interactions between electron carriers. Combination
of different description methods (differential equations and the Brownian dynamics formalism) makes it
possible to model, in the complicated 3D environment of the plant cell, the processes that in the aggregate
ensure the high efficacy of energy transduction in photosynthesis.
Plastocyanin diffusion in the thylakoid lumen and its binding to cytochrome f (a subunit of the membrane b6f complex) were studied with a direct multiparticle simulation model that could also take account of their electrostatic interaction. Experimental data were used to estimate the model parameters for plastocyanin–cytochrome f complexing in solution. The model was then employed to assess the dependence of the association rate constant on the dimensions of the lumen. Highest rates were obtained at a lumen span of 8–10 nm; narrowing of the lumen below 7 nm resulted in drastic deceleration of complexing. This corresponded to the experimentally observed effect of hyperosmotic stress on the interaction between plastocyanin and cytochrome f in thylakoids.
Further developing the method for direct multiparticle modeling of electron transport in the thylakoid membrane, here we examine the influence of the shape of the reaction volume on the kinetics of the interaction of the mobile carrier with the membrane complex. Applied to cyclic electron transport around photosystem I, with account of the distribution of complexes in the membrane and restricted diffusion of the reactants, the model demonstrates that the biphasic character of the dark reduction of P700+ is quite naturally explained by the spatial heterogeneity of the system.
Most biological functions, including photosynthetic activity, are mediated by protein interactions. The proteins plastocyanin and cytochrome f are reaction partners in a photosynthetic electron transport chain. We designed a 3D computer simulation model of diffusion and interaction of spinach plastocyanin and turnip cytochrome f in solution. It is the first step in simulating the electron transfer from cytochrome f to photosystem 1 in the lumen of thylakoid. The model is multiparticle and it can describe the interaction of several hundreds of proteins. In our model the interacting proteins are represented as rigid bodies with spatial fixed charges. Translational and rotational motion of proteins is the result of the effect of stochastic Brownian force and electrostatic force. The Poisson–Boltzmann formalism is used to determine the electrostatic potential field generated around the proteins. Using this model we studied the kinetic characteristics of plastocyanin–cytochrome f complex formation for plastocyanin mutants at pH 7 and a variety of ionic strength values.
Electron spin resonance spectroscopy was used to monitor photoinduced changes in the redox state of P700, a photoactive pigment of phctosystemL in isolated Pisum sativum chloroplasts. The kinetics of the ESR signal from P700 (ESR signal I) was recorded at different concentrations of exogenous ferredoxin. A kinetic model was developed for ferredoxin-dependent cyclic electron transport around photosystem I. A multiparticle model was built to directly describe electron transfer in multienzyme complexes and restricted diffusion of mobile carriers in individual compartments (stroma, lumen, intramembrane space) of the system. The two models were compared, and a conclusion was made that the spatial organization of the system plays a significant role in shaping the kinetics of redox transitions of P700.
Данная работа посвящена разработке модели электростатических взаимодействий белка пластоцианина с тилакоидной мембраной и встроенными в нее белковыми комплексами. С использованием уравнения Пуассона-Больцмана были рассчитаны электростатические потенциалы белков, участвующих в процессе переноса электрона, и тилакоидной мембраны при различных значениях ионной силы.
В данной работе с помощью метода броуновской динамики моделируется кинетика образования комплекса между белками электрон-транспортной цепи фотосинтеза ферредоксином и ферредоксин:НАДФ+-оксидоредуктазой (ФНР) в растворе. В трех-мерном реакционном объеме моделируется движение белков под действием случайной броуновской и электростатической сил, учитывается сложная форма молекул при их столкновении. На основе полученных зависимостей количества образованных комплексов от времени вычисляли кинетическую константу скорости исследуемой реакции. В работе были оценены параметры модели по экспериментальным данным
С помощью компьютерной модели, основанной на методах многочастичного прямого моделирования и броуновской динамики, изучается кинетика образования комплекса между компонентами фотосинтетической электрон-транспортной цепи – белком флаводоксином и мембранным комплексом фотосистемы 1. Моделируется броуновское движение нескольких сотен молекул флаводоксина, учитываются электростатические взаимодействия и сложная форма молекул. С помощью данной модели удалось воспроизвести экспериментальную немонотонную зависимость константы связывания флаводоксина с фотосистемой 1. Это говорит о том, что для описания такого вида зависимости достаточно учета только электростатических взаимодействий
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.
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.
Коваленко Илья Борисович