Математические модели в биологии, фотосинтез, образование, синергетика
Родилась в Москве (1946), окончила физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (1972). После окончания работает на кафедре биофизики биологического факультета МГУ. Защитила диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (1978) и доктора физико-математических наук (1990) в области математического моделирования первичных процессов фотосинтеза. Автор учебника «Лекции по математическим моделям в биологии» (2002), монографий «Математические модели первичных процессов фотосинтеза» (1991) и «Математические модели в биофизике и экологии» (2003); учебных пособий: «Кинетика биологических процессов» (1978, 1987; в соавторстве с Н.Ф. Пытьевой, А.Б. Рубиным), «Математические модели биологических продукционных процессов» (1993; в соавторстве с А.Б. Рубиным), «Биофизическая динамика продукционных процессов» (2004; в соавторстве с А.Б. Рубиным), более 80 научных статей по математическому моделированию субклеточных процессов. Председатель и сопредседатель оргкомитетов более 40 междисциплинарных конференций по сериям «Математика. Компьютер. Образование», «Нелинейный мир», «Математика. Информатика. Экология». Главный редактор журнала «Компьютерные исследования и моделирование».
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.
Разработана кинетическая модель, описывающая систему генерации и потребления трансмембранного электрохимического градиента протонов ΔμH+ в первичных процессах фотосинтеза в хлоропластах. Использован принцип детального описания скоростей реакций. Учтена зависимость скоростей реакций электронного переноса от величины трансмембранного электрического потенциала. Модель каталитического цикла фотосистемы 2 (ФС2) является одним из блоков полной модели. Показано, что модель ФС2 дает реалистическое описание экспериментальных данных по регистрации быстрой фазы индукции флуоресценции в условиях изменения трансмембранного электрического потенциала.
Разработана кинетическая модель цитохромного bf комплекса в предположении функционирования Q-цикла Митчелла. bf комплекс рассматривался как мембранный фермент, катализирующий перенос электронов от пластохинола на пластоцианин, сопряженный с переносом протонов из стромы хлоропласта в люмен тилакоида. В модели учтена зависимость скоростей реакций электронного переноса от величины трансмембранного электрического потенциала. Модель применена к описанию экспериментальных данных по регистрации кинетики окислительно-восстановительных превращений цитохромов b и f, пластоцианина, а также процесса закачки протонов в люмен тилакоида после насыщающей вспышки света. Произведена идентификация параметров модели.
Рассматривается процесс циклического транспорта электронов вокруг фотосистемы 1 (PSI) в хлоропластах высших растений и водорослей. Предложен ряд кинетических моделей циклического Fd-зависимого электронного транспорта вокруг PSI. Проведенное исследование кинетических моделей позволило описать совокупность экспериментальных данных по зависимости кинетических параметров восстановления Р700 при различных концентрациях добавленного Fd в рамках обсуждаемой схемы взаимодействия встроенных в мембрану мультиферментных комплексов и подвижных переносчиков.
Построена многочастичная модель циклического Fd-зависимого электронного транспорта вокруг PSI, дающая возможность «прямого» моделирования процессов переноса электрона в мультиферментных комплексах и ограниченной диффузии подвижных переносчиков в отдельных компартментах системы (строма, люмен, внутримембранное пространство). Результаты прямого моделирования указывают на важную роль пространственной организации системы в формировании кинетики редокс-превращений P700.
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.
Рассмотрена модель ионного транспорта через внешнюю мембрану клетки водоросли Chara. Модель описывает неравномерное распределение рН вдоль мембраны вследствие чего образуются области разных рН (диссипативные структуры). В модели учитывается химическое взаимодействие ионов Н+ и НСО3-, их диффузия вдоль клеточной мембраны, влияние электрического поля, создаваемого самими ионами и влияние внешнего поля. В результате линейного анализа найдено критические значение напряженности внешнего поля, при котором возможно возникновение структур. Показано, что при действии поля возможна реализация не тьюринговского механизма структурообразования. В численном эксперименте исследована зависимость структурообразования от периодического воздействия внешнего поля. Показано, что существует интервал резонансных частот, в котором возникает структурообразование.
Ризниченко Галина Юрьевна