БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2014, том 31, № 2, с. 110-128
УДК 577.355.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛЯЦИИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА ЭЛЕКТРОНОВ У ЦИАНОБАКТЕРИЙ © 2014 г. А. В. Вершубский, В. И. Мишанин, А. Н. Тихонов
Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119992, Москва, Ленинские горы, 1 Поступила в редакцию 12.09.2013 г.
Проведен компьютерный анализ электронного и протонного транспорта в клетках цианобактерий на основе математической модели световых стадий фотосинтеза, учитывающей ключевые процессы рН-зависимой регуляции электронного транспорта на донорной и акцепторной сторонах фотосистемы 1 (ФС1). Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что модель адекватно описывает многофазную кинетику фотоиндуцированных редокс-превращений P700 (первичный донор электрона в ФС1). Смоделировано влияние газового состава среды (СО2 и О2) на кинетику индукционных процессов в клетках цианобактерий (фотоокисление Р700, генерация трансмембранной разности рН) в зависимости от предыстории освещения (аэробные или анаэробные условия). Показано, что варьирование содержания СО2 может заметным образом влиять на кинетику электронного транспорта, закисления внутритилакоидного пространства и синтеза ATP. Проанализирован вклад альтернативных потоков электронов (циклический транспорт электронов вокруг ФС1 и отток электронов к О2) в работу фотосинтетического аппарата цианобактерий, смоделирована динамика распределения потоков электронов на акцепторной стороне ФС1. Показано, что в суспензии клеток, находившихся в анаэробных условиях, на начальной стадии индукционного периода существенный вклад в работу фотосинтетической цепи электронного транспорта вносит циклический поток электронов вокруг ФС1, который ослабляется по мере активации реакций цикла Кальвина—Бенсона и накопления в среде молекулярного кислорода. Смоделировано влияние оттока электронов от пула ферредоксина к гидрогеназе, катализирующей образование Н2, на кинетику фотоокисления Р700 и распределение электронных потоков на акцепторном участке ФС1.
Ключевые слова: цианобактерии, фотосинтез, математическое моделирование.
Б01: 10.7868/80233475514020078
Фотосинтез — один из важнейших биологических процессов на Земле, который за счет энергии солнечного света обеспечивает синтез органических соединений из углекислоты (СО2) и воды [1—6]. Разложение воды фотосинтетическим аппаратом оксигенных фотосинтезирующих организмов (цианобактерии, водоросли, высшие растения) сопровождается выделением молекулярного кислорода (О2) в атмосферу. Цианобактерии и одноклеточные водоросли часто привлекают к себе внимание как перспективные биотехнологические объекты для экологически чистого производства биомассы и биотоплива. Углубление понимания механизмов регуляции процессов преобразования энергии в фотосинтетических системах оксигенного типа и их взаимосвязь с другими внутриклеточными процессами является актуальной задачей биохимии, биофизики и физиологии фотосинтеза [7—13].
Цианобактерии, как и хлоропласты высших растений, характеризуются развитой системой внутриклеточных мембран, образующих зам-
кнутые везикулы (тилакоиды). В тилакоидных мембранах находятся основные компоненты фотосинтетического аппарата: пигмент-белковые комплексы светособирающей антенны, электрон-транспортные комплексы фотосистемы 1 (ФС1), фотосистемы 2 (ФС2), цитохромный ¿/-комплекс и ферредоксин-МАЭР-редуктаза, которые связаны друг с другом с помощью подвижных электронных переносчиков (пластохи-нон, пластоцианин, ферредоксин) [14, 15]. Согласованное функционирование электронных переносчиков, формирующих фотосинтетическую цепь электронного транспорта (ЦЭТ), обеспечивает разложение воды и восстановление NADP+ (терминальный акцептор электронов в ФС1), а также генерацию трансмембранной разности электрохимических потенциалов ионов водорода, являющуюся источником энергии для работы ATP-синтазы. Продукты световых стадий фотосинтеза — NADPH и ATP — используются в реакциях цикла Кальвина—Бенсона (ЦКБ) для фиксации СО2 и синтеза углеводов.
Подавляющее большинство цианобактерий являются облигатными фототрофами, но в природе они могут длительное время находиться в темноте. В темноте у цианобактерий обнаружен активный эндогенный метаболизм, энергетическим субстратом которого служит запасенный на свету гликоген, катаболизируемый по окислительному пентозофосфатному циклу, обеспечивающему полное окисление молекулы глюкозы. На двух этапах этого пути водород поступает с МЛЭРН в дыхательную цепь, конечным акцептором электронов в которой служит кислород [14, 15].
Математическое моделирование метаболических процессов широко используется для анализа регуляторных процессов в биологических системах [16—35]. В частности, моделирование световых стадий фотосинтеза применяется для анализа кинетики световых и темновых процессов фотосинтеза и анализа регуляторных механизмов. Построение адекватных математических моделей может способствовать поиску оптимальных условий культивирования биотехнологически важных фотосинтетических объектов. В настоящей работе в рамках разработанной нами ранее математической модели электронного и протонного переноса в фотосинтетических системах оксигенного типа [26—35] проведен сравнительный анализ влияния внешних условий на световые стадии фотосинтеза в клетках цианобактерий. Одной из особенностей нашей модели является то, что в ней рассматриваются функционирование как фотосинтетической, так и дыхательной цепи электронного транспорта. В клетках высших растений взаимодействие между фотосинтетической и дыхательной цепями электронного транспорта определяется, главным образом, наличием метаболитов, общих для хлоропластов и митохондрий. У цианобактерий обе цепи электронного транспорта встроены в одну и ту же мембрану и имеют общие звенья. Анализ численных экспериментов позволяет выделить факторы, ответственные за появление сложной многофазной кинетики электронного транспорта.
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
Для количественного анализа ключевых стадий электронного и протонного транспорта в фотосинтетических системах оксигенного типа транспорта мы использовали базовую математическую модель, предложенную нами ранее [26—35]. Схема рассматриваемых процессов показана на рис. 1. Модель описывает основные стадии переноса электронов и сопряженные с ними процессы трансмембранного переноса протонов, а также синтез ATP из ADP и неорганического фосфата (Pj) ATP-синтазой типа F0FX. При описании электрон-транспортных процессов в цианобактериях учитывается также работа дыхательной цепи,
имеющей общие участки с фотосинтетической цепью переноса электронов.
Электронный транспорт
В модели учитываются альтернативные пути электронного транспорта на акцепторном участке ФС1 (см. подробнее обзоры [36, 37]). Поток электронов от ФС1 к NADP+ (/NADP) обеспечивает образование NADPH за счет электронов, поступающих в ЦЭТ от ФС2 (нециклический транспорт электронов: Н2О ^ ФС2 ^ ФС1 ^ NADP+). Акцептором электрона в ФС1 служит ферредок-син. Два электрона от двух восстановленных молекул ферредоксина поступают к NADP+ (через ферредоксин-NADP-редуктазу). Циклический поток электронов вокруг ФС1, при котором электроны возвращаются в ЦЭТ между ФС2 и ФС1 через ферредоксин-хинон-редуктазу, будем называть "коротким" циклом JSC. Возможен, в принципе, также альтернативный "длинный" путь циклического переноса электронов вокруг ФС1 (JLC), когда электроны от NADPH (или непосредственно от ферредоксина) возвращаются в ЦЭТ между фотосистемами через NAD(P)-оксидоредуктазу (NDH) [36, 37]. Третий путь оттока электронов от ФС1 — перенос электрона от ФС1 на молекулу О2 (реакция Мелера) [38—41]. Альтернативные пути электронного транспорта позволяют обеспечивать оптимальную стехиометрию молекул NADPH и ATP, используемых в ЦКБ [8, 40]. Кроме этого, мы рассматриваем поток электронов от ферре-доксина к гидрогеназе, обеспечивающей образование молекулярного водорода (Н2) [42].
Схема окислительно-восстановительных превращений NADP, рассматриваемых в модели, показана на рис. 1. Восстановленная молекула NADP+ (NADP+ + 2е- ^ NADP-) протонируется за счет ионов водорода, поступающих из стромы (NADP- + Н+ ^ NADP^. В модели предусмотрено, что фотоиндуцированное защелачивание стромы ускоряет потребление NADPH и ATР в ЦКБ. Потребление NADPH и ATР описывается феноменологически с помощью функции, зависящей от концентраций NADPH, ATР и рН стромы (pH0), как это было предложено в работах [30, 32]. В модели также предусмотрена возможность окисления NADPН дегидрогеназой типа NDH-1 [33]. В этом случае электроны от NADPН возвращаются в ЦЭТ на пластохиноновом участке.
У цианобактерий фотосинтетическая ЦЭТ сопряжена с работой дыхательной цепи [14, 15]. Для моделирования работы дыхательной цепи мы рассматриваем возможность окисления пласто-хинола (QH2) и цитохрома с6 (непосредственный
донор электрона для P+00 у цианобактерий) терминальными оксидазами, которые передают электроны на О2 (рис. 1).
Образование Н2 ^ЛТР
ЛБР + Р ЛТР
Цитоплазма
Н+
'ееИ
'ЛТР
Н+
Строма ЛБР + Р! ЛТР
V I
Н+
Внутритилакоидное пространство
б
Рис. 1. Схема процессов, рассматриваемых в модели. а — схема реакций электронного и протонного транспорта. Обозначения: Fd — ферредоксин; Рс — пластоцианин; Q и QH2 — пластохинон и пластохинол соответственно; ааз, Ьс1 — терминальные оксидазы типа; Ьб/ — цитохромный комплекс. б — схема трансмембранных потоков протонов.
В данной работе показано, что наблюдаемая в эксперименте сложная многофазная кинетика фотоокисления Р700 может быть связана, в том
числе, с различной динамикой выделения и потребления молекулярного кислорода, влияющей на соотношение скоростей притока и оттока
электронов от ФС1. Уравнение, описывающее процессы выделения и потребления молекулярного кислорода О2, имеет вид [34]:
^ = 1 Чо[ Р+80 ] - 1 [ 02 ]{каХ1 ([Р ]0 - [ Р ]) + М 4 2 2 1
+ • ([Pc]o - [Pc]) + kFo • ([Fd]o - [Fd+ ]) +
(1)
+ kpR([NH], [CO2], [O2])}, где kpR([NH], [CO2],[O2]) = 2kNo
[ O2 ][ NH]
[ СО2 ]
В уравнении (1) [ Р+80 ] — концентрация окисленных центров Р680 (пе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.