Динамические модели электронного транспорта в фотосинтезе

В книге рассматриваются современные математические модели электронного транспорта и сопряженных процессов в фотосинтезе: кинетические, многочастичные, броуновские. Анализ моделей раскрывает роль диффузии, электростатических взаимодействий белков, геометрии реакционного объема и ионной силы среды в регуляции первичных процессов фотосинтеза. Результаты моделирования в сопоставлении с экспериментальными данными раскрывают механизмы переключения электронных потоков в клетках растений и водорослей в различных условиях, что используется в биотехнологии и экологическом мониторинге.

Книга предназначена для научных работников, аспирантов и магистров, ведущих фундаментальные исследования в области фотосинтеза и прикладные исследования в области фотобиотехнологии и экологического мониторинга. В книгу вошли результаты исследований последних двух десятилетий, выполненные при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

ПРЕДИСЛОВИЕ
ВВЕДЕНИЕ

В1. Модели биологических процессов. Системно-динамические и агентные модели
B2. История исследования фотосинтеза
В3. Фотосинтетическая мембрана и протекающие в ней процессы

I. КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТА

I.1. Базовые модели
1.1. Перенос электронов в мультиферментном комплексе. Уравнения для вероятностей состояний комплекса
1.2. Перенос электрона в комплексе двух переносчиков
1.3. Перенос электрона в комплексе n переносчиков
1.4. Взаимодействие мультиферментных комплексов с подвижными переносчиками
1.5. Перенос электрона в изолированном фотореакционном центре
1.6. Типы регуляции фотосинтетических процессов
1.7. Базовая модель взаимодействия двух фотосистем
Уравнения для вероятностей состояний фотосистемы II
Схема состояний ФС II
Процесс разделения зарядов
Передача электрона из донорной части в РЦ ФС II
Передача электрона от ФС II в. пул хинонов
Уравнения для вероятностей состояний фотосистемы I
Передача электрона из донорной части в РЦ ФС I
1.8. Уравнения, описывающие изменение степени восстановленности подвижных переносчиков

I.2. Моделирование электронного транспорта и сопряженных процессов в фотосистеме II
2.1. Кинетика флуоресценции хлорофилла
Переменная и постоянная флуоресценция
Кривая индукции флуоресценции хлорофилла
Происхождение переменной флуоресценции хлорофилла a
2.2. Модель переноса электрона в комплексе фотосистемы II
Схема состояний комплекса фотосистемы II
Приток электронов от водоразлагающего комплекса
Процессы диссипации энергии
Учет электрического и электрохимического потенциала на мембране
Описание кинетики формирования ΔΨ (t), рН люмена и стромы
2.3. Моделирование кинетики выхода флуоресценции после освещения насыщающим наносекундным лазерным импульсом
Оценка констант скоростей процессов безызлучательной диссипации энергии в реакционном центре ФС II при разных интенсивностях света
2.4. Моделирование нарастающего участка индукции флуоресценции в ответ на включение постоянного света

I.3. Детальная модель процессов в фотосинтетической мембране
Общая схема процессов
3.1. Цитохромный комплекс
Q-цикл Митчелла
Модель. Схема состояний
Вероятности состояний комплекса
Концентрации подвижных переносчиков
Концентрация протонов в люмене
3.2. Комплекс фотосистемы I
Природа медленной стадии восстановления Р700
3.3. Транспорт электрона подвижными переносчиками
3.4. Трансмембранный электрохимический потенциал, перенос ионов через мембрану и буферные свойства мембраны
3.5. Оценка параметров кинетической модели. Проблемы идентификации
3.6. Фитирование параметров модели по экспериментальным кривым индукции флуоресценции и кинетике редокспревращений Р700
Кинетика изменения во времени электрического и электрохимического потенциала
Динамика состояний ФС II
PQ-пул, Cyt b6f и компоненты ФС I
Линейный и циклический потоки электронов

I.4. Анализ больших массивов данных. Упрощенные модели
4.1. Аппроксимация нарастающего участка кривой флуоресценции экспоненциальными функциями
4.2. Мультиэкспоненциальная аппроксимация. Спектральный анализ
4.3. Мониторинг фотосинтетической активности культуры микроводорослей при истощении азота в среде
Изменение спектральных характеристик и параметров индукционной кривой флуоресценции в процессе роста культуры
Теплокарты динамики изменения компонентного состава кривых OKJIP
4.4. Связь упрощенных и детальных моделей
Редукция детальной схемы
Верификация модели

I.5. Переключение режимов функционирования фотосинтетической цепи в условиях минерального голодания
5.1. Изменения электрон-транспортной системы в условиях стресса.
Роль хлородыхания
5.2. Модель переключения электронных потоков
Иерархия времен в системе
Миллисекундный временной диапазон. Перенос электронов в ФС II
Секундный временной диапазон. Изменение концентрации протонов в строме вблизи ФС II
Ответ системы на изменение параметров
5.3. Процессы, протекающие в часовом временном диапазоне. Восстановленность пула пластохинонов. Роль хлородыхания
Нелинейный механизм кинетической регуляции

I.6. Прямой кинетический метод Монте-Карло. Описание процессов в ансамблях фотосинтетических реакционных центров
6.1. Организация модели
Структура модели
Параметры модели
Алгоритм моделирования
6.2. Энергетическая связь между реакционными центрами в димере ФС II
Альфа- и бета-центры
6.3. Верификация модели по экспериментальным данным
Влияние интенсивности света на форму кривой индукции флуоресценции
Моделирование действия ингибиторов
6.4. Возможности кинетического метода Монте-Карло

II. МНОГОЧАСТИЧНОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Диффузионно-контролируемые реакции

II.1. Принципы построения многочастичной броуновской модели
1.1. Формирование сцены и расположение объектов
1.2. Моделирование броуновского движения. Уравнение Ланжевена
Решение уравнения Ланжевена
1.3. Модель взаимодействия фотосинтетических белков без учета электрических сил
1.4. Учет столкновений и взаимодействие с белковыми комплексами. Радиус и вероятность взаимодействия
1.5. Метод броуновской динамики (BD) и прямые многочастичные модели
1.6. Сопряжение математических способов описания различных процессов в тилакоидной мембране в компьютерной модели
Моделирование переноса электрона с мобильного переносчика на белковый комплекс и переноса внутри комплексов
Моделирование протонного транспорта
Модель выделения протонов в люмен
Модель латеральной диффузии протонов
Моделирование утечки протонов через АТФ-синтазу и синтеза АТФ
Программная реализация

II.2. Моделирование белок-белковых взаимодействий в растворе
2.1. Стадии белок-белковых взаимодействий
2.2. Описание диффузии белков. Аппроксимация эллипсоидами вращения
2.3. Моделирование столкновений белков. Описание формы белков в виде набора сфер
2.4. Моделирование электростатических взаимодействий
Расчет электростатической силы в моделях броуновской динамики
Эквипотенциальные поверхности белков
2.5. Оценка константы скорости взаимодействия белков на основе сравнения результатов компьютерных и реальных экспериментов в растворе

II.3. Роль электростатических взаимодействий в процессах взаимодействия белков — переносчиков электрона при фотосинтезе
3.1. Влияние поверхностных зарядов на скорость взаимодействия белков
3.2. Зависимость константы скорости образования комплекса от ионной силы раствора для дикого типа и мутантных форм
3.3. Диффузионный захват. Продуктивные и непродуктивные диффузионно-столкновительные комплексы
3.4. Роль электростатических взаимодействий в процессе диффузионного сближения и докинга электрон-транспортных белков
3.5. Сравнительный анализ взаимодействия Рс с Cyt f и реакционными центрами ФС I высших растений и цианобактерий. Роль электростатических взаимодействий

II.4. Броуновское/молекулярное моделирование образования комплекса электрон-транспортных белков
4.1. Молекулярное моделирование формирования комплекса Рс-Cyt f растений, зеленых микроводорослей и циановых бактерий
4.2. Сравнительный анализ роли электростатических взаимодействий у растений и циановых бактерий

II.5. Многочастичная броуновская модель переключения электронных потоков в акцепторной части ФС I с пути фиксации СО2 на путь выделения водорода
5.1. Особенности фотосинтеза в водородвыделяющих микроводорослях
5.2. Модельные зависимости констант скоростей процессов образования комплексов ферредоксина с ФНР и гидрогеназой от рН среды
5.3. Электростатические свойства взаимодействующих молекул при разных рН

II.6. Процессы взаимодействия белков в люмене тилакоида
6.1. Описание трехмерного реакционного объема — модельной сцены тилакоида
6.2. Влияние электростатического поля фотосинтетической мембраны на реакцию взаимодействия пластоцианина с цитохромом f в люмене тилакоида
6.3. Компьютерное моделирование переноса электрона по цепи фотосинтетического транспорта подвижным белком — переносчиком Pc в люмене тилакоида

ОБСУЖДЕНИЕ. ПЕРСПЕКТИВЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА