Изучение механизмов взаимодействия компонентов фотосинтетической цепи транспорта электрона методами компьютерного моделирования

• Автор: Абатурова, Анна Михайловна
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 143 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы

ГЛАВА 1. Обзор литературы.

1.1. Электронный транспорт в мембране тилакоида. Структурные и функциональные аспекты

1.1.1. Пространственная организация хлоропласта и тилакоидной мембраны

1.1.2. Цитохромный ЬбГ комплекс

Цитохром.

Цитохром Ьв.

Железосерный белок Риске

1.1.3. Фотосистема

Структура фотосистемы 1.

Субъединицы фотосистемы 1 и их функции

Светособирающий комплекс
1.1.4. Пластоцианин.
Структура.
Диффузия в люмене тилакоида.
1.1.5. Флаводоксин
1.1.6. Структуры фотосинтетических белокбелковых комплексов
Комплекс пластоцианина и цитохрома.
Комплекс пластоцианина и фотосистемы
Комплекс фотосистемы 1 и флаводоксина.
1.2. Экспериментальные данные по кинетике транспорта электрона
1.2.1. Кинетика реакции пластоцианина и цитохромав растворе
1.2.2. Кинетика реакции пластоцианина и фотосистемы 1 в растворе
1.2.3. Кинетика реакций пластоцианина с цитохромоми фотосистемой 1 в люмене тилакоида.
1.2.4. Кинетика реакции фотосистемы 1 и флаводоксина в растворе.
1.3. Математические модели транспорта электронов при фотосинтезе .
1.3.1. Кинетические модели.
Модели цитохромного комплекса
Модели фотосистемы 1.
Модели полной цепи электронного транспорта.
1.3.2. Пространственнораспределенные модели электронного транспорта.
1.3.3. Модели броуновской динамики.
Основы метода броуновской динамики.
Описание взаимодействия ппастоциаиина и цитохрома
Модель взаимодействия цитохрома с и цитохром соксидазы с учетом мембраны
1.3.3. Применение метода молекулярной динамики при моделировании связывания белков
1.4 Заключение к главе 1.
ГЛАВА 2. Многочастичная модель броуновской динамики
фото синтетических белков.
2.1. Модельная сцена.
2.2. Движение подвижных переносчиков.
2.2.1. Эллипсоиды вращения для моделирования движения молекул пластоцианина, цитохромаи флаводоксина
2.3. Электростатическое взаимодействие белков
2.3.1. Электростатические потенциалы для моделирования взаимодействия белков пластоцианина, флаводоксина, цитохромаи фотосистемы
2.4. Описание форлты белков и их столкновений
2.4.1. Аппроксимация поверхности белков пластоцианина, флаводоксина, цитохромаи комплекса фотосистемы 1 набором сфер для моделирования столкновения молекул.
2.5. Параметры модели и получаемые кинетические кривые
2.6 Заключение к главе Б
ГЛАВА 3. Многочастичное компьютерное моделирование взаимодействия пластоцианина и цитохромав растворе н люмене тилакоида
3.1. Моделирование взаимодействия пластоцианина и цитохромав растворе.
3.1.1. Построение модели
3.1.2. Зависимость константы скорости от расстояния связывания
3.1.3. Зависимость константы скорости от вероятности связывания. Влияние мутаций пластоцианина.
3.1.4. Оценка параметров модели.
3.1.5. Зависимость константы связывания пластоцианина и цитохрома от ионной силы
3.1.6. Заключение к разделу 3.1.
3.2. Моделирование взаимодействия пластоцианина и цитохромав люмене тилакоида.
3.2.1. Построение модели
3.2.2 Зависимость константы связывания пластоцианина и цитохрома от ширины люминального пространства
3.2.3. Зависимость константы связывания пластоцианина и цитохрома
от плотности расположения цитохромана мембране.
3.2.4. Описание экспериментальных данных по влиянию гиперосмотического шока на реакцию пластоцианина и цитохромав люмене тилакоида с помощью многочастичной модели.
3.2.5. Изучение роли электростатических взаимодействий в связывании пластоцианина и цитохромав люмене тилакоида
3.2.6. Влияние гетерогенного распределения молекул пластоцианина в люмене на кинетику его связывания с цитохромом.
3.2.7. Заключение к разделу 3.
ГЛАВА 4. Многочастичное компьютерное моделирование взаимодействия фотосистемы 1 с пластоцианином и флаводоксином в растворе
4.1. Моделирование взаимодействия флаводоксина и фотосистемы I растворе
4.1.1. Построение модели
4.1.2. Результаты моделирования.
4.2. Моделирование взаимодействия пластоцианина и фотосистемы 1 растворе
4.2.1. Построение модели
4.2.2. Оценка параметров модели.
4.2.3. Зависимость константы связывания пластоцианина и
фотосистемы 1 от ионной силы4 V
4.3. Заключение к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ7
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
ПРИЛОЖЕНИЕ. Алгоритм программы по автоматической аппроксимации поверхности белка набором сфер
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ЭТЦ элсктронтранспортная цепь
никотипамидадениндинуклеотидфосфат НАДФ
6 цитохромный комплекс цитохром С6 ЦИТОХрОМ С
I фотосистема 1 I1 фотосистема
Р0 реакционный центр фотосистемы 1, восстановленный Р0 реакционный центр фотосистемы 1, окисленный I I окисленная, с Р
I I восстановленная, с Р
пластоцианин
1 восстановленный, с Си
окисленный, с Си
концентрация
I предварительный комплекс и I
РсI0X предварительный комплекс 1 и I
I конечный комплекс и I
I0 конечный комплекс 1 и I0X
1 конечный комплекс 1 и I
константа связывания белков
коп константа диссоциации комплекса
константа переноса электрона внутри комплекса
константа обратного переноса электрона внутри комплекса
i константа прямой конформационной перестройки в комплексе
кс константа обратной конформационной перестройки в комплексе
пластохинон
i хлорофилл
ферредоксин
i флаводоксин
вероятность связывания
г расстояние связывания
ФМ флавинмононуклеотид
I светособирающий комплекс
II светособирающий комплекс
ферредоксин ЫАВРоксидоредуктаза
БД броуновская динамика
ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы
Актуальность


Однако в этих работах моделируется взаимодействие только пары белков, не рассматриваются ансамбли взаимодействующих макромолекул и не учитывается форма реакционного объема. В данной работе метод многочастичного прямого моделирования объединен с методом броуновской динамики и применен к описанию взаимодействия белков в фотосинтетических процессах. Разработанная нами
модель учитывает сложную геометрию люминального пространства, электростатические взаимодействия белков и их форму, а также позволяет получать кинетические кривые связывания белков. В модели используются современные данные о структуре фотосинтетических белков. Возможность построения такой модели появилась в последние годы благодаря получению данных о структуре исследуемых белков и развитию вычислительных ресурсов компьютеров. Метод может быть применен для моделирования взаимодействия белков различной природы. Разработать метод многочастичного компьютерного моделирования для описания взаимодействия фотосинтетических электронтранспортных белков с учетом электростатических сил и сложной формы белков. Построить модели взаимодействия в растворе следующих фотосинтетических белков пластоцианпна и цитохрома пластоцианина и комплекса I, флаводоксина и комплекса I. Оценить параметры прямых многочастичных моделей вероятности и расстояния связывания с использованием экспериментальных данных по взаимодействию белков в растворе. Построить модель взаимодействия пластоцианинацитохрома в люмене тилакоида. Изучить влияние электростатических взаимодействий и геометрии на кинетические характеристики процессов. Сравнить полученные эффекты с экспериментальными данными. Впервые построена многочастичная компьютерная модель броуновской динамики фотосинтетических белков, учитывающая электростатические взаимодействия, сложную форму белков и геометрию люминального пространства. Разработан метод аппроксимации поверхности белков набором сфер. Проведена идентификация параметров отдельных стадий процессов по экспериментальным данным. На модели показана важная роль электростатических взаимодействий в связывании пластоцианина с цитохромом пластоцианина с фотосистемой 1, фотосистемы 1 с флаводоксином. Результаты исследования существенно углубляют современные знания о роли электростатических взаимодействий и геометрических ограничений реакционного пространства в связывании подвижных белков переносчиков с мультибелковыми фотосинтетическими мембранными комплексами. Построенная модель позволяет изучать влияние мутаций белков на эффективность процессов фотосинтеза, что имеет большое практическое значение для оптимизации экспериментального поиска мутантов для повышения эффективности выхода фотосинтеза. Данная модель может быть использована для изучения взаимодействия белков различной природы, как в растворе, так и в реакционном объеме сложной формы и с гетерогенным распределением реагентов. Модель будет использована при проведении практикумов по биофизике темы Биологические мембраны и Математическое моделирование биологических процессов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на той той Международных конференциях Математика. Компьютер. Пущино, Международном семинаре i i Ii ii , Севилья, Испания, ом Международном симпозиуме vi vi, Хака, Испания, семинарах кафедры биофизики биологического факультета МГУ. По материалам диссертации опубликовано работ, из них 2 в журнале, рекомендованном ВАК для соискателей ученых степеней, 1 в зарубежном рецензируемом журнале, 4 в сборниках научных трудов международных конференций и 9 тезисов в сборниках тезисов докладов международных конференций. Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих описание методов и результатов работы, выводов, приложения, списка литературы из 8 наименований. Объем диссертации 3 страницы, рисунка и 7 таблиц. Автор выражает благодарность с. Коваленко И. Б. за внимание и постоянную помощь в работе, Громову Г1. А. и к. Устинину ДМ. Автор благодарит доцента, к. Грачева Е. А., профессора, д. Кренделеву Т. Е. и чл. РАН, д. Рубина А. Б. за ценные консультации.