Теоретическое исследование рН-зависимой регуляции электронного и протонного транспорта в хлоропластах

• Автор: Фролов, Алексей Евгеньевич
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

1. Обзор литературы.

1.1. Общие представления о фотосинтезе.

1.2. Цепь электронного транспорта хлоропластов.

1.3. Регуляция фотосинтеза в хлоропластах,

1.4. Цитохромный комплекс.

1.5. Математическое моделирование электронного ранспорта в фотосинтетических системах
1.6. Некоторые аспекты теоретического описания электронного транспорта, сопряженного с перносом протонов в биологических системах.

2. Квантовохимические методы расчетов.

2.1. Теоретические основы метода функционала плотности

2.2. Метод квантовохимических расчетов программа Природа.
3. Моделирование электронного и протонного транспорта в хлоропластах с учетом активации цикла Кальвина и изменений стромы3.
3.1. Структура модели 3.
3.1.1. Гсомсфические характеристики модели.
3.1.2. Функциональные характеристики системы.
3.2. Система уравнений и методы решения.
3.3. Результаты расчтов и их обсуждение
3.3.1. Поведение системы в ответ на включение света в различных
метаболических состояниях.
3.3.1.1. Метаболическое состояние 3.
3.3.1.2. Активность ферментов цикла Кальвина максимальна
3.3.1.3. Метаболическое состояние 4 А ТРсинтаза неактивна .
3.3.1.4. Метаболическое состояние 5 разобщенные хлоропласты.
3.3.2. Влияние начальных условий на кинетическое поведение системы.
3.3.2.1. Метаболическое состояние 3.
3.3.2.2. Активность ферментов цикла Кальвина максимальна
3.3.2.3. Влияние начальной концентрации окисленной формы конечного акцептора электрона на кинетическое поведение ФС1
3.3.3. Влияние параметров модели на поведеше системы
3.3.3.1. Влияние кислорода
3.3.3.2. Влияние параметров активации цикла Кальвина
3.3.3.3. Влияние АрН на активность ферментов цикла Кальвина
4. Квантовохимическое моделирование реакции окисления пластохинола в активном центре С, цитохромного комплекса.
4.1. Квантовохимические расчеты спектров ЭПР аналогов пластосемихинона
4.2. Энергетика реакции окисления триметил1,4бензохинола
4.2.1. Квантовохимическое моделирование реакции окисления ТМСНг.
4.2.1.1. Описание модельной системы
4.2.1.2. Оптимизация геометрии модельной системы.
4.2.1.3. Энергетический профиль первой стадии реакции
окисления ТМ2Н7
4.2.1.4. Перераспределение зарядов
4.2.1.5. Оценки константы скорости и энергии реорганизации.
4.2.1.6. Сродство триметил1,4бензохинола к железосерному белку Риске
4.2.1.7. Редуцированная модельная система
4.2.2. Квантовохимическое моделирование реакции окисления ТМрН.
4.2.2.1. Описание модепыюй системы.
4.2.2.2. Оптимизация геометрии модельной системы.
4.2.2.3. Энергетика реакции окиечения
Заключение.
Выводы
Список цитируемой литературы


Молекулы АТР и используется в хлоропластах для синтеза углеводов в лак называемых темповых стадиях фотосинтеза. Темповыми стадиями фотосинтеза обычно называют совокупность биохимических реакций, в результате которых происходит фиксация атмосферной углекислоты СО2 и образуются углеводы. Структурная и функциональная организация фотосинтетического аппарата различных фотосинтезирующих организмов хорошо изучена. Установлена последовательность световых и темновых стадий фотосинтеза, выявлены молекулярные механизмы ключевых реакций электронного переноса транспорта в хлоропластах, выяснены механизмы сопряжения протонного транспорта с процессами синтеза АТР, получены картины пространственного строения пигментбелковых и электронтранспортных комплексов комплексов для многих фотосинтезирующих организмов I, расшифровано строение АТРсинтазного комплекса . Одной из наиболее актуальных задач биохимии фотосинтеза является выяснение механизмов регуляции фотосинтетнческих процессов, благодаря которым достигается максимальная эффективность работы фотосинтетического аппарата и обеспечивается его адаптация к изменяющимся внешним условиям . Рис. Схема строения хлоропласта 2. В хлоропластах высших растений имеются две фотосистемы фотосистема 1 ФС1 и фотосистема 2 ФС2, различающиеся по составу белков, пигментов и оптическим свойствам. Светособирающая антенна ФС1 поглощает свет с длиной волны Я 0 0 нм, а ФС2 свет с Я 0 0 нм. Индуцированное светом окисление реакционных центров ФС1 и ФС2 сопровождается их обесцвечиванием, которое характеризуется изменениями их спектров поглощения при Я 3 нм и Я 2 нм. Обе фотосистемы, ФС1 и ФС2, связаны между собой посредством цепи электронных переносчиков. ФС2 является источником электронов для ФС1. Инициируемое светом разделение зарядов в фотореакционных центрах Р0 и Рбво обеспечивает перенос электрона от воды, разлагаемой в ФС2, к конечному акцептору электрона молекуле ЫАОР. Цепь электронного транспорта ЦЭТ, соединяющая две фотосистемы, в качестве переносчиков электрона включает в себя молекулы пластохинона, отдельный электронтранспортный белковый комплекс так называемый Ькомплекс и водорастворимый белок пластоцианин Рс. Схема, иллюстрирующая взаимное расположение электронтранспортных комплексов в тилакоидной мембране и путь переноса электрона от воды к ЫАОР , показана на рис. Рис. Схема расположения электронтранспортных комплексов ФС1, ФС2 и Ь комплекс и их взаимодействие в тилакоидной мембране . В состав ФС2 входят первичный донор электрона Рвво, представляющий собой специальную пару димер молекул хлорофилла а, первичный акцептор электрона феофитин РЬе, вторичные акцепторы молекулы пластохинона Ов и водорасщепляющий комплекс. В состав ФС1 входят первичный донор электрона Р0, представляющий собой специальную пару димер молекул хлорофилла а, первичный акцептор электрона молекула хлорофилла а Ао, вторичные акцепторы две молекулы филлохинона АО и три переносчика белковой природы ферредоксины Рх, Ра, Рв. В переносе электрона от акцепторов ФС1 к участвуют растворенный в строме белок ферредоксин Ы и связанный с мембраной специальный электронтранспортный комплекс ферредоксинИАОРредуктаза РТЯЯ, функционирующие на внешней стороне тилакоидной мембраны. При восстановлении одной молекулы ЫАОР до ЫАОРН на нее переносятся два электрона и один ион водорода, который захватывается из стромы. Важнейшую роль в обеспечении энергетического сопряжения в мембранах тилакоидов, как и во всех остальных энергопреобразующих органеллах митохондрии, хроматофоры фотосинтезирующих бактерий, играют процессы протонного транспорта 26. Электронтранспортные процессы сопряжены с процессами трансмембранного переноса протонов. При работе цепи электронного транспорта ионы водорода поглощаются снаружи из стромы на стадиях восстановления ЫАОР и образования пластохинола и выделяются внутри тилакоидов на стадиях разложения воды и окислении пластохинола рис.