Введение
Глава 1. Обзор литературы. Механизмы первичных процессов фотосинтеза в хлоропластах и их математические модели . 9
1.1. Конкуренция процессов захвата и потерь световой энергии в антеннах фотосистем 10
1.1.1. Миграция энергии в антенных комплексах и фотохимический захват в РЦ фотосистем 1,2 10
1.1.2. Флуоресценция в антенных комплексах фотосистем 1 и 2. Индукция флуоресценции 12
1.1.3. Концепция энергетических пулов Ватлера 17
1.2. Стабилизация разделения зарядов в РЦ фотосистемы 2 17
1.2.1. Модель обратимой радикальной пары (ОРП) Шатца 17
1.2.2. О применимости термодинамических представлений в модели ОРП 19
1.2.3. Учет воздействия электрического поля в модели ОРП 21
1.2.4. Результаты применения модели ОРП 24
1.2.5. Область применения модели ОРП 25
1.2.6. Значение модели ОРП и выводы 26
1.3. Акцепторная и донорная сторона ФС2 27
1.3.1. Энергетика переноса электронов 27
1.3.2. Экспериментальное определение редокс-потенцналов первичных акцепторов ФС 2 28
1.3.2.1. Физиологическое значение различий редокс-форм акцепторов электронов 29
1.3.2.2. Достоверность численных опенок редокс- потенциалов. 29
1.3.3. Вторичный акцептор электронов ФС2 30
1.3.4. Особенности переноса электронов з ФС 2 31
1.3.5. Модель двухэлектронных ворот ФС2. Объединение с моделью ОРП 32
1.3.6. Математические модели донорных и акцепторных процессов ФС2 34
1.3.6.1. Модель, учитывающая процессы КВК 34
1.3.6.2. Модель, учитывающая изменение выхода рекомбинации радикальной пары в закрытых РЦ 35
1.3.6.3. Модель, учитывающая процессы КВК и рекомбинации радикальной пары в закрытых РІ1, 36
1.3.7. Выводы о результатах моделирования процессов ФС 2 36
1.4. Молекулярные комплекты тилакоидпой мембраны - b^f комплекс и фотосистема 1 (ФС 1) 36
1.4.1 .Механизмы переноса электронов и модели цитохромного 6/комплекса 36
1.4.2. Модели фотосистемы 1 (ФС1) и подвижные переносчики электронов. Циклический транспорт электронов 38
1.5. Модели процессов в компартмеитах тилакоида 39
1.5.1. Модель, связывающая световые и темновые процессы фотосинтеза 39
1.5.2. Модель, учитывающая протонный транспорт в тилакоидах 40 1.5.4. Выводы к пунктам 1.4. и 1.5 40
1.6. Электрохимический потенциал мембраны тилакоида 41
1.6.1. Электрический потенциал мембраны тилакоида и потоки ионов. 41
1.6.2. Модель потоков ионов через тилакоидпую мембрану Ван Кутена 42
1.6.3. рН и буферные системы стромы и люмена 43
1.6.4. Составляющие электрохимического потенциала 45
1.6.5. F(1F| АТФ синтаза тилакоидной мембраны 46
1.6.6. Вывод к пункту 1.6 49
1.7. Вывод ко всему лит обзору 49
1.8. Постановка задачи создания обобщенной модели
первичных процессов фотосинтеза 50
Глава 2- Общие теоретические принципы создания модели первичных процессов фотосинтеза 52
2.1. Компартментальная схема тилакоида 52
2.2. Кинетические механизмы функционирования первичных процессов фотосинтеза 54
2.2.1 Описание функционирования мультиферменгного комплекса. 54
2.2.2. Описание функционирования подвижных переносчиков 56
2.2.3. Баланс зарядов и электрохимический потенциал в модели тилакоида 56
2.3. Способы задания скоростей реакций 58
2.3.1.Константы скоростей и константы равновесия реакции, 58
2.3.2. Применимость термодинамических представлений в кинетической модели 59
2.3.3. Зависимость параметров реакций переноса заряда через мембрану тилакоида от потенциала 60
2.3.4. Оценка эффективного сечения поглощения антенных комплексов 62
2.4. Модель тилакоида, принципы формирования и отладка блоков модели 63
2.4.1. Выбор экспериментальных результатов для отладки модели тилакоида 65
2.4.2. Проблемы компьютерной обработки модели тилакоида 66
Глава 3. Модель изолированной фотосистемы 2 (ФС2) 67
3.1. Экспериментальное обоснование структуры модели 67
3.1.1. Кинетические и термодинамические характеристики ФС2 67
3.1.2. Постановка задачи моделирования ФС2 69
3.2. Формулировка модели. (Полная схема и система уравнений) 71
3.2.1 Набор состояний переносчиков ФС2 71
3.2.2. Последовательность процессов ФС2 73
3.2.3. Математическое описание процессов ФС2 75
3.2.4. Учет воздействия потенциала при формировании констант реакций трансмембранного переноса электрона в модели ФС2 75
3.2.5. Пулы состояний переносчиков ФС2 76
3.2.6. Особенности компьютерного эксперимента для модели ФС 2. 77
3.3. Результаты расчетов в модели изолированной ФС2. Процессы на донорной и акцепторной сторонах ФС2 79
3.3.1. Влияние интенсивности света па быструю фазу ИФ 79
3.3.1.1. Изменения выхода флуоресценции 79
3.3.1.2. Величина выхода флуоресценции на стадиях ИФ при увеличении интенсивности света 80
3.3.1.3. Постановка задач для анализа результатов моделирования 81
3.3.1.4. Изменение во времени концентраций редокс- форм и степени восстановленное первичного хинонного акцептора 83
3.3.2. Моделирование влияния реагентов на донорной и акцепторной сторонах ФС2 86
3.3.2.1. Действие диурона на быструю фазу ИФ 86
3.3.2.2. Влияние параметров пула подвижных хинонов на быструю фазу ИФ 89
3.3.2.3. Моделирование воздействия на КВК. Гидроксиламин. Ограничение допирования электрона от КВК в ФС2. 92
3.3.2.4. Влияние рН стромы и люмена на быструю фазу ИФ 95
3.4. Результаты расчетов в модели изолированной ФС2. Моделирование влияния электрического потенциала на процессы ФС2. 97
3.4.1. Быстрая фазаИФ при изменении потенциала 97
3.4.1.1. J-1-уровни ИФ при увеличении потенциала. Сравнение с экспериментом. 97
3.4.1.2. Воздействие потенциала на кинетику редокс-компонент на J-I-уровнях быстрой ИФ в модели ФС2 98
3.4.2. Моделирование влияния потенциала на стационарные значения флуоресценции ФС2. Сравнение с экспериментом 99
3.4.2.1. Влияние потенциала в условиях средней степени восстановленное РІД ФС2 101
3.4.2.2. Влияние потенциала в условиях высокой и низкой степени восстановленное РЦ 103
3.4.3. Воздействие потенциала на стационарные величины концентраций редокс- состояний в модели ФС2 !05
3.4.4. Воздействие потенциала на пул рекомбиниругощей радикальной пары (РРП) 106
3.4.5. Воздействие потенциала на потоки электронов в ФС2 109
Глава 4. Модель первичных процессов фотосинтеза в хлоропластах (модель тилакоида) 112
4.0. Постановка задачи разработки обобщенной модели тилакоида 112
4.1. Переход от модели ФС2 к модели тилакоида 113
4.1.1. Светоиндуцированный потенциал в модели ФС2 113
4.1.2. Результаты моделирования процессов ФС2 с учетом потоков ионов 115
4.1.3. Моделирование процессов переноса электронов в цитохромном be f комплексе 118
4.1.3.1. Экспериментальное обоснование структуры модели b<; f комплекса 118
4.1.3.2. Формулировка модели b6 f комплекса 119
4.1.3.3. Цели моделирования процессов в
цитохромном ЬЙ f комплексе 123
4.1.4. Кинетические вклады блоков модели ФС2+потенциал+(АТФ-аза)
+( Ьб f комплекс) в энергизациго тилакоидной мембраны. 123
4.1.4.1. Электрический потенциал 123
4.1.4.2. Электрохимический потенциал протонов 126
4.1.4.3. Вклады процессов переноса зарядов в формирование Д//^ і 127
4.1.5. Моделирование процессов ФС1 130
4.1.6. Модель потоковых процессов в тилакоидс в темноте 131
4.1.7. Выводы о результатах моделирования первичных процессов в блоках мультифермептных комплексов 132
4.2. Моделирование первичных процессов фотосинтеза в обобщенной модели тилакоида 133
4.2.1. Формулировка модели тилакоида 133
4.2.2. Моделирование индукции флуоресценции в модели тилакоида. 134
4.2.3. ИФ и концентрации редокс- форм, рассчитанные в обобщенной модели при различных интенсивности света. 137
4.2.3.1 Динамика заполнения редокс- состояний компонент ЭТИ, при низких световгэтх интенсив но стях 138
4.2.3.2 Динамика заполнения редокс- состояний компонент ЭТЦ при высоких световых интенсивностих 140
4.2.3.3 Кинетические компоненты ИФ при увеличении интенсивности освещения 142
4.2.4. Моделирование электрохимического потенциала гилакоидной мембраны в модели тилакоида 145
4.2.4.1 Светойндуцированный электрический потенциал 145
4.2.4.2 Моделирование светоиндуїшрованного А]йи+ 148
Заключение и общие выводы. 150
Приложение I
