|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Мезомасштабный подход к моделированию фотосинтетического переноса электронов с использованием клеточных автоматовтезисы доклада
- Авторы: Хрущев С.С., Плюснина Т.Ю., Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б.
- Сборник: Актуальные вопросы биологической физики и химии. БФФХ-2022: материалы XVII международной научной конференции, г. Севастополь, 19-23 сентября 2022 г
- Тезисы
- Год издания: 2022
- Место издания: г. Севастополь
- Первая страница: 97
- Последняя страница: 98
- Аннотация: Сложная структурная организация фотосинтетического аппарата высших растений имеет большое значение для успешного протекания процессов запасания энергии света в форме химических связей. В настоящее время подробно изучена молекулярная организация трансмембранных мультиферментных комплексов, в которых происходят основные фотохимические и окислительно-восстановительные процессы фотосинтеза, и механизмы взаимодействия с ними подвижных переносчиков электрона белковой и хинонной природы. Основанное на этих данных математическое моделирование позволило выявить многие из ключевых механизмов первичных фотобиологических процессов, происходящих в пределах молекулярных комплексов размером порядка десятков нанометров и имеющих характерные времена в диапазоне от фемто- до наносекунд. Полученные результаты дали возможность понять, почему трансформация энергии не может происходить в гомогенной среде, но требует локализации окислительно-восстановительных реакций в крупных трансмембранных белковых комплексах. Это позволило выявить наиболее чувствительные к действию физических и химических факторов стадии первичных процессов фотосинтеза, что имеет большое практическое значение для применения биофизических подходов в экологическом мониторинге и био- и агротехнологиях.Однако физический смысл сложной пространственной организации тилакоидных мембран хлоропластов и гетерогенного распределения трансмембранных комплексов в разных их участках до сих пор не очевиден. Данные криоэлектронной микротомографии показывают, что плотно упакованные стопки тилакоидов – граны – «пронизывают» менее плотно упакованные стромальные ламеллы, и в области контакта гранальных и стромальных ламелл происходит формирование спиральных структур, соединяющих эти два типа ламелл. Для каждого из этих трех типов тилакоидов характерен свой белковый состав мембраны. Традиционные модели броуновской и молекулярной динамики с атомным разрешением требуют чрезвычайно больших вычислительных ресурсов и не позволяют промоделировать для таких больших структур процессы, характерные времена которых варьируют от миллисекунд до секунд и минут. Математические модели, основанные на решении дифференциальных уравнений в частных производных, также оказываются неподходящими для моделирования процессов в хлоропласте, так как размер мобильных агентов, осуществляющих перенос электрона, оказывается сравнимым с размерами компартментов, в пределах которых происходит диффузия, и обычные представления о концентрации оказываются неприменимыми. Поэтому для анализа происходящих в таких структурах процессов необходима разработка новых мезомасштабных подходов к математическому моделированию.В данной работе рассматривается основанная на методе клеточных автоматов модель фрагмента хлоропласта, включающего грану и сопряженные с ней стромальные тилакоидные ламеллы. В качестве основы для модели разработана аналитическая геометрия граны и окружающих ее стромальных ламелл, воспроизводящая наблюдаемую в эксперименте ультраструктуру, и позволяющая варьировать форму компартментов изменением числовых параметров. Пространство внутри хлоропласта разбивается на ромбододекаэдрические ячейки объемом 2 нм3, используются тороидальные (периодические) граничные условия. Каждой ячейке присваивается идентификатор компартмента: строма, люмен либо тилакоидная мембрана, и производится расстановка трансмембранных белковых комплексов и мобильных переносчиков электрона. Белковые молекулы занимают несколько соседних ячеек, их форма задается по данным рентгеноструктурного анализа или криоэлектронной микроскопии. Модель является дискретной по времени, на каждом шаге моделирования рассчитываются вероятности перемещения молекул подвижных переносчиков электрона в пространстве, переноса электрона между подвижными переносчиками и трансмембранными комплексами, и переноса электрона между редокс-центрами, входящими в состав трансмембранных комплексов. Предложенный подход позволил создать модель граны тилакоида, состоящей из нескольких тысяч трансмембранных белковых комплексов и подвижных белков – переносчиков электрона.
- Добавил в систему: Хрущев Сергей Сергеевич