Скачать презентацию
Идет загрузка презентации. Пожалуйста, подождите
Презентация была опубликована 10 лет назад пользователемНиколай Волокитин
1 АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В БИОФИЗИКЕ Андрей Борисович Рубин МГУ, Биологический факультет каф. биофизики
2 Колебания в гликолизе Активация ФФК [Гл] Ф6Ф ФДФ (x)(y)
3 Модель гликолиза. Фазовые портреты и кинетика Кинетика изменений концентраций фруктозо 6 фосфата (х) и фруктозодифосфата (у) (справа) и фазовый портрет системы (слева) при разных значениях параметров системы, а бесколебательный процесс (узел на фазовой плоскости; избыток глюкозы). б – колебания с постоянной амплитудой и фазой (предельный цикл на фазовой плоскости; голодные клетки).
4 PQ PQH 2 PQ H2OH2O P 680 QAQA 2H + 1/2O 2 Chl 2H + Fd Pc b h bl bl FeS R P 700 FeS I Chl 3H + K+K+ Cl - H+H+ NADPH NADP + ADP + Pi ATP + + _ _ lumen stroma Thylakoid membrane h h fluorescence PS IIPS I ATP- synthase bf Q-cycle R-COO - - OOC R-COO - f F0F0 F FmFm t, c Calvin cycle Photosynthetic pathways in chloroplasts pH
5 Scheme of the states of Photosystem 2 Cl-chlirophyll Phe-pheophytitn Q A,Q b – quinone acceptors 7 Chl + Phe - Q A Q B - y 3 Chl + Phe Q A - Q B - y 4 Chl* Phe Q A - Q B - y 6 Chl Phe Q A Q B 2 - Chl* Phe Q A Q B 2 - Chl + Phe - Q A Q B 2 - Chl + Phe Q A - Q B 2 - Chl Phe Q A - Q B 2 - Chl* Phe Q A - Q B 2 - Chl + Phe - Q A - Q B 2 - z 1 z 2 z 3 z 4 z 5 z 6 z 7 Chl Phe Q A Chl* Phe Q A Chl + Phe - Q A Chl + Phe Q A - Chl Phe Q A - Chl* Phe Q A - Chl + Phe - Q A - g 1 g 2 g 3 g 4 g 5 g 6 g 7 2H s + PQH 2 2H s + PQH 2 2H s + PQH 2 2H s + PQH 2 2H s + PQH 2 2H s + PQH 2 2H s + PQH 2 PQ Chl Phe Q A Q B - y 1 Chl + Phe - Q A - Q B - y 7 Chl Phe Q A - Q B - y 5 Hl+Hl+ Chl Phe Q A Q B Chl* Phe Q A Q B Chl + Phe - Q A Q B Chl + Phe Q A - Q B Chl Phe Q A - Q B Chl* Phe Q A - Q B Chl + Phe - Q A - Q B x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 Chl* Phe Q A Q B - y Hl+Hl+ 4 Hl+Hl Hl+Hl
6 The photosystem II model block considers electron transfer processes at the donor and acceptor sides of PSII taking into account the recombination processes including non-radiative recombination in PS II (arrows)
7 FmFm FvFv FoFo P S D O F FoFo Time (s) 5 Fluorescence induction curve Photosynthetic efficiency
8 Рис.6. Индукционные эффекты, рассчитанные с помощью модели первичных процессов фотосинтеза для трех разных интенсивностей освещения объекта: 1000, 100 и 10 (1%) Вт м –2. Рисунки, расположенные в одном столбце, соответствуют одинаковому уровню освещенности. Результаты показаны на логарифмической шкале времени. а) относительный выход флуоресценции (F) и значение трансмембранного электрического потенциала ( ); б) концентрации различных возбужденных состояний ФС II; в) скорости процессов, генерирующих и потребляющих электрический заряд в люмене тилакоида: H + bf – поток протонов в люмен при окислении пластохинола на люменальной стороне стороне bf комплекса; H + КВК – поток протонов в люмен от кислородвыделяющего комплекса ФС II; H + АТФ – скорость потребления протонов люмена в АТФ-синтазной реакции; K + leak – скорость утечки ионов K + из люмена тилакоида.
9 Рис. 3 Структура клетки Chara corallina (срез клетки вдоль длинной оси) Водоросль Chara corallina Рис.2. а) внешний вид водоросли C. corallina б) Формирование кольцевых зон рН вблизи клеток C. corallina (14 мин); после включения (0 мин) проходит через стадию пятен (8 мин); Окрашивание феноловым красным (75 мкМ) рН среды 6.5, рН щелочных зон ~ 8.5 а б хлоропласты подвижный слой цитоплазмы клеточная стенка
10 Ц ИТОПЛАЗМА h ATФ AДФ+Ф i H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ pH тилакоид ВАКУОЛЬ хлоропласт m pH m Свет ВНЕШНЯЯ СРЕДА pH m 0 Потоки остальных ионов (K +, Na +, Cl - и т.д.) Схема последовательности процессов после включения освещения. (Масштабы не соблюдены) h in h out 1.Свет инициирует процессы фотосинтеза, рН тилакоида понижается, рН хлоропласта повышается. 2. Повышение рН внутри хлоропластов инициирует поток протонов из цитоплазмы в хлоропласты. 3.Пoток протонов из цитоплазмы в хлоропласты приводит к повышению рН цитоплазмы (рН). 4. Активация протонных каналов цитоплазматической мембраны. 5. Увеличение потока протонов через каналы приводит к понижению рН (рН) цитоплазмы и деполяризации мембранного потенциала ( m). 6. Активация протонной АТФ-азы. 7. Увеличение потока протонов через АТФ-азу приводит к понижению рН (рН) снаружи клетки и гиперполяризации мембранного потенциала ( m).. 8. Активация протонных каналов. Цикл вновь повторяется (со стадии 5)
11 k- 2 e - E1E1 E2E2 E1HiE1Hi E1HiHiE1HiHi E 2 H o E2HoHoE2HoHo 2k 1 H i k1Hik1Hi 2k- 1 k- 1 k1Hok1Ho 2k 1 H o 2k- 1 k- 1 k 2 e k 4 e k- 4 e - k- 3 k3k3 Кинетическая схема работы фермента и уравнения, описывающие концентрации отдельных состояний и изменение концентрации протонов вблизи поверхности клетки (1), H 0 - концентрация протонов на внешней стороне, Н i – на внутренней стороне плазматической мембраны
12 Схема проводящей мембраны C – емкость g - проводимость Ток через ATP Ток утечки
13 Безразмерные уравнения для концентрации протонов вне плазматической мембраны ( h 0 ) и потенциала на мембране,,,, L – длина клетки (м).,,,,.
14 Исследование распределенной системы Профиль рН Расстояние вдоль клетки, мм а) pH профиль вдоль клетки водоросли после освещения [Bulychev et al., J.Theor. Biol., 2001, 212, ] б) Модельный эксперимент Параметры системы: g=0.08, 0 =-1.335, n=0.9, z=1, =0.025, q=0.001, D=5, I= h out r а б
15 Ц ИТОПЛАЗМА h ATФ AДФ+Ф i H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ pH тилакоид ВАКУОЛЬ хлоропласт m pH m Свет ВНЕШНЯЯ СРЕДА pH m 0 Потоки остальных ионов (K +, Na +, Cl - и т.д.) Схема последовательности процессов после включения освещения. (Масштабы не соблюдены) h in h out 1.Свет инициирует процессы фотосинтеза, рН тилакоида понижается, рН хлоропласта повышается. 2. Повышение рН внутри хлоропластов инициирует поток протонов из цитоплазмы в хлоропласты. 3.Пoток протонов из цитоплазмы в хлоропласты приводит к повышению рН цитоплазмы (рН). 4. Активация протонных каналов цитоплазматической мембраны. 5. Увеличение потока протонов через каналы приводит к понижению рН (рН) цитоплазмы и деполяризации мембранного потенциала ( m). 6. Активация протонной АТФ-азы. 7. Увеличение потока протонов через АТФ-азу приводит к понижению рН (рН) снаружи клетки и гиперполяризации мембранного потенциала ( m).. 8. Активация протонных каналов. Цикл вновь повторяется (со стадии 5)
16 Белок реакционного центра
17 Перенос электрона в реакционном центре
18 The scheme of time scales of protein molecular dynamics Primary events in photosynthesis and vision – s Local dynamics of atoms and small groups – s -of side chains and polypeptide chain segments – s Motions of domains and subunits – s Release of bound ligand molecules – s Folding-unfolding kinetics – 10 2 s
19 P*P* I QAQA QBQB CLCL CHCH CLCL P+P+ Mb - CO P* Bchl Bpheo Q A P* Bpheo Q A Q B P 700 A 0 A 1 F X F B F A H2OH2O D2OD2O s 180 K k tunn > k act at T
20 1 Conf. 2 Tunneling 3 Conf.
21 Frozen under illumination Q-AQ-A e-induced conform. P+P+ QBQB QBQB P+P+ QAQA Frozen in the dark Q-AQ-A
22 Пространственное расположение комплексов в мембране
23 Scene of the direct model
24 Brownian motion of the mobile carrier f(t) – casual force, distributed by Gauss average value - zero dispersion 2kTξ k – Bolzmann constant, T – temperature, ξ – friction coefficient of the media ξ = f ( t ) dx dt Langeven Equation:
25 Model trajectory of PQ in membrane filled by PS1 and cytochrome complexes
26 Ecvipotential surfaces calculated according to Poisson-Bolzmann equations model Oxidesed Рс Reduced cyt f Ion strength mM, pH=7, ε р-ра =80; ε белка =2; red -6.5 мВ, blue мВ; green – atoms of molecules. Dotted lines connect residueson Pc and Cytf that were used by simulation for calculation the distance between proteins r1 r2 r4 r3
27 Реакция между Pc и cytf в люмене тилакоида z x x Тилакоидные мембраны люмен pc cyt Экспериментальные данные: Диаметр гран ~ 300 нм (Shimoni et al, 2005) Плотность цитохромных комплексов на мембране 1.3·10 3 шт./мкм 2 (Albertsson et al, 2001) Исходные значения параметров модели: -Площадь тилакоидных мембран - 322х322 нм 2 -Количество молекул Pc и cytf -270 шт -Расстояние между мембранами 10 нм -Ориентация cytf относительно мембраны в соответствии с ЯМР структурой комплекса Pc-cytf Модель взаимодействия Pc-cyt f в люмене тилакоида
28 Time Fitted curve according to mass action law Simulated curve Concentration of P 1 P 2 Reaction that we simulate: P 1 +P 2 P 1 P 2 k V = k[P 1 ][P 2 ] Reaction rate: After the simulation is done, we need to estimate the rate of protein complex formation rate We estimate k by fitting k The result of multiparticle direct simulation: The model P = 0.01 r t rand Slow reaction
29 Зависимость константы скорости реакции между Pc и cytf в люмене тилакоида от расстояния между мембранами (площадь мембран постоянна =322х322 нм2, количестве молекул Pc и cytf=270 шт) 10 нм Люмен: молекулы цитохрома расположены на мембране 6 нм Модель взаимодействия Pc-cyt f в люмене тилакоида z P = 0.01 r t rand Slow reaction
30 Аппроксимация модельной кинетической кривой реакции двух молекул с помощью закона действующих масс P = 1 r
31 Накопление протонов Концентрация протонов в плоскости мембраны, через 5 миллисекунд после начала освещения
32 Профиль концентрации протонов в люмене в плоскости мембраны
34 Синтез АТФ Количество синтезированной АТФ в зависимости от времени
35 Гликолиз с периодическим поступлением фосфоэнолпирувата [Ф6Ф] Собственные колебания (без периодического притока)
36 t Рост в ограниченном объеме N
38 Дендриты
39 Сальвадор Дали Распятие
40 Galina Riznichenko Evgeny Grachev Natalia Beljaeva Pavel Gromov Ilia Kovalenko Dmitry Ustinin Anna Abaturova Tatjana Plusnina Nastja Lavrova Vladimir Paschenko Petr Noks
Еще похожие презентации в нашем архиве:
© 2024 MyShared Inc.
All rights reserved.