Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Структурно-динамические (кинетические) и агентные (многочастичные броуновские) модели использованы для изучения роль рН в регуляции электронных потоков в областях Фотосистемы II и Фотосистемы I при переключении нормального режима активного фотосинтеза и фиксации углерода на режим неактивного фотосинтеза и продуцирования молекулярного водорода. Мультимасштабная кинетическая модель описывает электронные потоки в ФС II, изменение концентрации протонов в строме и восстановление пула пластохинонов в фотосинтетическом пути и в цепи хлородыхания. На ее основе предложен кинетический механизм скачкообразного падения активности Фотосистемы II, закисления стромы в области Фотосистемы II и переключения потока электронов на путь хлородыхания. Многочастичные броуновские модели описывают конкурентное взаимодействие молекул ферредоксина, принимающего электроны от ФС1, с альтернативными акцепторами: NAD(P)H (путь фиксации CO2) и гидрогеназой (путь производства водорода). Анализ результатом многочастичного моделирования и электростатических свойств взаимодействующих молекул показал, что поток электронов от ферредоксина на гидрогеназу возрастает при щелочных значениях рН (~8-8.5) в окрестности акцепторного участка Фотосистемы I. Полученные результаты подтверждает широко обсуждаемую в литературе гипотезу о регуляторной роли локальных значений рН в процессах фотосинтеза.
фотосинтез, электронный транспорт, водород-выделяющие микроводоросли, кинетические модели, многочастичные броуновские модели, ферредоксин
1. Rubin A.B., Riznichenko G.Yu. Mathematical biophysics. Springer, 2014
2. Stirbet A., Riznichenko G.Yu., Rubin A.B. Modeling chlorophyll a fluorescence transient: Relation to photosynthesis. Biochemistry (Moscow), 2014, vol. 79, pp. 291-323.
3. Gaffron H., Rubin J. Fermentative and photochemical production of hydrogen in algae. JGP, 1942, vol. 26, pp. 219-240.
4. Oey M., Sawyer A. L., Ross I.L., Hankamer B. Challenges and opportunities for hydrogen production from microalgae. Plant Biotechnol. J., 2016, vol. 14, pp. 1487-1499.
5. Melis A., Happe T. Hydrogen production. Green Algae as a source of energy. Plant Phys., 2001, vol. 12, pp. 3740-3748.
6. Tolstygina I.V., Antal T.K., Kosourov S.N., Krendeleva T.E., Rubin A.B., Tsygankov A.A. Hydrogen production by photoautotrophic sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii pre-grown and incubated under high light. Biotech. Bioeng., 2009, vol. 102, no. 4, pp. 1-7.
7. Volgusheva А.A., Kukarskikh G.P., Krendeleva T.E., Rubin A.B., Mamedov F. Hydrogen photoproduction in green algae Chlamydomonas reinhardtii under Magnesium deprivation. RSC Advances, 2015, vol. 5, no. 8, pp. 5633-5637.
8. Antal T.K., Matorin D.N., Kukarskikh G.P., Lambreva M.D., Tyystjärvi E., Krendeleva Т.E., Tsygankov A.A., Rubin A.B. Pathways of hydrogen photoproduction by immobilized Chlamydomonas reinhardtii cells deprived of sulfur. Int. J. Hyd. Energy, 2014, vol. 39, pp. 18194-18203.
9. Tsygankov A., Kousourov S., Siebert M., Ghirardi M. Hydrogen photoproduction under continuous illumination by sulfur-deprived, synchronous Ch. reinhardtii cultures. Int. J. Hyd. Energy, 2002, vol. 27, pp. 1239-1244.
10. Antal T.K., Krendeleva T.E., Rubin A.B. Study of Photosystem 2 Heterogeneity in the Sulfur Deficient Green Alga Chlamydomonas reinhardtii. Photosynth. Res., 2007, vol. 94, pp.13-22.
11. Tikhonov A.N. pH-Dependent regulation of electron transport and ATP synthesis in Chloroplasts. Photosynth. Res., 2013, vol. 116, pp. 511-534.
12. Plyusnina T.Yu., Riznichenko G.Yu., Rubin A.B. Regulation of electron transport pathways in cells of Chlamydomonas reinhardtii under stress conditions. J. of Plant Physiology, 2013, vol. 60, no. 4, pp. 518-528.
13. Yacoby I., Pochekailov S., Toporik H., Ghirardi M., King P.W., Zhang S. Photosynthetic electron partitioning between [FeFe]-hydrogenase and ferredoxin:NADP+-oxidoreductase (FNR) enzymes in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2011, vol. 108, no. 23, pp. 9395-9401.
14. Diakonova A.N., Khruschev S.S., Kovalenko I.B., Riznichenko G.Yu, Rubin A.B. The role of electrostatic interactions in the formation of ferredoxin-ferredoxin NADP+ reductase and ferredoxin-hydrogenase complexes. Biophysics, 2016, vol. 61, no. 4, pp. 572-579.
15. Diakonova A.N., Khrushchev S.S., Kovalenko I.B., Riznichenko G.Yu, Rubin A.B. Influence of pH and ionic strength on electrostatic properties of ferredoxin, FNR, and hydrogenase and the rate constants of their interaction. Physical Biology, 2016, vol. 13, no. 5, p. 056004.
16. Cardona T., Sedoud A., Cox N., Rutherford A.W. [et al.] Charge separation in Photosystem II: A comparative and evolutionary overview. Biochimica et biophysica acta-bioenergetics, 2012, vol. 1817, pp. 26-43.
17. Gibasiewicz K., Dobek A., Breton J., Leibl W. Modulation of Primary Radical Pair Kinetics and Energetics in Photosystem II by the Redox State of the Quinone Electron Acceptor QA. Biophys. J., 2001, vol. 80, pp. 1617-1630.
18. Martin E., Samoilova R.I., Narasimhulu K.V., Lin T.-J., O’malley P.J., Wraight C.A., Dikanov S.A. Hydrogen bonding and spin density distribution in the QB semiquinone of bacterial reaction centers and comparison with the QA site. Am. Chem. Soc., 2011, vol. 133, pp. 5525-5537.
19. Antal T.K., Krendeleva T.E., Laurinavichene T.V., Makarova V.V., Ghirardi M.L., Rubin A.B., Tsygankov A.A., Seibert M. The dependence of algal H2 production on Photosystem II and O2 consumption activities in sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii cells. Biochim. Biophys. Acta, 2003, vol. 1607, pp.153-160.
20. Plyusnina T.Yu., Riznichenko G.Yu., Rubin A.B. An analysis of the distribution of key metabolic fluxes in Chlamydomonas reinhardtii cells under the conditions of a sulfur deficit. Biophysics, 2017, vol. 62, pp. 385-395.
21. Kovalenko I.B., Abaturova A.M., Gromov P.A., Grachev E.A., Ustinin D.M., Riznichenko G.Yu., Rubin A.B. Direct simulation of plastocyanin and cytochrome f interactions in solution. Phys. Biol., 2006, vol. 3, pp. 121-129.
22. Kovalenko I., Knyazeva O., Antal T., Ponomarev V., Riznichenko G., Rubin A. Multiparticle Brownian dynamics simulation of experimental kinetics of cytochrome bf oxidation and photosystem 1 reduction by plastocyanin. Physiologia Plantarum, 2017, vol. 161, pp. 88-96.
