ИСТИНА

Реакционные центры (РЦ) фотосистемы II (ФС II) представляют собой сложные молекулярные комплексы со светособирающей антенной, эффективное сечение которой может меняться. В зависимости от размера антенны РЦ могут быть трех типов: α-центры – димеры РЦ с пристыкованными светособирающими комплексами, β-центры – отсутствует периферическая антенна, γ-центры – отсутствует периферическая и внутренняя антенны (остается только коровая часть). В неблагоприятных условиях часто наблюдается увеличение доли РЦ с редуцированной антенной, β- и γ-центрами. Соотношение РЦ ФСII с разными размерами светособирающей антенны зависит от условий роста и действия факторов стресса. Изменение соотношения различных типов РЦ ФСII может служить индикатором действия стресса на клетки растений и водорослей. Оценка таких изменений может быть полезна для биотехнологических задач и экологического мониторинга. Распространенным способом оценки соотношения реакционных центров с антеннами разного размера является анализ кривой индукции флуоресценции хлорофилла (ИК) в образцах, обработанных 3-(3,4-дихлорфенил)-1,1-диметилмочевиной (DCMU). Для количественной оценки долей α-β- и γ-центров обычно используется мультиэкспоненциальное разложение площади над ИК. Однако этот подход имеет определенные ограничения, поскольку небольшая ошибка в определении максимального значения флуоресценции приводит к значительной ошибке в оценке долей. Для преодоления этих ограничений мы предлагаем подход, основанный на математическом моделировании. Построенная детальная математическая модель процессов в РЦ ФСII, обработанном DCMU, содержит 24 обыкновенных дифференциальных уравнения (ОДУ) и включает окислительно-восстановительные изменения кислородовыделяющего комплекса (КВК), фотовозбуждение и окислительно-восстановительные изменения пигмента Р680, окислительно-восстановительные изменения феофитина и первичного хинона QA. Иерархия характерных времен этих процессов позволяет свести модель к системе трех ОДУ. Решение редуцированной модели с тремя состояниями точно воспроизводит решение полной системы в диапазоне от микросекунд до секунд. Комбинация нескольких таких моделей позволила описать излучение флуоресценции α-, β- и γ-центрами. Параметры сокращенной модели были определены путем аппроксимации решений модели по ИК для микроводорослей Chlorella при истощении азота в среде и микроводорослей Chlamydomonas при культивировании на среде без серы. С помощью модели были проверены существующие гипотезы о природе многофазного характера ИК, зарегистрированных после обработки DCMU: отражают ли они существование РЦ с различным размером светособирающей антенны, или являются проявлением каких-то ранее неучтенных процессов в РЦ. Модель показала, что наличие или отсутствие дополнительной фазы на ИК, измеренной для образцов, обработанных DCMU, может зависеть от соотношения скоростей реакции на донорной и акцепторной сторонах ФСII. Если характерное время реакций на донорной стороне больше характерного времени реакций на акцепторной стороне, то начальная часть ИК, до ~100 мкс, демонстрирует более медленное нарастание интенсивности флуоресценции по сравнению с экспоненциальным ростом, дополнительные фазы не наблюдаются. Если, например, из-за стресса замедляются переходы в КВК и характерное время процессов на донорной стороне становится меньше характерного времени процессов на акцепторной стороне, то появляется дополнительная положительная фаза с характерным временем 1–10 мс. Анализ экспериментальных кривых показал, что при минеральном голодании дополнительные фазы на индукционной кривой могут свидетельствовать как о появлении РЦ с уменьшенными размерами антенны, так и о замедлении перехода S1–S2 в КВК. Модель показывает принципиальную возможность появления дополнительной фазы на ИК, полученных на клетках микроводорослей после воздействия DCMU, за счет процессов в КВК. Предполагается, что в нормальных условиях фазы на кривой отражают наличие α-, β- и γ-центров, а в условиях стресса одна из положительных фаз может отражать замедление процессов на донорной стороне ФСII.