Upload
jin
View
104
Download
4
Embed Size (px)
DESCRIPTION
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В БИОФИЗИКЕ. Андрей Борисович Рубин МГУ, Биологический факультет каф. биофизики. Колебания в гликолизе. Активация ФФК [Гл] Ф6Ф ФДФ ( x ) ( y ). Модель гликолиза. Фазовые портреты и кинетика. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
В БИОФИЗИКЕ
Андрей Борисович РубинМГУ, Биологический факультет
каф. биофизики
Колебания в гликолизеАктивация
ФФК
[Гл] Ф6Ф ФДФ (x) (y)
dx
dtk
x
K x
y
K y
dy
dt
x
K x
y
K yq
y
K y
mx my
mx my my
( ) ( )
( ) ( ) ( )
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).
PQ
PQH2
PQPQ
H2O
P680
QA
2H+ 1/2O2
Chl Chl
2H+
2H+ 2H+
Fd
Pc
bh
bl
FeSR
P700
FeSI
Chl
3H+
K+
Cl-
H+
NADPH
NADP+
ADP + Pi
ATP
+ +
_ _
lumen
stroma
Thylakoidmembrane
h hfluorescence
PS II PS I
ATP-synthase
bf
Q-cycle R-COO-
-OOC
-OOC
R-COO -
f
F0
F
Fm
0 1 10 t, cCalvin cycle
Photosynthetic pathways in chloroplasts
pH
Scheme of the states of
Photosystem 2
Cl-chlirophyllPhe-pheophytitnQA,Qb – quinone
acceptors
7
Chl +
Phe -
QAQB
-
y3
Chl +
PheQA
-
QB -
y4
Chl*PheQA
-
QB -
y6
ChlPheQAQB
2 -
Chl*PheQAQB
2-
Chl +
Phe -
QAQB
2-
Chl +
PheQA
-
QB 2-
ChlPheQA
-
QB 2-
Chl*PheQA
-
QB 2-
Chl +
Phe-
QA -
QB 2-
z1 z2 z3 z4 z5 z6 z7
ChlPheQA
Chl*PheQA
Chl +
Phe -
QA
Chl +
PheQA
-
ChlPheQA
-
Chl*PheQA
-
Chl +
Phe-
QA -
g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7
2H s+
PQH2
2Hs+
PQH2
2Hs+
PQH2
2H s+
PQH2
2Hs+
PQH2
2H s+
PQH2
2H s+
PQH2
PQ PQ PQ PQ PQ PQ PQ
ChlPheQAQB
-
y1
Chl +
Phe-
QA -
QB -
y7
ChlPheQA
-
QB -
y5
Hl+
ChlPheQAQB
Chl*PheQAQB
Chl +
Phe -
QAQB
Chl +
PheQA
-
QB
ChlPheQA
-
QB
Chl*PheQA
-
QB
Chl +
Phe-
QA -
QB
x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7
Chl*PheQAQB
-
y2
2 3 5 6
3332
31
302928
15 16 17
18
19 20
21 22 23 24 25 26 27
34 35 36 37 38 39 40
Hl+
4
Hl+
1
8 129 10 13
11
Hl+
14
PQPQH 2
41
)( 66662222 gzyxgzyxkk
FL
F
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)
Fm
Fv
Fo
P
SD
O
F
Fo
0 0.05 0.7 Time (s) 5
m
v
m
m
F
F
F
FFP
0
Fluorescence induction curve
Photosynthetic efficiency
Рис.6. Индукционные эффекты, рассчитанные с помощью модели первичных процессов фотосинтеза для трех разных интенсивностей освещения объекта: 1000, 100 и 10 (1%) Втм–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.
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
ЦИТОПЛАЗМА
h
ATФ AДФ+ФiH+
H+
H+
H+ pH
pH
pH
тилакоид
ВАКУОЛЬ
хлоропласт
m
pH
pH
m
1
2
3
4
5
6
78
Свет
ВНЕШНЯЯ СРЕДА
pH
m
0
Потоки остальных ионов (K+, Na+, Cl- и т.д.)
Схема последовательности процессов после включения освещения. (Масштабы не соблюдены)
hin
hout
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)
k-2 e-
E1
E2
E1HiE1HiHi
E2 HoE2HoHo
2k1Hik1Hi
2k-1k-1
k1Ho2k1Ho
2k-1k-1
k2e k4 ek-4 e-k-3 k3
Кинетическая схема работы фермента и уравнения, описывающие концентрации отдельных состояний и изменение концентрации протонов вблизи поверхности клетки
11 3 1 1
[ ][ ] 2 [ ][ ]o
d Ek E k H E
dt
21 4 1 2
[ ][ ] 2 [ ][ ]i
d Ek E k H E
dt 4
1 2 1 4 1 6 1 4 2 3 2 4
[ ]2 [ ][ ] [ ] 2 [ ] [ ][ ] [ ] [ ]i i
d Ek H E k E k E k H E k E k E
dt
53 6 1 3 1 5
[ ][ ] [ ][ ] 2 [ ]o
d Ek E k H E k E
dt 1 2 3 4 5 6 0[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]E E E E E E E
(1)
,
1 3 1 1 1 3 1 5
[ ][ ] 2 [ ][ ] [ ][ ] 2 [ ]o
o o
d Hk E k H E k H E k E
dt
H0- концентрация протоновна внешней стороне,Нi – на внутренней сторонеплазматической мембраны
Схема проводящей мембраны
C – емкостьg - проводимость
0
10 2
2 20 0
1 1
e (1 )
2 e (1 ) 1ATP
Hn
KI E k Fp
H Hq n
K K
Ток через ATP
0( )lI g Ток утечки
Безразмерные уравнения для концентрации протонов вне плазматической мембраны ( h0 )
и потенциала на мембране
2
0 0 00 12 2 2
0 0
e (1 ),
2 e (1 ) 1
h h n hh D
qh h n r
00
1
[ ]Hh
K
0
t
t 1
02 0[ ]
Kt
k E
xr
L ,L – длина клетки (м).
2
00 22 2 2
0 0
e (1 )( )
2 e (1 ) 1
h nz g D
qh h n r
2
F
RT
0gtg
C 2
1pF Kz
CRT 0
2 22 i
ptD
L R C
,
,
,
,
.
00 2
F
RT
2
F
RT
22(1 )i
i
h K nq
h
3
1
1i
nK h
1
[ ]ii
Hh
K
Исследование распределенной системыП
ро
фи
ль
рН
Расстояние вдоль клетки, мм
а) pH профиль вдоль клетки водоросли после освещения[Bulychev et al., J.Theor. Biol., 2001, 212, 275-294]б) Модельный экспериментПараметры системы: g=0.08, 0=-1.335, n=0.9, z=1, =0.025, q=0.001,
D=5, I=0.04
8.1
1.0
0.0
0.5
300
hout
r
аб
ЦИТОПЛАЗМА
h
ATФ AДФ+ФiH+
H+
H+
H+ pH
pH
pH
тилакоид
ВАКУОЛЬ
хлоропласт
m
pH
pH
m
1
2
3
4
5
6
78
Свет
ВНЕШНЯЯ СРЕДА
pH
m
0
Потоки остальных ионов (K+, Na+, Cl- и т.д.)
Схема последовательности процессов после включения освещения. (Масштабы не соблюдены)
hin
hout
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)
Белок реакционного центра
Heme4
CL
Ch
Heme3
Heme2
Heme1
CL
Ch
Bchl2
Bchl
BPheoL
QAQB
21Å
11Å
10Å
14Å
10Å
11Å
P
P*
hv
*2μs
<3ps
150ps
100μs
Fe
100fs
3ps
P+Bph-
BPheoM
Перенос электрона в реакционном центре
The scheme of time scales of protein molecular dynamics
Primary events in photosynthesis and vision 10-13 – 10-12 s
Local dynamics of atoms and small groups 10-12 – 10-11 s
-of side chains and polypeptide chain segments 10-11 – 10-7 s
Motions of domains and subunits 10-8 – 10-5 s
Release of bound ligand molecules 10-6 – 10-3 s
Folding-unfolding kinetics 10-4 – 102 s
P*
I
QA
QB
CL
CH
CL
P+ Mb - CO
P* Bchl Bpheo QA
P* Bpheo QA QB
P700 A0 A1 FX FB FA
H2O
D2O
10-12s
180 K
103
106ktunn > kact
at T<700K
2
/10
Lm
kT
e
e
R*
10-6s
RiRf
0,1AR
init.D A
finalDA
0,5 1,5AR
1Conf.
2Tunneling
3Conf.
Frozen underillumination
Q-Ae-induced conform.
P+
QB
QBP+
QA
Frozen
in the dark
Q-A
Пространственное расположение комплексов в мембране
Scene of the direct model
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 )dxdt
• Langeven Equation:
Model trajectory of PQ in membrane filled by PS1 and cytochrome complexes
Ecvipotential surfaces calculated according to Poisson-Bolzmann equations
model
Oxidesed Рс Reduced cyt f
Ion strength - 100 mM, pH=7, εр-ра=80; εбелка =2; red -6.5 мВ, blue + 6.5 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
r4r3
Реакция между Pc и cytf в люмене тилакоида
z
x
x
Тилакоидные
мембранылюмен
pc
cyt
Экспериментальные данные:
Диаметр гран ~ 300 нм (Shimoni et al, 2005)
Плотность цитохромных комплексов на мембране 1.3·103 шт./мкм2 (Albertsson et al, 2001)
Исходные значения параметров модели:-Площадь тилакоидных мембран - 322х322 нм2
-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
Time
Fitted curve according to mass action law
Simulated curve
Co
nce
ntr
atio
n o
f P
1P
2
Reaction that we simulate: P1+P2 P1P2k
V = k[P1][P2]
Reaction rate:
After the simulation is done, we need to estimate the rate of protein complex formation rate
We estimate k by fitting
1][
][][)]([ 0
1
010
11
tPk
PPtP
k The result of multiparticle direct simulation:
The model
P = 0.01r <= 1 нмtreac > trand
Slow reaction
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 = 0.01r <= 1 нмtreac > trand
Slow reaction
Аппроксимация модельной кинетической кривой реакции двух молекулс помощью закона действующих масс
P = 1r <= 10 нмtreac < trand
Fast reaction
Накопление протонов
• Концентрация протонов в плоскости мембраны, через 5 миллисекунд после начала освещения
Профиль концентрации протонов в люмене в плоскости мембраны
Профиль концентрации протонов в люмене в плоскости мембраны
Синтез АТФ
• Количество синтезированной АТФ в зависимости от времени
Гликолиз с периодическим поступлением фосфоэнолпирувата
,
0
)()(
,sin)6(
РКФФК
ФФКin
vvdt
АТФd
dt
АДФd
vtwAvdt
ФФd
[Ф6Ф]
Собственные колебания(без периодическогопритока)
0 4 8 12 16 t
2000
1500
1000
500
10
Рост в ограниченном объеме
N
1 1 tt t
NN rN
K
)1()(1 nnnrn xrxxfx
czzfz nncn 2
1 )( r
zx
2
1
4
2 4rrc
Дендриты
Сальвадор ДалиРаспятие
• Galina Riznichenko Evgeny Grachev• Natalia Beljaeva Pavel Gromov• Ilia Kovalenko• Dmitry Ustinin• Anna Abaturova• Tatjana Plusnina• Nastja Lavrova• Vladimir Paschenko• Petr Noks