Введение к работе
Актуальность проблемы. Растительный фотосинтез (ФС) является доминирующим биоэнергетическим процессом на нашей планете. Это объясняется повсеместной доступностью основных потребляемых растениями ресурсов: солнечного света,.углекислоты и воды. Вода, как ресурс ФС, служит источником водорода для синтеза органических соединений, и именно способность к окислению этого инертного, но зато доступного вещества обеспечивает растениям широкие возможности к распостранению в сравнении с другими фотосинтезирувщими организмами.
Считается, что с появлением растений около 3 млрд. лет назад выделяемый ими (при окислении воды) кислород накопился в атмосфере, возігак защитный озоновый слой. Тем самым были созданы (и с тех пор поддерживаются) условия для возникновения животных и человека. Таким образом, возникновение реакции фотосинтетического окисления воды является одним из ключевых моментов в биологической истории Земли.
В силу Фундаментальной роли, которую ФС играет в биосфере, изучение его организации, в том числе механизма разложения воды и выделения кислорода, представляет интерес не только для биологии, но и для многих других наук и для практической деятельности человека: сельского хозяйства, охраны, окружающей среды, энергетики и др.
Цели и задачи исследования. Основной целью работы являлось изучение механизма окисления воды при фотосинтезе и выявление побочных процессов в кислородвыделяющем комплексе (КВК) растений, сопровождающих этот процесс. В соответствии с этим были поставлены следующие основные задачи: .
- провести теоретический анализ кинетики фотосинтё>лческого
окисления роды в рамках схемы последовательного накопления
окислительных оквиьалентов. Рассмотреть сопутствующие темновые и
световые процессы в КВК и их воздействие на кинетику выделения
кислорода;
- исследовать обратную задачу кинетики и предложить методики.
"' г
измерений и обработки данных для восстановления кинетической схемы и констант редокс-переходов в КВК;
- создать программы для компьютерной оработки данных по кинети
ке фатосинтетического выделения кислорода;
сконструировать и собрать экспериментальную установку для импульсного и непрерывного освещения растения с полярографической регистрацией кинетики кислородного обмена;
экспериментально исследовать кинетику выдоления кислорода растениям;!. На основании разработаїшнх методик кинотического анализа исследовать особенности механизма этого процесса при различных уровнях освещенности и воздействии биологически активных веществ.
провести экспериментальный поиск' спектральных эффектов в функционировании ФС2 и различий в спектрах действия четырех стадия окисления воды;
Научная новизна работы. Разработан матричный формализм для описания кинетики редокс-превращенкй КВК и связанных с ними сигналов. Получено общее решение прямой задачи кинетики выделения кислорода ФС при импульсном освещении для произвольной схемы переходов между редокс-состояниями КВК (S-СОСТОЯНИЯМИ).
Впервые проведон последовательный учет процессов темновой дезактивации КВК и других сопутствующих окислению воды процессов, протекающих во время импульсного освещения. Описаны возможные типы кинетического поведения, в том числе, впервые, - апериодический.
Рассмотрена обратная задача кинетики. Показано, что полную схему основных и побочных переходов в КВК мокно'однозн&чно восстановить посредством совместных измерений кинетики трех сигналов, связанных с его состоянием {например: выделения кислорода ФС, внутритилакоидных изменений рН, электрохромннх сдвигов спектров поглощения фотосиктетических мембран). ..'
.'' Обоснована методика тестирования таких сигналов, связанных с функционированием <ЮЗ; выявление их корреляций с кинетикой КВК и определение стехиометрии вызывающего их процесса на основе сопоставления их кинетики с кинетикой фотосинтетического выделения кислорода.
Рззрвботвна методчка обработки данных по кинетике выделения .кислорода, обеспечивающая корректное определение" эффективных кинетических параметров и лучшу» аппроксимацию на всем классе че тире хтактши. кинетических схем.
Прог-едене компьютерная обработка массива экспериментальных
данных. Обнаружено, что эффективность процесса окисления воды контролируется, в основном, скоростью дезактивации КВК. При интенсивном импульсном освещении с частотой следования вспышек . . 2 Гц из-за дезактивации состояний Sf, St снижается квантовая эффектийность переходов s^s^, SJ-»SJ (до25%) и эффективность процесса в целом. Однако, при понижении интенсивности действующего cfeera (до 10"*-ю~' солнечной постоянной) стационарная скорость1 дезактивации КВК также пропорционально снижается. Благодаря этому квантовая эффективность окисления воды при этих освещеннрстях, соответствующих в природе вечерним и ночным часам, остается относительно высокой и составляет величину порядка 0.3.
У одноклеточных водорослей обнаружено пятое устойчивое состояние КВК s.t, имеющее на один восстановительный эквивалент больше состояния so, располагающееся вне четароіітактного кислородного цикла и заселяющееся Олагодаря темновой дезактивации КВК. В хлоропластах бобов состояние s_ не наблюдается.
Изменения кинетики выделения кислорода хлореллой в присутствии экзогенного пероксида водорода согласуются с гипотезой о том, что он на свету встраивается в КВК и, конкурируя с водой, служит для ФС2 независимым .донором электронов и источником фотосинтетического кислорода. В темноте экзогенный пероксид также способен вытеснять воду из КВК, хотя скорость этого процесса мала. По оценкам, энергия связи КВК с пероксидом больше, чем с водой на величину около 0.2 эВ. Полученные данные говорят в пользу предположения о том, что Нж02 в связанной форме является естественным промежуточным продуктом фотосинтетического окисления воды.
Установлено влияние синтетического регулятора роста растений на активность ФС2 и ее взаимодействие с ФСІ, которое коррелирует с рострегулируклцей функцией пррпарата. Ростстимулирущая концентрация активизирует ФС2 на IQ-I5X, а тормозящая рост концентрация регулятора производит обратный эффект (МэЖ). Обнаруженные эффекты вызываются, главным образом, воздействием регулятора на скорость процессов дезактивации КВК. .
Экспериментально показано совпадение спектров действия четырех стадий окисления вода с точностью до 2 им по положений длинноволновой границы. Это подтверждает представление о том, что все четыре стадии инициируются одним ГЦ и не оказывают обратного действия на процессы светосбора и фотохимического разделения зарядов.
Практическая значимость работы. Практика применения созданных нами компьютерных программ показывает, что предложенная схема обработки данных в среднем оолое чем на порядок улг-ипает качество аппроксимации экспериментальных кинетических зависимостей по сравнению с обычно применяемой схемой Кока. Это делает результаты обработки оолое чувствительными к небольшим изменениям кинетического поведения, возникающим, например, при воздействии микроколичеств биологически активных веществ, и открывает перспективы использования одноклеточных водорослей в качестве ОТ: сенсоров.
Созданный пакет программ для ІШ-совместимнх компьютеров позволяет, проводить пакетную обработку экспериментальных кинетических зависимостей по различным модификациям четырехтактных схем. Текст одной из программ приведен в Приложении. Эта к другие программы могут быть безвозмездно предоставлены заинтересованным лицам.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докла
дывались на конкурсе молодых ученых ИХФ АН СССР 1990 г. (I мес
то), конкурсе научных работ ИХФ РАН 1992 г. (III место), на ряде
международных и всесоюзных конференций и изложены в 10 публика
циях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и четырех глав. В конце Гл.2 и каждого из параграфов Гл.4 подводятся текущие итоги. Б конце работы сформулированы общие вывода За ними следуют список цитируемой литературы и приложение. Объем диссертации составляет страниц, включая 18 рисунков и 2 таблицы. Список литературы включает ІБК наименований.