Комп’ютерна методика аналізу структурно-динамічних властивостей реакційних центрів Rhodobacter sphaeroides на основі системи диференціальних рівнянь
Анотація
Актуальність. Реакції природних об’єктів на зовнішній вплив аналізуються за допомогою рівнянь балансу, якщо такі реакції мають мультиекспоненціальний характер, тобто такий, який можна представити у вигляді суми експонент. Такий характер реакції може бути зумовлений як впливом прихованих параметрів, так і впливом самої реакції на структуру об’єкта. Проблема полягає у тому, що часто не вдається емпірично визначити значення констант швидкостей рівнянь балансу, їх зв'язок з параметрами експоненціальних складових реакції, кінетику заселеності підстанів об’єкта.
Мета роботи. Метою роботи є розробка методики детального аналізу реакції об’єкта на зовнішній вплив, яка дозволяє визначити кінетику заселеності можливих підстанів об’єкта за допомогою побудови системи диференціальних рівнянь з постійними коефіцієнтами.
Матеріали та методи. У якості об’єкта використовувались ізольовані реакційні центри (РЦ) бактерій Rhodobacter sphaeroides, структура яких добре вивчена. При фотозбудженні РЦ їх поведінка аналізується шляхом побудови системи диференціальних рівнянь з постійними коефіцієнтами. Експериментальну кінетику циклічного переносу електрона РЦ апроксимували сумою трьох експоненціальних функцій. Параметри цих функцій використовували для визначення констант швидкостей рівнянь балансу при розв’язанні оптимізаційної задачі градієнтним методом. Задача роботи полягала у дослідженні РЦ за допомогою методу побудови системи диференціальних рівнянь та методу двох експозицій.
Результати. Розроблено комп’ютерну процедуру, яка дозволяє використовувати параметри трьох експоненціальних функцій кінетики переносу електрона для визначення значень констант швидкості чотирьох балансних рівнянь, аналізу кінетики заселеності підстанів РЦ. Експериментальна та розрахункова кінетика заселеності донора при фотозбудженні РЦ добре співпадають. Результати двох методів корелюються між собою. Вони показують, що у процесі фотозбудження максимуми заселеностей станів РЦ відповідають діапазону 3–140 с після увімкнення (вимкнення) світла.
Висновки. В такому випадку РЦ відповідають системі чотирьох електрон-конформаційних станів. Особливості кінетики заселеності підстанів РЦ характеризують просторово-часові характеристики РЦ.
Завантаження
Посилання
Deisenhofer, J., Epp, O., Miki, R., Huber, R., & Michel, H. (1985). Structure of the protein subunits in the photosynthetic reaction centre of Rhodopseudomonas viridis at 3Å resolution. Nature, 318, 618–624.
Allen, J. P., Feher, G., Yeates, T. O., Komiya, H., & Rees, D. C. (1987). Structure of the reaction center from Rhodobacter sphaeroides R-26: the protein subunits. PNAS, 84(17), 6162–6166.
Feher, G., Allen, J. P., Okamura, M. Y., & Ree, D. C. (1989). Structure and function of bacterial photosynthetic reaction centres. Nature, (339), 111-116.
Graige, M. S., Feher, G., & Okamura, M. Y. (1998). Conformational gating of the electron transfer reaction Qa-Qb→QaQb- in bacterial reaction centers of Rhodobacter sphaeroides determined by a driving force assay. PNAS, 95(20), 11679-11684.
Qiang, Xu, & Gunner, M. R. (2001). Trapping Conformational Intermediate States in the Reaction Center Protein from Photosynthetic Bacteria. Biochemistry, 40(10), 323–324.
Andreasson, U., & Andreasson, L. E. (2003). Characterization of a semi-stable, charge-separated state in reaction centers from Rhodobacter sphaeroides. Photosynth Res., 75(3), 223-233.
Deshmukh, S. S., Akhavein, H., Williams, J. C., Allen, J. P., & Kalman, L. (2011). Light-induced conformational changes in photosynthetic reaction centers: Impact of Detergent sand Lipids on the Electronic Structure of the Primary Electron Donor. Biochemistry, 50(3), 5249–5262.
Deshmukh, S. S., Williams, J. C., Allen, J. P., & Kalman, L. (2011). Light-induced conformational changes in photosynthetic reaction centers: dielectric relaxation in the vicinity of the dimer. Biochemistry, 50(3), 340–834.
Rubin, A.B. (2017). Compendium of Biophysics. New York: John Wiley & Sons.
Croce, R., van Grondelle, R., van Amerongen, H., van Stokkum, I. (2018). Light Harvesting in Photosynthesis. Boca Raton, Florida: CRC Press.
Goushcha, A. O., Kharkyanen, V. N., Scott, G. W., & Holzwarth, A.R. (2000). Self-regulation phenomena in bacterial reaction centers 1. Generaltheory. Biophys. J., 79, 1237–1252.
Christophorov, L. N., & Kharkyanen, V. N. (2005). Synergetic Mechanisms of Structural Regulation of the Electron Transfer and Other Reactions of Biological Macromolecules. Chemical Physics, 319, 330–341.
Maroti, P., & Wraight, C. A. (2008). The redox midpoint potential of the primary quinone of reaction center sinchromatophores of Rhodobacter sphaeroides isp. Hindependent. Eur Biophys J., 37, 1207–1217.
Goushcha, A. O., Manzo, A. J., Kharkyanen, V. N., van Grondelle, R., & Scott G. W. (2004). Light-induced equilibration kinetic sinmembrane-bound photosynthetic reaction centers: non linear dynamic effects in multiple scattering media. J Phys Chem B., 108(8), 2717–2725.
Kharkyanen, V. N., Barabash, Y.,M., Berezetskaya, N. M., Lukashev, E.,P., Knox, P.,P., & Christophorov, L. N. (2011). Peculiarities of light-induced slow protein dynamic in the photosynthetic reaction center. Chemical Physics Letters, 512, 113–117.
Manzo, A. J., Goushcha, A. O., Berezetska, N. M., Kharkyanen, V. N., & Scott, G. W. (2011). Charge recombination time distribution sinphotosynthetic reaction centers exposed to alternating intervals of photoexcitation and dark relaxation. J. Phys. Chem. B.,115(26), 8534–8544.
Sipka, G., & Maroti, P. (2018). Photoprotection in intact cells of photosynthetic bacteria: quenching of bacteriochlorophyll fluorescence by carotenoid triplets. Photosynth Res., 136, 17–30.
Zakharova, N. I., & Churbanova, I. Yu. (2000). Methods of isolation of reaction center preparations from photosynthetic purple bacteria. Biochemistry, 65, 181-193.
Barabash, Y. M., & Lyamets, A. K. (2016). A method of decomposition of the basic reaction of biological macromolecules into exponential components. Nanoscale Research Letters, 11, 544. URL: https://nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/s11671-016-1758-1.
Serdenko, T. V., Barabash, Y. M., Knox, P. P., & Seifullina, N. Kh. (2016). The kinetic model for slow photoinduced electron transport in the reaction centers of purple bacteria. Nanoscale Research Letters, 11, 286. URL: https://nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/s11671-016-1502-x.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
