VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Биофизика сложных многокомпонентных систем. Математическое моделирование. Биоинформатика

Распределенная агентная модель фотосинтетического транспорта электронов

С.С. Хрущев1*, Т.Ю. Плюснина1, Г.Ю. Ризниченко1, А.Б. Рубин1

1.МГУ, биологический факультет;

* styx(at)biophys.msu.ru

Рассматривается агентная математическая модель, позволяющая воспроизвести динамику редокс-превращений компонентов фотосинтетической электрон-транспортной цепи с явным учетом диффузии подвижных переносчиков электрона в сложном интерьере внутрихлоропластного пространства. Геометрия гранальных и стромальных тилакоидов задается аналитически на основе современных представлений о пространственной организации тилакоидных мембран. В модели рассматривается грана, состоящая из нескольких (от 2 до нескольких десятков) цилиндрических тилакоидов, и соединяющиеся с ней стромальные ламеллы. Предполагается, что состоящая из сближенных цилиндрических тилакоидов грана «пронзает» стромальные ламеллы, при этом в области контакта формируются переходные спиральные структуры. Размеры и форма компартментов задаются в виде числовых параметров модели. Модель является дискретной по времени и пространству. Пространство внутри хлоропласта разбивается на ромбододекаэдрические ячейки объемом 2 куб. нм, используются тороидальные (периодические) граничные условия.

В модели рассматриваются окислительно-восстановительные реакции, происходящие с участием агентов – трансмембранных белковых комплексов (фотосистем 1 и 2 и цитохромного b6f комплекса) и мобильных переносчиков электрона – пластохинона, пластоцианина и ферредоксина. Для представления молекулы пластохинона используется одна ячейка модели; белковые молекулы занимают несколько соседних ячеек, их форма задается по данным рентгеноструктурного анализа или криоэлектронной микроскопии, а угол поворота определяется случайным образом при запуске модели. Все агенты в модели рассматриваются как подвижные, для трасмембранных белковых комплексов доступна латеральная диффузия в плоскости мембраны, для мобильных переносчиков – трехмерная диффузия в пределах соответствующего компартмента (липидного слоя мембраны для пластохинона, люмена тилакоида для пластоцианина и стромы для ферредоксина). За один шаг модели (2 мкс) агент может сместиться на одну ячейку в любом направлении, для каждого типа агентов задается вероятность смещения за один шаг модели. Для подвижных переносчиков вероятность смещения была подобрана таким образом, чтобы наблюдаемые в модели коэффициенты диффузии соответствовали экспериментально измеренным.

Каждый из агентов модели может находиться в одном из нескольких редокс-состояний. То, каким образом происходят переходы между состояниями агентов, определяется заданной для каждого типа агентов программой, таким образом, можно легко изменять степень детализации процессов, происходящих в каждом из агентов, независимо от других агентов. Одна или несколько ячеек вблизи поверхности трансмембранных комплексов задаются как активные сайты, попадание в которые подвижных переносчиков электрона приводит к запуску программы, анализирующей это взаимодействие. Рассмотрена максимально упрощенная система, в которой все процессы электронного транспорта между трансмембранными комплексами моделировались как необратимые диффузионно-контролируемые. Если на текущем шаге модели в сайте взаимодействия оказывается молекула агента – реакционного партнера, и редокс-состояния двух агентов допускают обмен электронами между ними, то происходит соответствующее изменение состояний этих агентов. Кроме того, в комплексах могут происходить спонтанные реакции, соответствующие светоиндуцированному разделению зарядов в фотосистемах и переносу электронов между входящими в состав комплекса переносчиками.

С помощью разработанной модели было исследовано влияние геометрических параметров граны на переходные окислительно-восстановительные процессы, происходящие при освещении адаптированных к темноте листьев. Несмотря на простоту, такая модель позволила воспроизвести основные особенности наблюдаемых в экспериментах кривых при использовании небольшого числа настраиваемых параметров.

Модель реализована в виде программы на языке программирования Python. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 20-04-00465 и РНФ 22-11-00009.

Distributed agent model of photosynthetic electron transport

S.S. Khruschev1*, T.Yu. Plyusnina1, G.Yu. Riznichenko1, A.B. Rubin1

1.Lomonosov Moscow State University;

* styx(at)biophys.msu.ru

An agent-based mathematical model reproducing the dynamics of redox transformations of the components of the photosynthetic electron transport chain with explicit simulation of mobile electron carriers diffusion in the complex interior of the intrachloroplast space is considered. The geometry of granal and stromal thylakoids is set analytically on the basis of modern ideas about the spatial organization of thylakoid membranes. The model considers a grana, consisting of several (from 2 to several dozen) cylindrical thylakoids, and stromal lamellae connected with it. It is assumed that the grana, which consists of stacked cylindrical thylakoids, "pierces" the stromal lamellae, and spiral structures are formed in the contact area. The dimensions and shape of the compartments are specified as numerical parameters of the model. The model is discrete in time and space. The space inside the chloroplast is divided into rhombic dodecahedral cells with a volume of 2 cubic nm, toroidal (periodic) boundary conditions are used.

The model considers redox reactions occurring with the participation of agents - transmembrane protein complexes (photosystems 1 and 2 and the cytochrome b6f complex) and mobile electron carriers - plastoquinone, plastocyanin and ferredoxin. One cell of the model is used to represent the plastoquinone molecule; protein molecules occupy several adjacent cells, their shape is set according to X-ray diffraction analysis or cryoelectron microscopy, and the rotation angle is determined randomly when the model is run. All agents in the model are considered as mobile; for transmembrane protein complexes, lateral diffusion in the membrane plane is available; for mobile carriers, three-dimensional diffusion within the corresponding compartment (the lipid layer of the membrane for plastoquinone, the thylakoid lumen for plastocyanin, and the stroma for ferredoxin) is available. In one step of the model (2 us), the agent can move one cell in any direction; for each type of agents, the probability of displacement in one step of the model is set. For mobile carriers, the displacement probability was chosen in such a way that the diffusion coefficients observed in the model corresponded to the experimentally measured ones.

Each of the agents can be in one of several redox states. The way the transitions between the states of agents occur is determined by the program specified for each type of agents, so one can easily change the level of detail of the processes occurring in each of the agents, regardless of other agents. One or several cells near the surface of the transmembrane complexes are set as active sites, the hit of mobile electron carriers into which leads to the launch of a program that analyzes this interaction. A maximally simplified system was considered, in which all processes of electron transport between transmembrane complexes are modeled as irreversible diffusion-controlled reactions. If, at the current step of the model, a molecule of an agent, a reaction partner, is in the interaction site, and the redox states of two agents allow the exchange of electrons between them, then a corresponding change in the states of these agents occurs. In addition, spontaneous reactions can occur in complexes, which correspond to light-induced charge separation in photosystems and electron transfer between the carriers included in the complex.

With the help of the developed model, the influence of the geometric parameters of the grana on the transient redox processes occurring under the illumination of dark-adapted leaves was studied. Despite its simplicity, such a model made it possible to reproduce the main features of the curves observed in experiments using a small number of adjustable parameters.

The model is implemented as a program in the Python programming language. This work was supported by RFBR grant 20-04-00465 and RSCF grant 22-11-00009.


Докладчик: Хрущев С.С.
132
2023-02-07

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists