Отличия структуры тилакоидных мембран (ТМ) клеток эукариотов (микроводоросли) и прокариотов (цианобактерии) определяют особенности фотосинтетического аппарата одноклеточных водных организмов. Замкнутая система ТМ в хлоропластах (листья, водоросли) и в цитозоле цианобактериальных клеток включает одинаковые элементы электронно-транспортной цепи (ЭТЦ),. Однако, в отличие от хлоропластов, цианобактериальные ТМ (ЦБ-ТМ) содержат компоненты ЭТЦ взаимосвязанные с элементами дыхательной цепи (обзор [1]).

При переходах образцов от темноты к свету особенности состояния мембран тилакоидов [1] проявляются в динамике длительных индукционных сигналов флюоресценции (ФЛ) [2] и Р700+ редокс превращений [3, 4]. В диапазоне времени от микросекунд до 10 минут мы измерили сигнал индукции флуоресценции (ИФ) микроводоросли Scenedesmus obliquus (Scenedesmus) на стадиях OJIP нарастания до секунды и медленного PSMT спада [5]. При интенсивности света 1800 мкмоль фотон м–2 с–1 ход ИФ от минимума F0 (O) до максимума FM (P) дает соотношение FM/F0≈2.85 [5]. За спадом к S –фазе (10 -100 с) следует SM нарастание на 2-3 минутах, которое связывают с увеличением выхода ФЛ в переходе состояний 2→1 (qT2→1) [1-4]. Процесс qT2→1 обеспечивает согласование величин энергии света, поступающей в реакционные центры (РЦ) фотосистем II и I (ФС II и ФС I) за счет переноса мобильной антенны к LHCII комплексу. В работе [4] для культуры цианобактерии Synechocystis sp. PCC6803 (Synechocystis) в интервале от микросекунд до 100 с измерили одновременно изменения флуоресценции Хл а (ИФ) и окисления-восстановления P700 ФС I. Для OJIP-SMT паттерна Synechocystis при FM/F0≈1.5 пик P является доминантным, а на медленной волне ИФ около 10 с наблюдается слабый спад до S минимума и мало выраженный вторичный локальный M максимум. Следовательно, по измерениям ИФ от десятков микросекунд до минут величины локальных P-SM экстремумов можно сопоставить с типом клеток – водоросль / цианобактерия. Для количественного описания системы ТМ мы проводили фитирование (находили параметры) модели ТМ по данным измерений [6, 7].

Основной круг процессов модели ТМ [7] был достаточен при фитировании решений в интервале от микросекунд до 100 с [5] по быстрой OJIP-S волне паттерна ИФ Scenedesmus без учета регуляции переходов состояний. В данной работе к основному базовому набору процессов в модели ТМ [7] добавлено минимальное количество процессов, учитывающих переходы состояний qT2→1, qT1→2 и альтернативные потоки в строме.

В модели ТМ или ЦБ-ТМ включены пути сопряженного переноса электронов и протонов (e- и H+) по линейной цепи (LEF) от КВК до FNR редуктазы и по циклическому пути (CEF) от Fdr до пластохинола PQH2 в люменальном сайте цитохромного комплекса (Цит b6f). Однако, для ЦБ-ТМ роль антенн выполняют фикобилисомы на внешней стороне ЦБ-ТМ; а у водорослей антенны подвижны и погружены в фазу ТМ. Действительно, фитирование по длительным паттернам ИФ дает близкие значения параметров внутреннего переноса и стабилизации зарядов в РЦ, но различные параметры описания структурных отличий двух типов мембран. Эффективная антенна водоросли Aeff = 140 больше чем антенна Aeff = 72 ЦБ-ТМ при отличающейся стехиометрии 2-х типов мембран тилакоида. Для концентраций компонент ФСII: ФСI: Цит b6f: PQпул:Pc:Fd:NADPH соотношения составили у ТМ водоросли 1.6: 1.6: 1.6: 16: 3.2: 5: 1.6 (мМ), а ЦБ-ТМ 1.6: 3.2: 1.6: 20.2: 5.7: 4.4: 1.0 (мМ) Темновая восстановленность PQ/PQH2 –пула ЦБ-ТМ, повышена до 20.8% в сравнении с 2.5% у водоросли.

Переходы состояний qT2→1, qT1→2 объясняют редокс состоянием PQ/PQH2 –пула [1-4], когда накопление PQH2 при освещении мембраны тилакоида инициирует отсоединение порции AntMob мобильной антенны от LHCII водоросли и присоединение к антенне ФСI в переходе qT1→2. Наоборот, активация переноса зарядов в ЭТЦ приводит к окислению PQ пула с обратным переносом AntMob к LHCII при qT2→1 с увеличением интенсивности ФЛ. В модели ТМ AntMob задавали как новую переменную №70 системы дифференциальных уравнений. Скорость изменения AntMob(t) , задавали уравнением Хилла, определив начальный размер мобильной антенны, соединенной с ФСII после темновой адаптации и увеличение размера антенны LHCII при адаптации (qT2→1) образца к свету.

Обновленная версия модели тилакоида включила расчет переходов состояний как причину формировании SM стадии ИФ вместе с возможно наименьшим учетом альтернативных стромальных потоков. В вычислениях моделировали отток электронов от акцепторной стороны ФСI, перенесенных на flavodiiron proteins (Flv1/Flv3) и последующее протекание реакции типа Мелера [1-4] с подачей электронов на кислород без образования его активных форм. Включение в модель кинетических констант оттока электронов от ФС1 в строму позволило выполнить точное фитирование сигнала Р700 на OAB –стадиях, промежуточных перед терминальными DE фазами. Дальнейшая работа с моделированием процессов ТМ и ЦБ-ТМ может уточнить фитирование SM стадий ИФ и достижение терминальной стадии окисления кофактора Р700.

The closed system of thylakoid membranes (TM) operates both in chloroplasts (leaves, algae) and in the cytosol of cyanobacterial cells [1]. Mitochondrial metabolism indirectly affects the processes in the electron transport chain (ETS) in algae [1, 2]. Cyanobacterial TM separates the lumen/cytoplasm and provides both photosynthetic and respiratory electron transport (PET and RET). PET and RET are connected by participating in the processes of electron influx and outflow into the pool of plastoquinones/quinols (PQ/PQH2) [1-4].

The coherence of photosystems II and I (PS II and PS I) is important for the transition of the TM system from darkness to light conditions. The features of the regulation of light induction are determined by the structure of the light-harvesting antennae complexes of the reaction centers (RC) PS II and PS I. The role of antenna complexes is performed by movable phycobilisomes located outside of the TM in cyanobacteria. The dynamics of OJIPSMT light-induced changes in fluorescence (FL) in vivo were studied by us for two samples: 1) cyanobacterium cells Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis); 2) microalgae Scenedesmus obliques (Scenedesmus). The "Thylakoid" model [5-7] has been debugged to quantitatively describe the fluorescence induction curves (FI) of Synechocystis and Scenedesmus. The light responses of the samples were calculated at the stages of rapid OJIP increase of FL to P peak (t < 1 s) followed by a slow (seconds - minutes) wave of PSMT decline of variable FI. Description of the processes was obtained on a time scale from microseconds to 5-10 minutes for algae and cyanobacteria.

Description of the state transition effect was used to find the parameters of the "Thylakoid" model. It is shown that the turning on of state transition 2→1 leads increasing in SM on 2-3 minutes of the kinetic pattern in the calculations of the IF Scenedesmus. Redox cofactors of ETC were maximally reduced under conditions of light-induced charge redistribution in the lumen and stroma compartments in the calculations of IF Synechocystis and Scenedesmus during the formation of a fast OJIP pattern. The filling and outflow of electrons in the carrier pools after PS II and PS I give contributions to a slow PSMT wave. Regulation of linear electron outflow by light activation of ferredoxin–NADP reductase is important for the balance of photosystems, but qE-dependent quenching is caused by lumen acidification only for algae Scenedesmus and does not work for cyanobacteria Synechocystis.

Further, it is possible to study the molecular mechanisms of regulation of state transitions 1→2 and 2→1 through the redox state of the PQ pool in the "Thylakoid" model as an effect that has been studied for leaves and algae and is assumed for cyanobacteria [1-4].



References

[1] Stirbet A, Lazár D, Papageorgiou GC, Govindjee (2019) Chlorophyll a fluorescence in cyanobacteria: relation to photosynthesis. In: Cyanobacteria: From Basic Science to Applications Mishra AK, Tiwari DN, Rai AN, eds. Academic Press, Elsevier, 79-130

[2] Papageorgiou GC, Tsimilli-Michael M, Stamatakis K (2007) The fast and slow kinetics of chlorophyll a fluorescence induction in plants, algae and cyanobacteria: a viewpoint. Photosynth Res 94:275–290

[3] Bulychev A, Cherkashin A, Muronets E, Elanskaya I (2018) Photoinduction of electron transport on the acceptor side of PSI in Synechocystis PCC 6803 mutant deficient in flavodiiron proteins Flv1 and Flv3 BBA 1859:1086-1095

[4] Elanskaya IV, Bulychev AA, Lukashev EP, Muronets EM (2021) Deficiency in flavodiiron protein Flv3 promotes cyclic electron flow and state transition under high light in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 BBA - Bioenergetics 1862 (2021) 148318

[5] N.E. Belyaeva, A.A. Bulychev, V.Z. Pashchenko, K.E. Klementyev, P.A. Ermachenko, I.V. Konyukhov, G.Yu. Riznichenko, A.B. Rubin (2022).Dynamics of processes in thylakoid membranes of algae in vivo, studied in photosystem II and thylakoid models by measurements of fluorescence induction. Biophysics. 2022. Vol. 67. No. 5. pp. 708-725

[6] Belyaeva N, Bulychev A, Riznichenko G, Rubin A (2016) Photosynth Res 130:491–515

[7] Belyaeva N, Bulychev A, Riznichenko G, Rubin A (2019) Analyzing …. chlorophyll a fluorescence and P700 absorbance changes . Photosynth Res 140:1-19.