Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Mô Hình Toán Học Trong Sinh Học: Phần 2. Các Mô Hình Quá Trình Tương Tác Proteins Trong Một Màng Quang Hợp
Tóm tắt
Phần hai của bài báo đề cập đến các mô hình dựa trên tác nhân, đa hạt, chuyển động Brownian và động học phân tử. Trong các mô hình này, chuyển động và tương tác của các protein riêng lẻ—các chất mang điện tử (các mô hình đa hạt Brownian) và các nguyên tử riêng lẻ trong phân tử—các chất mang điện tử và phức hợp của chúng (động lực học phân tử) được mô tả dựa trên các công cụ mô hình hóa Brownian và phân tử. Các mô hình trực tiếp đa hạt mô phỏng rõ ràng sự khuếch tán Brownian của các chất mang protein di động và các tương tác tĩnh điện của chúng với các phức hợp enzyme đa năng, cả trong dung dịch và trong nội tại của một màng sinh học. Phân tích các mô hình này làm nổi bật vai trò của sự khuếch tán và các yếu tố tĩnh điện trong việc điều chỉnh quá trình vận chuyển electron, ảnh hưởng của hình học thể tích phản ứng, và độ mạnh ion cùng pH của môi trường tế bào đến tốc độ các phản ứng vận chuyển electron giữa các chất mang protein. Thông qua việc kết hợp các phương pháp mô hình động lực học và mô hình đa hạt Brownian, có thể nghiên cứu cơ chế điều tiết của các quá trình vận chuyển electron ở cấp độ tế bào và phân tử, cũng như cơ chế chuyển đổi dòng electron trong tế bào thực vật và tảo, và đánh giá các điều kiện tối ưu để thu được các sản phẩm mục tiêu trong tế bào vi tảo, chẳng hạn như hydro như một nhiên liệu thay thế. Triển vọng cho nhiều phương pháp mô hình toán học được sử dụng để nghiên cứu các hệ thống tế bào nhỏ được thảo luận ở phần kết luận. Bài báo được dựa trên các kết quả thu được tại Khoa Vật lý Sinh học, Khoa Sinh học, Đại học Quốc gia Moscow.
Từ khóa
#mô hình toán học #tương tác protein #màng quang hợp #khuếch tán Brownian #động học phân tử #mang electron #phức hợp enzyme #tế bào thực vật #tế bào tảo #vi tảo #năng lượng tái tạoTài liệu tham khảo
Albertsson, P.-A., The domain structure and function of the thylakoid membrane, Res. Rec. Dev. Bioenerg., 2000, vol. 1, pp. 143–171.
Albertsson, P.-A., A quantitative model of the domain structure of the photosynthetic membrane, Trends Plant Sci., 2001, vol. 6, pp. 349–354.
Antal, T.K., Krendeleva, T.E., and Rubin, A.B., Study of photosystem 2 heterogeneity in the sulfur-deficient green alga Chlamydomonas reinhardtii, Photosynth. Res., 2007, vol. 94, pp. 13–22.
Cruz-Gallardo, I., Díaz-Moreno, I., Díaz-Quintana, A., and De la Rosa, M.Á., The cytochrome f–plastocyanin complex as a model to study transient interactions between redox proteins, FEBS Lett., 2012, vol. 586, no. 5, pp. 646–652.
Dekker, J.P. and Boekema, E.J., Supramolecular organization of thylakoid membrane proteins in green plants, Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg., 2005, vol. 1706, nos. 1–2, pp. 12–39.
Diakonova, A.N., Khruschev, S.S., Kovalenko, I.B., et al., The role of electrostatic interactions in the formation of ferredoxin–ferredoxin NADP+ reductase and ferredoxin–hydrogenase complexes, Biophysics (Moscow), 2016a, vol. 61, no. 4, pp. 572–579.
Diakonova, A.N., Khrushchev, S.S., Kovalenko, I.B., et al., Influence of pH and ionic strength on electrostatic properties of ferredoxin, FNR, and hydrogenase and the rate constants of their interaction, Phys. Biol., 2016b, vol. 13, no. 5, p. e056004.
Fedorov, V.A., Kovalenko, I.B., Khruschev, S.S., et al., Comparative analysis of plastocyanin–cytochrome f complex formation in higher plants, green algae and cyanobacteria, Physiol. Plant., 2019, vol. 166, no. 1, pp. 320–335.
Finkel’shtein, A.V. and Ptitsyn, O.B., Vvedenie v fiziku belka. Kurs lektsii (Introduction into Protein Physics: Lecturers), Moscow: KDU, 2002.
Finkelstein, A. and Ptitsyn, O., Protein Physics, New York: Academic, 2016.
Gross, E.L. and Pearson, D.C., Brownian dynamics simulations of the interaction of Chlamydomonas cytochrome f with plastocyanin and cytochrome c 6, Biophys. J., 2003, vol. 85, pp. 2055–2068.
Gross, E.L. and Rosenberg, I., A Brownian dynamics study of the interaction of Phormidium cytochrome f with various cyanobacterial plastocyanins, Biophys. J., 2006, vol. 90, pp. 366–380.
Haehnel, W., Ratajczak, R., and Robenek, H., Lateral distribution and diffusion of plastocyanin in chloroplast thylakoids, J. Cell Biol., 1989, vol. 108, pp. 1397–1405.
Khrushchev, S.S., Abaturova, A.M., D’yakonova, A.N., et al., Multi-particle Brownian dynamics software ProKSim for protein-protein interactions modeling, Komp’yut. Issled. Model., 2013, vol. 5, no. 1, pp. 47–64.
Khruschev, S.S., Abaturova, A.M., Diakonova, A.N., et al., Brownian-dynamics simulations of protein–protein interactions in the photosynthetic electron transport chain, Biophysics (Moscow), 2015a, vol. 60, no. 2, pp. 212–231.
Khruschev, S.S., Abaturova, A.M., Fedorov, V.A., et al., The identification of intermediate states of the electron-transfer proteins plastocyanin and cytochrome f diffusional encounters, Biophysics (Moscow), 2015b, vol. 60, no. 4, pp. 513–521.
Kirchhoff, H., Mukherjee, U., and Galla, H.-J., Molecular architecture of the thylakoid membrane: lipid diffusion space for plastoquinone, Biochemistry, 2002, vol. 41, pp. 4872–4882.
Knyazeva, O.S., Kovalenko, I.B., Abaturova, A.M., et al., Multiparticle computer simulation of plastocyanin diffusion and interaction with cytochrome f in the electrostatic field of the thylakoid membrane, Biophysics (Moscow), 2010, vol. 55, no. 2, pp. 221–227.
Kovalenko, I.B., Abaturova, A.M., Gromov, P.A., et al., Direct simulation of plastocyanin and cytochrome f interactions in solution, Phys. Biol., 2006, vol. 3, pp. 121–129.
Kovalenko, I.B., Abaturova, A.M., Gromov, P.A., et al., Computer simulation of plastocyanin-cytochrome f complex formation in the thylakoid lumen, Biophysics (Moscow), 2008a, vol. 53, no. 2, pp. 140–146.
Kovalenko, I., Diakonova, A., Abaturova, A., and Riznichenko, G., Direct computer simulation of ferredoxin and FNR complex formation in solution, Proc. 16th Int. Symp. on Flavins and Flavoproteins, Zaragoza Jaca: Prensas Universitarias, 2008b, pp. 437–442.
Kovalenko, I.B., Abaturova, A.M., Riznichenko, G.Yu., and Rubin, A.B., A novel approach to computer simulation of protein-protein complex formation, Dokl. Biochem. Biophys., 2009, vol. 427, no. 1, pp. 215–217.
Kovalenko, I.B., Diakonova, A.N., Abaturova, A.M., et al., Direct computer simulation of ferredoxin and FNR complex formation in solution, Phys. Biol., 2010, vol. 7, no. 2, p. e026001.
Kovalenko, I.B., Abaturova, A.M., Diakonova, A.N., et al., Computer simulation of protein–protein association in photosynthesis, Math. Model. Nat. Phenom., 2011a, vol. 6, pp. 39–54.
Kovalenko, I.B., Diakonova, A.N., Riznichenko, G.Yu., and Rubin, A.B., Computer simulation of interaction of photosystem I with plastocyanin and ferredoxin, BioSystems, 2011b, vol. 103, pp. 180–187.
Kovalenko, I.B., Knyazeva, O.S., Riznichenko, G.Yu., and Rubin, A.B., Computer simulation of plastocyanin interaction with cytochrome f and photosystem I in cyanobacterium Phormidium laminosum, Biophysics (Moscow), 2014, vol. 59, no. 1, pp. 1–5.
Kovalenko, I.B., Khrushchev, S.S., Fedorov, V.A., et al., The role of electrostatic interactions in the process of diffusional encounter and docking of electron transport proteins, Dokl. Biochem. Biophys., 2016, vol. 468, no. 1, pp. 183–186.
Kovalenko, I.B., Knyaseva, O.S., Antal, T.K., et al., Multiparticle brownian dynamics simulation of experimental kinetics of cytochrome bf oxidation and photosystem I reduction by plastocyanin, Physiol. Plant., 2017, vol. 161, pp. 88–96.
Martin, E., Samoilova, R.I., Narasimhulu, K.V., et al., Hydrogen bonding and spin density distribution in the QB semiquinone of bacterial reaction centers and comparison with the QA site, J. Am. Chem. Soc., 2011, vol. 133, pp. 5525–5537.
Melis, A. and Happe, T., Hydrogen production. Green algae as a source of energy, Plant Physiol., 2001, vol. 12, pp. 3740–3748.
Meyer, T.E., Zhao, Z.G., Cusanovich, M.A., and Tollin, G., Transient kinetics of electron transfer from a variety of c-type cytochromes to plastocyanin, Biochemistry, 1993, vol. 32, pp. 4552–4559.
Pearson, D.C. and Gross, E.L., Brownian dynamics study of the interaction between plastocyanin and cytochrome f, Biophys. J., 1998, vol. 75, pp. 2698–2711.
Plyusnina, T.Yu., Riznichenko, G.Yu., and Rubin, A.B., Regulation of electron-transport pathways in cells of Chlamydomonas reinhardtii under stress conditions, Russ. J. Plant Physiol., 2013, vol. 60, no. 4, pp. 518–528.
Riznichenko, G.Yu. and Kovalenko, I.B., Multiparticle models of Brownian dynamics for the description of photosynthetic electron transfer involving protein mobile carriers, Int. J. Appl. Res. Bioinf., 2019, vol. 9, no. 1, pp. 1–19.
Riznichenko, G.Yu., Kovalenko, I.B., Abaturova, A.M., et al., New direct dynamic models of protein interactions coupled to photosynthetic electron transport reactions, Biophys. Rev., 2010, vol. 2, no. 3, pp. 101–110.
Riznichenko, G.Yu., Kovalenko, I.B., Abaturova, A.M., et al., Multiparticle computer simulation of protein interactions in the photosynthetic membrane, Biophysics (Moscow), 2011, vol. 56, no. 5, pp. 757–767.
Riznichenko, G.Yu., Belyaeva, N.E., Kovalenko, I.B., et al., Kinetic and multiparticle models of photosynthetic electron transport, in Sovremennye problemy fotosinteza (Modern Problems of Photosynthesis), Allakhverdiev, S.I., Rubin, A.B., and Shuvalov, V.A., Eds., Izhevsk: Inst. Komp’yut. Issled., 2014, vol. 2, pp. 41–100.
Riznichenko, G.Yu., Plyusnina, T.Yu., Diakonova, A.N., et al., pH regulation of hydrogen-generating microalgae photosynthetic chain. Kinetic and multiparticle Brownian models, in Nonlinearity: Problems, Solutions and Applications, Uvarova, L.A., Nadykto, A.B., and Latyshev, A.V., Eds., New York: Nova Science, 2017, pp. 181–202.
Ruban, A., The Photosynthetic Membrane: Molecular Mechanisms and Biophysics of Light Harvesting, Chichester: Wiley, 2012.
Rubin, A.B., Compendium of Biophysics, New York: Wiley, 2017.
Rubin, A.B. and Riznichenko, G.Yu., Mathematical Biophysics, New York: Springer-Verlag, 2014.
Vernadskii, V.I., Biosfera i noosfera (Biosphere and Noosphere), Moscow: Airis-Press, 2018.
Ubbink, M., Ejdebeck, M., Karlsson, B.G., and Bendall, D.S., The structure of the complex of plastocyanin and cytochrome f, determined by paramagnetic NMR and restrained rigid-body molecular dynamics, Structure, 1998, vol. 6, pp. 323–335.
Ullmann, G.M., Knapp, E.-W., and Kostic, N.M., Computational simulation and analysis of dynamic association between plastocyanin and cytochrome f. Consequences for the electrontransfer reaction, J. Am. Chem. Soc., 1997, vol. 119, pp. 42–52.
Ustinin, D.M., Kovalenko, I.B., Grachev, E.A., et al., Direct multiparticle computer modeling of photosynthetic electron transport chain, in Dinamicheskie modeli protsessov v kletkakh i subkletochnykh nanostrukturakh (Dynamic Models of the Processes in Cells and Subcellular Nanostructures), Riznichenko, G.Yu. and Rubin, A.B., Eds., Moscow: Regul. Khaoticheskaya Din., 2010, pp. 241–262.
Ustinin, D.M., Kovalenko, I.B., Riznichenko, G.Yu., and Rubin, A.B., Combination of different simulation techniques in the complex model of photosynthetic membrane, Komp’yut. Issled. Model., 2013, vol. 5, no. 1, pp. 65–81.
Yacoby, I., Pochekailov, S., Toporik, H., et al., Photosynthetic electron partitioning between [FeFe]-hydrogenase and ferredoxin:NADP+-oxidoreductase (FNR) enzymes in vitro, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2011, vol. 108, pp. 9395–9401.