Электрические поля в фотосинтетических мембранах

поле)

Изменения «светорассеяния»
ΔА535-560; служат показателем qE

«Электрохромные» изменения
ΔА535-560

Johnson, Ruban 2013

Контроль без ионофоров
+нигерицин (K+/H+ обмен)
+ валиномицин (повышает
K+-проводимость, снимает Δφ

мс

Пик Δφ ~ 100 мВ
Стационар Δφ ~ 20 мВ
Скорость темнового спада Δφ – показатель проводимости м-ны

Напряженность эл поля 0.1 В / 5 10–7 см = 2 105 В/см
Начальные стадии ф-за протекают в эл поле; напряженность меняется во времени.
Амплитуда изменений Δφ близка к амплитуде потенциала действия возбудимых м-н.

Мембранный потенциал, мВ

(время)

Микроэлектродная регистрация Δφ

Кинетика потенциала in vivo зависит от длительности предшествующего периода темноты

регистрация Δφ и флуоресценции Хп-тов после разных периодов темноты

Темновая адаптация инактивирует перенос электронов на акцепторной стороне ФС1: потенциал быстро спадает после пика из-за нехватки акцепторов для ФС1

Фотоактивация переноса электронов на акцепторной стороне ФС1 вызывает временное окисление QA (спад фл-ции) синхронное с возрастанием Δφ

Влияет ли Δφ на ф-с поток электронов и флуоресценцию Хл?

световой энергии в фотосинтетическом аппарате

N – число молекул Хл антенны в расчете на молекулу хлорофилла РЦ
Существует промежуточное состояние, P+ Pheo– энергия к-рого чуть ниже чем P*, но существенно выше чем энергия состояния P+Q–.

– константы скорости прямого и обратного переноса заряда b/a – константа равновесия
Δφ = φ2 – φ1

P680*

Pheo

QA

QB

Люмен (+)

Строма (-)

Разность энергий между состояниями P* и P+Pheo– составляет 40–50 мэВ. Поэтому равновесие чувствительно к сдвигам Δφ.
Диурон (DCMU) блокирует перенос от QA на QB
Гидроксиламин тормозит приток е к Р680.
Диурон восстанавливает, а ГА – окисляет QA.

E (поле)

1 нм

1 нм

Δφ

При наличии Δφ энергия иона
зависит от его положения в м-не

– константы скорости прямого и обратного переноса заряда b/a – константа равновесия
Δφ = φ2 – φ1

P680*

Pheo

QA

QB

Люмен (+)

Строма (-)

Разность энергий между состояниями P* и P+Pheo– составляет 40-50 мэВ. Поэтому равновесие чувствительно к сдвигам Δφ.
Диурон (DCMU) блокирует перенос от QA на QB
Гидроксиламин тормозит приток е к Р680.
Диурон восстанавливает, а ГА – окисляет QA.

E (поле)

1 нм

1 нм

Δφ

При наличии Δφ энергия иона
зависит от его положения в м-не

Модель обратимой радикальной пары

kt – диссипация в тепло (thermal)
kf – флуоресценция
kd – рекомбинация зарядов без излучения
kQ – перенос электрона на акцептор QA

(P+ Pheo–)

ΔE ~ 40 mV

Красными стрелками показаны стадии, рассматриваемые как равновесные (скорости этих стадий выше, чем для р-ций kQ, kd и kf).

динамич. профилями энергии в канале
(присутствие иона в соседней
потенц. яме повышает высоту
энерг барьера)

Влияние локального эл поля QA на кривые потенц энергии Хл антенны и радикальной пары P+I–

Блебы (De Grooth et al. 1980)

Биполярный эл импульс

Электрохромные изменения ΔA500

t, мкс

Набухшие тилакоиды – модель для
изучения влияния эл поля на оптич св-ва пигментов и перенос электронов

750

-750
(В/см ) 0

действием эл поля в присутствии диурона и гидроксиламина

Meiburg et al. 1983

Интерпретация осложнена

Dau et al. 1991

Изменения поглощения A520 (показатель эл. потенциала) и выхода флуоресценции
хлорофилла F в ответ на вспышку дальнего
красного света (ДКС), который не вызывает восстановления QA). ΔF ~ 5.4% на 10 мВ.

20 мс

Измерения на целых листьях при генерации Δφ фотосистемой 1

состоянии акцептора QА (Biochim. Biophys. Acta 850)

контроль

Δφ вызвано изменением отношения констант kp и k–1 между P680 и Pheo, а также
изменением вероятности рекомбинации восст. Phe с окисл. P680 (kd). В РЦ, получивших энергию кванта, состояния P680+ Фео– и P680* быстро уравновешиваются Вероятности соcтояний P680+ Pheo– и P680* обозначим x и y.
x/y = kp/k–1

(φо – редокс потенциал
Р+Pheo- при φ = 0)

доля окисл. формы акцептора QA

Зависимость фл-ции хлорофилла от потенциала φ на м-не тилакоида

Зависимость выхода фл-ции от
заселенности уровней в обратимой
радикальной паре x / y и редокс состояния акцептора QA (θ)

Зависимость выхода фл-ции от разности потенциалов φ на участке мембраны между Р680* и Р+Pheo- .
Величина θ – параметр: 0, 0.1, 0.5, 1.0

θ (0, 0.1, 0.5 и 1.0). Разность пот-лов - в безразмерных единицах (RT/F)

(Qa oxidized)
θ = 1

В опытах с генерацией диф. потенциала при солевом «ударе» фл-ция сдвигается на
~10% при сдвиге Δφ на 100 мВ.

+ диурон

+ гидроксиламин

Модель объясняет, почему биполярные импульсы тока вызывают асимметричные или симметричные сдвиги флуоресценции при разном состоянии QA, т.е.
- в норме (на свету), - в присутствии диурона, - в среде с гидроксиламином

в изолированных хлоропластах

контроль

+ГА

+ГА

Инг-р ФС2
+ донор и
акцептор
ФС1

Контроль + ингибитор ФС2 (гидроксиламин)

Гидроксиламин + донор и акцептор для ФС1
(ТМФД / метилвиологен; восст. ДХФИФ / МВ)

Время, мс

Фототок, нА

Фототок, нА

Время, мс

Время, мс

Флуоресценция

Флуоресценция

функции хлоропласта: как оценить их вклад в ΔμН?

Изменения поглощения в области 515 нм (электро- хромные изменения) служат показателем Δφ. Реакция Δφ на выключение света позволяет разделить эти компоненты.
В данном примере на долю Δφ приходится ~40%.

Есть ограничения. Такой анализ применим при условии постоянства и преобладания Н+-проводимости мембраны. Если Н+-проводимость подавлена ингибитором (DCCD), отрицательный сдвиг потенциала не возникнет (низкая Н+-проводимость, малое PH).

знаку

ПД ~ 1 мс конц-ии ионов внутри и снаружи не изменяются, значения эдс φNa и φK – константы, так как уровни K+ и Na+ высоки: [K+]i ~ 100 мМ и [Na+]i ~ 10 мМ.
Конц-ия Н+ на свету в люмене возрастает в сотни раз, а в строме снижается.
Это меняет значения эдс φН и проводимости gH.
При низких [K+] в строме и люмене (валиномицин + низкая [K+] в среде) меняется также эдс для K+. Накопление K+ в строме и диффузия К+ в люмен создают положит. эдс φK.

аксон

тилакоид