Modelování vlivu elektrických polí vytvářených přenašeči elektronů ve fotosystému II na chlorofylovou fluorescenční indukci

Bc. Barbora CHMELINOVÁ

Master's thesis

Modelling of effects of electric fields formed by electron transporters in photosystem II on chlorophyll fluorescence induction.

Abstract:

O (ne)schopnosti organizmu využít absorbovanou energii světla pro fotochemické reakce vypovídá chlorofylová fluorescence. Ta nám pak nepřímo umožňuje sledovat funkční stav složek fotosyntetického transportního řetězce elektronů. Jednou z metod měření chlorofylové fluorescence je tzv. fluorescenční indukční jev, jehož počáteční nárůst (fluorescence rise, FLR) je studován v této práci. Jde o detekci časového průběhu intenzity fluorescence při osvětlení vzorku předem adaptovaného na tmu s charakteristickým průběhem znázorňující O-J-I-P křivka. Jednou z posledních hypotéz je, že J-I-P část křivky, tzv. termální fáze, je způsobena blíže nedefinovanou osvětlením-indukovanou strukturní změnou v PSII, přičemž tato strukturní změna by mohla být indukována elektrickým polem vytvořeným okolo přenašečů elektronů v PSII. Z tohoto důvodu se studium role samotných lokálních elektrických polí na tvar křivky fluorescenční indukce jeví jako vhodné. Místo experimentálního měření křivky se v této práci využívá teoretického - matematického modelování. Modelování nám ukazuje, které parametry mají na FLR vliv a které parametry ne. V práci vycházíme z vylepšeného modelu Dušana Lazára (2013), ve kterém jsme navíc původní rychlostní konstanty vyměnili za rychlostní konstanty vypočítané pomocí Marcusovy teorie tunelového jevu a následně jsme model rozšířili o vliv elektrického pole, které vytvářejí elektrony setrvávající na přenašečích v PSII. Simulace se prováděly ve třech variantách a to pro optimalizovanou rychlost přenosu elektronů, neoptimalizovanou rychlost přenosu elektronů, kdy změna Gibbsovy energie je časově závislá na množství zredukovaného akceptoru A s nábojem Q a pro neoptimalizovanou rychlost přenosu elektronů, kdy změna Gibbsovy energie je časově závislá na množství již zoxidovaného donoru D s nábojem q a zároveň i na množství zredukovaného akceptoru A s nábojem Q. Simulace ukazují, že lokální elektrická pole sice ovlivňují tvar křivky fluorescenční indukce, ale ne očekávaným způsobem.

Abstract:

The phenomenon of chlorophyll fluorescence provides information about an organisms (dis)ability to use absorbed light energy for photochemical reactions. It is an indirect way how to observe functional state of photosynthetic electron transport chain components. One of the method of chlorophyll fluorescence is the so-called fluorescence induction whose initial rise (fluorescence rise, FLR) is studied in this thesis. This method is based on detecting time course fluorescence intensity, while a dark-adapted sample is illuminated, characterized by a typical O-J-I-P curve. One of a recent hypothesis is that the J-I-P part of the curve, the so-called thermal phase, is caused by an unspecified light-induced structural change in PSII while this change can be induced by electric fields formed around electron transporters in PSII. Because of this reason, a study of a role of the local electric fields themselves on the shape of the fluorescence induction curve seems to be suitable. In the submitted thesis, in silico experiments mathematic modelling is used instead of real experimental measurements. The modelling shows parameters which affect FLR and those ones which do not. The thesis uses the improved Dušan Lazár's model (2013) where original rate constants known from literature were replaced by rate constants calculated according to Marcus's tunnel phenomenon theory and then the model was extended by influence of an electric fields created by electrons remaining in PSII transporters. Simulation was conducted for three cases: one for optimized rates of electron transport, one for non-optimized rates of electron transporte where the change in Gibbs' energy is time-dependent on the amount of reduced acceptor A with charge Q and for non-optimized rate of electron transport where the change in Gibbs' energy is time-dependent both on the amount of already oxidized donor D with charge q and on the amount of reduced acceptor A with charge Q. Although the simulations show that the local electric fields affect the shape of the fluorescence induction curve, the effect is not in an expected way.

Keywords

Fluorescenční indukční nárůst-počáteční nárůst (FLR), teoreticko-matematický model, fotosystém II, elektrické pole

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 8. 2014

Accessible from:: 8. 8. 2014

Thesis defence

• Supervisor: Doc. RNDr. Dušan Lazár, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Molecular Biophysics