Флуоресценция хлорофилла а – это очень удобное средство для исследования фотосинтетических процессов. Она излучается молекулами хлорофилла, поглотившими свет, преобразовавшими его в химическую энергию, и переизлучившими малую часть в виде флуоресценции.
Общепринято, что при комнатной температуре флуоресценция излучается в основном фотосистемой 2, и поэтому может служить естественным источником знаний о ее работе. Эти знания могут быть получены с помощью регистрации индукционной кинетической кривой флуоресценции хлорофилла а и последующего математического моделирования.
В прямой многочастичной компьютерной модели сигнал флуоресценции может быть описан с использованием модели реакций переноса электронов в ФС2. Данная модель использует упрощенную схему процессов электронного транспорта в комплексе фотосистемы 2. Считается, что комплекс ФС2 может находиться в одном из 8 состояний, при этом каждое состояние комплекса определяется совокупностью редокс-состояний переносчиков, составляющих комплекс. Эти состояния и переходы между ними схематически изображены на рисунке.
Переходы между состояниями описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями, линейными относительно вероятностей состояний:
где pi - вероятность того, что комплекс переносчиков находится в i-м состоянии в момент времени t, kij - константа скорости перехода i-го состояния комплекса в j-е, bi - вероятности начального состояния комплекса. Вероятность найти переносчик в определенном состоянии представляет собой сумму вероятностей состояний комплекса pi, в которых данный переносчик находится в этом состоянии:
.
В состояниях a2, b2, c2, d2 первичный хинон QA находится в восстановленном состоянии. Считается, что интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации комплексов ФС2 с восстановленным QA, поэтому выход флуоресценции пропорционален вероятности нахождения комплекса в состоянии с
F = kfl*( a2+b2+c2+d2).
В прямой модели комплексы ФС2 случайным образом распределены в гранальных областях фотосинтетической мембраны в соответствии с экспериментально определенными концентрациями. Комплексы неподвижны. Между ними в фотосинтетической мембране диффундируют молекулы пластохинона PQ.
В прямой модели на каждом временном шаге для каждого комплекса ФС2 вычисляется, в каком состоянии он будет находиться на следующем шаге. Состояние комплекса вычисляется с помощью системы дифференциальных уравнений, описанной выше. Если в результате броуновской диффузии молекула PQ подходит к сайту связывания на комплексе ФС2, находящемуся в состоянии d1 или d2, то с некоторой вероятностью происходит посадка PQ на комплекс, и на следующем шаге комплекс оказывается в состоянии a1 или a2, соответственно.
Параметрами модели являются элементарные константы переходов между состояниями комплекса ФС2, вероятности и радиусы взаимодействия комплекса ФС2 и молекул пластохинонов, а также размер пула пластохинонов. Режим и величина освещенности в модели задается изменением значения параметров k1, k3, k5, k8, которые являются световыми параметрами. В модель позволяет имитировать тот режим освещенности, который применяется в эксперименте.
Типичная кривая индукции флуоресценции, полученная с помощью кинетической математической модели, представлена на рисунке. Видно, что модель адекватно воспроизводит характерную для индукционной кривой O-J-I-P кинетику.
