Практикум по биофизике : в 2 ч. Ч.2

В

ПРАКТИКУМ 
ПО БИОФИЗИКЕ

в двух частях

Часть 2

У Ч Е Б Н И К  Д Л Я  В Ы С Ш Е Й  Ш К О Л Ы

Под редакцией 
члена-корр. РАН А. Б. Рубина,
проф. Г. В. Максимова
и зав. лаб. С. М. Ременникова

2-е издание, электронное

Рекомендовано к опубликованию решением
Ученого и Учебно-методического советов
биологического факультета
Московского государственного университета
имени М. В. Ломоносова

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 373.167.1:57
ББК 28.57я73

П69

С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.

П69

Практикум по биофизике : в 2 ч. Ч. 2 / А. М. Абатурова
[и др.]
;
под
ред.
А. Б. Рубина,
Г. В. Максимова,
С. М. Ременникова. — 2-е
изд.,
электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2020. — 512 с. — (Учебник
для
высшей
школы). — Систем.
требования:
Adobe
Reader
XI
;
экран 10". — Загл. с титул. экрана. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-775-2 (Ч. 2)
ISBN 978-5-00101-773-8
Практикум
по
биофизике
содержит
описания
практических работ с применением ряда биофизических методов
и служит дополнением к теоретическим материалам по курсу
«Биофизика».
Каждая
практическая
работа
предваряется
теоретическим
введением
и
включает
описание
экспериментальной
установки
или
используемой
математической
модели,
а
также
порядок
выполнения
работы.
В
ходе
выполнения
работ
студенты
ознакомятся
с
устройством
приборов, овладеют современными биофизическими методами
и приобретут навыки применения этих методов в научных
исследованиях.
Часть 2 практикума рассчитана на магистрантов, студентов биологических специальностей 5–6-го курсов вузов.
УДК 373.167.1:57
ББК 28.57я73

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-775-2 (Ч. 2)
ISBN 978-5-00101-773-8
c○ Лаборатория знаний, 2017

2

Введение

Представленные в этом сборнике задачи входят в специальный 
практикум по биофизике кафедры биофизики биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова. Подборка задач соответствует программе по биофизике для высшей школы и подкрепляет практически теоретический материал лекций. Каждая из задач 
представляет собой самостоятельное небольшое исследование, выполняемое студентами в течение 18 или 36 часов в зависимости 
от объема задачи. Как правило, задачи выполняются в группе из 
2–3 человек под руководством одного преподавателя. По итогам 
проделанной работы оформляется письменный отчет, который 
должен включать следующие разделы.

1. Титульный лист с именами преподавателей и исполнителей.
2. Оглавление.
3. Краткое теоретическое введение, в котором приводится обоснование для применения к исследуемым объектам методов, используемых в задаче.
4. Цели и задачи исследования.
5. Методы исследования; приводятся основы используемых в задаче методов, а также особенности измерений применительно к 
используемым объектам.
6. Результаты проведенных экспериментов, корректно обработанные и представленные в удобной для восприятия форме.
7. Выводы. В этом разделе студенты самостоятельно интерпретируют полученные результаты.
8. Литература (список используемой литературы).

Все страницы текста и таблицы должны быть пронумерованы. 
Объем отчета не должен превышать 10 страниц.
Отчет о выполнении задачи выполняется в электронном виде 
на листах формата А4 (297  210 мм), а также распечатывается 
в одном экземпляре.

Введение

Ряд задач можно объединять в самостоятельные циклы, позволяющие провести единое исследование от подготовки объекта до 
получения его характеристик и составления математической модели изучаемых процессов.
Выполненные задачи и циклы могут служить основой курсовых и дипломных работ.
Представленные задачи рекомендуются для выполнения студентами 5–6 курсов или студентами магистратуры.

Раздел 1

Теоретическая 
биофизика

В этом разделе представлены задачи, позволяющие построить математические модели процессов в фотосистеме II высших растений 
(ФС II), охватывающих временной диапазон реакций от пико- до 
миллисекунд, и модели каталитического цикла в ФС II; освоить 
метод анализа стационарных метаболических потоков, основанный на линейном программировании; ознакомиться и применить 
методы главных и независимых компонент (МГК и МНК) для 
анализа массива динамической визуальной информации, поступающей от современных методов конфокальной и многофотонной 
флуоресцентной микроскопии, функциональной магнито-резонансной томографии и др.
Предлагается освоить метод многочастичной броуновской динамики на примере связывания белков электрон-транспортной цепи 
фотосинтеза; использовать методы молекулярного моделирования 
для изучения состояния бислойной липидной мембраны в присутствии катионов и для анализа параметров углеродных нанотрубок.

1.  Математическое моделирование
фотосинтетических процессов
в фотосистеме II 
высших растений

Н. Е. Беляева, Г. Ю. Ризниченко

Аннотация

Задача дает возможность обучиться основным принципам моделирования процессов переноса электрона и трансформации энергии 
в фотосинтетическом аппарате растений. На примере моделирования процессов в фотосистеме II (ФС II) рассматриваются различные способы построения модели — от упрощенных моделей 
до детального описания процессов переноса электрона в ФС II. 
Предусматривается построение модели миллисекундных процессов в ФС II (модель двухэлектронных ворот) и модели «быстрых» 
(пико- и микросекундных) процессов первичного разделения зарядов. Кроме того, предполагается построение детальной модели каталитического цикла ФС II. В рамках каждой из моделей 
предлагается произвести моделирование эффекта индукции флуоресценции хлорофилла при разных интенсивностях освещения 
объекта с интерпретацией полученных результатов. На основе 
сопоставления полученных результатов делают выводы о преимуществах и ограничениях каждого способа моделирования.
При выполнении задачи используется предназначенный для 
по строения и исследования моделей сложных метаболических 
систем пакет программ DBSOLVE. Для выполнения задачи как 
отдельного исследования необходимо наличие трех компьютеров 
с достаточным вычислительным ресурсом. Исследование может 
проводиться как отдельная задача или в рамках цикла задач по 
освоению методов изучения фотосинтезирующих образцов.

Цель работы

Освоение методов кинетического моделирования метаболической 
системы в приложении к процессам ФС II и методик верификации моделей с использованием данных по индукции фотосинтеза.

1. Математическое моделирование фотосинтетических процессов

Объекты исследования

Структурные и функциональные схемы процессов тилакоидной 
мембраны, экспериментальные данные по световой индукции 
флуоресценции и формированию электрохимического потенциала 
мембраны.

Методы

Построение редуцированных и детальных моделей процессов 
ФС II, применение пакета DBSOLVE для верификации моделей 
и для фитирования расчетов детальной модели ФС II по комплексу индукционных данных.

План работы

1. Систематизация литературных данных по описанию процессов 
переноса заряда в ФС II и индукции фотосинтеза.
2. Отладка редуцированных моделей ФС II.
3. Фитирование детальной модели ФС II по выходу флуоресценции, измеренному в определенных условиях эксперимента.
4. Анализ результатов идентификации параметров детальной модели ФС II и сравнение возможностей использованных моделей.

Предполагаемые результаты и навыки

1. Освоение основных принципов моделирования процессов переноса электронов, протекающих в пределах фотосинтетических 
пигментбелковых комплексов (ПБК). Специфика моделирования таких процессов состоит в необходимости рассмотрения 
вероятностей нахождения ПБК в различных окислительно-восстановительных состояниях. 
2. На примере построения упрощенных и детальных моделей фотосистемы II (ФС II) предполагается сделать выводы о преимуществах и ограничениях каждого способа моделирования. 
3. Использование детальной модели каталитического цикла ФС II 
позволяет добиться хорошего соответствия модельных и экспериментальных результатов по регистрации кривых индукции флуорсеценции хлорофилла и интерпретировать отдельные 
кинетические компоненты кривых в терминах концентраций 
соответствующих окислительно-восстановительных состояний 
ФС II.

Теоретическое введение 
9

4. Освоение фитирования многопараметрической модели к экспериментальным данным, определяя оптимальные диапазоны 
значений параметров модели. 
5. Выполнение задачи формирует навыки применения имитационных моделей к количественному описанию экспериментов по 
изучению процессов фотосинтетической мембраны.

Теоретическое введение

Структура и функция фотосистемы II высших растений

Организация ФС II
Фотосистема II представляет собой пигмент-белковый комплекс 
с общей молекулярной массой более 400 кДа. Функциональный 
комплекс ФС II содержит 200–300 молекул хлорофилла, из которых примерно 30% составляет Chl b, а также различные каротиноиды и ксантофилы.
В состав индивидуального комплекса ФС II [1, 2] (рис. 1.1) входят:


единичный мультимерный содержащий Chl a сердцевидный 
комплекс (250 кДа), так называемый «core complex» ФС II;


примерно 14 содержащих Chl a/b белков с молекулярной 
массой около 28 кДа, представляющих собой светособирающий комплекс (LHC). Число молекул хлорофилла на один 
мономер в 28 кДа около 14, NChl a /NChl b  1–2,5. Число компонентов LHC может варьировать в зависимости от условий 
роста растения.
Возможно, что при упаковке в граны светособирающие комплексы и ПБК реакционных центров (РЦ) образуют единую динамическую белковую сеть, в которой не исключена одновременная 
ассоциация одного LHC с более чем одним РЦ. Для такой динамической системы невозможно точно определить размер и состав 
единичного комплекса ФС II.
LHC II. Основная фракция светособирающей антенны LHC II 
(около 75%) представляет собой группу тесно связанных друг 
с другом белков с высоким содержанием Chl b. Эти комплексы, скорее всего, образуют тримеры или олигомеры. Хлорофиллы этих тримеров исключительно плотно упакованы — расстояния между отдельными молекулами пигментов составляют всего 
9–14 Å. Расположение пигментов внутри одного мономера не похоже на регулярную решетку, как это предполагалось ранее. Девять пигментов каждого LHC-тримера расположены по внешнему 

1. Математическое моделирование фотосинтетических процессов

гидрофобному периметру. Такое расположение, по-видимому, облегчает быстрый транспорт экситонов к другим LHC или к РЦ.
Основная функция LHC II — это — сбор энергии возбуждения 
при поглощении квантов света его пигментами и осуществление 
эффективного транспорта этой энергии к реакционным центрам 
При фосфорилировании часть LHC II может отделяться от ФС II, 
что приводит к перераспределению энергии возбуждения между 
ФС I и ФС II.
Core complex ФС II. Это минимальная единица, способная 
окислять воду и восстанавливать пластохинон. Он состоит из четырех пигмент-содержащих полипептидов (D1, D2, CP43 и CP47) 
и нескольких не содержащих пигментов полипептидов, которые 
предположительно участвуют в стабилизации марганцевого комплекса.
Димер D1/D2 реакционного центра (рис. 1.1) содержит специальную пару хлорофиллов P680, по меньшей мере еще два Chl a, 
два феофитина, один прочно связанный пластохинон QA и центр 
связывания пластохинона QB, а также редокс-активный тирозин 
TyrZ. 

Рис. 1.1. Структура пигмент-белкового комплекса ФС II