Математическое моделирование процесса фототрансдукции в палочках сетчатки (1103711), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Сплошной линиейпредставлена кривая, полученная в первой модели (на основе экспериментов посветорассеянию), штриховая кривая соответствует второй модели (исходя из скоростиактивации трансдуцина на основе исследований с использованием ГТФγS).Таким образом, проведенные теоретические расчеты показали, что даже если принять,что скорость активации трансдуцина на порядок меньше, чем предполагалось ранее, этоне ставит под сомнение всю кинетическую схему процесса фототрансдукции. Болеенизкое значение Км для фосфодиэстеразы вполне может компенсировать предполагаемоезамедление скорости предыдущих реакций. При этом такое значение Км не выходит изпределов экспериментально полученных значений.Рис.
6. Сравнение двух альтернативных решений кинетической модели. 1 – теоретическийфототок, полученный на основе экспериментов с применением радиоактивного ГТФγS, 2– теоретический фототок, рассчитанный на основе экспериментов по светорассеянию.Стрелкой обозначен момент световой вспышки. Засветка вызывает активацию 10-7молекул родопсина.15Моделирование адаптационных процессовВ данной главе было проведено исследование адаптационных процессов проходящих впалочке сетчатки при включении фонового освещения. К адаптационным относятсябиохимические реакции, обеспечивающие снижение чувствительности при повышенииуровня освещения. На сегодняшний день точно установлено, что основным регуляторомадаптационных процессов является внутриклеточная концентрация кальция.
Однако приэтом дискуссионным остается вопрос – можно ли только на основе известных механизмовадекватно описать как одиночные фотоответы, так и процесс световой адаптации. Частьавторов дает положительный ответ на данный вопрос, тогда как другие считаютнеобходимым введение дополнительных неизвестных сегодня механизмов.Дляответанаданныйвопрос,вдиссертационнойработепервоначальнаяматематическая модель была дополнена с учетом последних экспериментальных данных окалькциевой регуляции в палочках сетчатки. Кроме того, в данной главе был рассмотренвклад отдельных стадий каскада фототрансдукции в обеспечение световой адаптации.Восстановление темнового фототока определяется в палочке тремя этапами –дезактивацией родопсина и фосфодиэстеразы, а также ускорением синтеза цГМФгуанилатциклазой.
Однако из литературных данных известно, что дезактивацияфосфодиэстеразы протекает достаточно быстро, и поэтому не оказывает заметноговлияния на общую кинетику фототрансдукции. Таким образом, для моделированияпроцессов световой адаптации были учтены молекулярные процессы, обеспечивающиедезактивацию родопсина и ускорение работы гуанилатциклазы.Деактивация родопсина.Процесс деактивации родопсина в палочках сетчатки носит многоступенчатыйхарактер, который протекает с участием трех белков: родопсинкиназы, рековерина иарестина, причем рековерин играет роль кальций чувствительного сенсора.Для учета кальций зависимого процесса инактивации родопсина, в первоначальнуюматематическую модель были внесены следующие изменения:реакции:k 1 р , РKM II + Ф i → M II ⋅ Ф ik 1арM II ⋅ Ф i + Ар → M II ⋅ Ф i ⋅ Ар16k 1 рекРек + Ca → Рек ⋅ Cak 1 рекРек ⋅ Ca + Ca → Рек ⋅ (Ca )2Kd _ рекбыли заменены на реакции:Рек ⋅ (Ca ) 2 + РК ⇔ Рек ⋅ (Ca )2 ⋅ РКk 1 РКM II + РК → M II ⋅ РКk 2 РКM II ⋅ РК + Фi → M II ⋅ Фi + РКk 1арM II ⋅ Фi + Ар → M II ⋅ Фi ⋅ АрРегуляция активности гуанилатциклазыПервоначально скорость синтеза цГМФ учитывалась известной из литературыэмпирической зависимостью:vГ Ц =vГ Ц макс [Ca 2+ ] 1 + K Ca 2.При рассмотрении видно, что эта формула обладает рядом существенных недостатков.9 во-первых, при [Са2+]->∞ скорость синтеза цГМФ стремится к нулю.
Но изэкспериментальных данных следует, что при повышении концентрации кальцияскорость синтеза стремится к некоторому отличному от нуля значению (рис. 20);9 во-вторых, представленная зависимость не учитывает опосредованный характерактивации гуанилатциклазы;9 в-третьих, в данном представлении реакции регулирующие скорость работыгуанилатциклазы учитываются как мгновенные.В силу этого, в данной главе был осуществлен переход от эмпирической зависимости кмоделированию детальных молекулярных механизмов.Молекулагуанилатциклазыпредставляетсобойтрансмембранныйбелок,локализованный в виде димеров в фоторецепторных дисках.
Скорость работыгуанилатциклазы регулируется концентрацией внутриклеточного кальция, опосредованночерез модуляторные белки (GCAP1 и GCAP2). Каждая молекула GCAP-белка имеет подва центра связывания ионов кальция, причем до конца неясно оба ли из нихзадействованы в процесс регуляции каталитической активности гуанилатциклазы. Вдиссертационной работе были смоделированы оба из этих вариантов. Сравнение сэкспериментальными данными (рис. 7) четко указывает на то, что в регуляторномпроцессе участвуют оба кальций связывающих центра.17Рис.7.
Активность гуанилатциклазы в зависимости от концентрации Са2+.а – экспериментальные данные активности гуанилатциклазы в присутствии (1) и вотсутствие (2) GCAP-белков (Dizhoor et. al., 1998); активность гуанилатциклазы,теоретически рассчитанная в рамках модели, учитывающей регуляцию посредствомодного (б) и двух (в) кальций-связывающих центров GCAP-белков.Дополненная детальными биохимическими процессами кальциевой регуляции модельтестировалась как в условиях одиночных вспышек, так и при включении фоновогоосвещения. Сравнение теоретических и экспериментальных кривых показало, что за счетизвестных механизмов кальциевой регуляции можно адекватно описать процессыфототрансдукции (в том числе и при фоновом свете), не используя при этомискусственные подгоночные механизмы.Роль отдельных механизмов в обеспечении адаптационных процессовДля изучения вопроса об относительном вкладе рассмотренных выше механизмов,было проведено раздельное моделирование регуляции активностей родопсина игуанилатциклазы.
Проведенный анализ показал, что вклад двух основных процессов,обеспечивающих восстановление фотоответов, далеко не равнозначен (рис. ). Так учетмолекулярных процессов регуляции активности гуанилатциклазы, практически неизменил кинетических характеристик первоначальной математической модели, исоответственно не позволил правильно описать основные качественные характеристикикинетики адаптационных процессов. Учет в модели кальций зависимой регуляциивремени жизни активного родопсина привел к кардинальным изменениям поведения всейсистемы в целом, причем обнаруженные изменения совпадали с наблюдающимисяэкспериментально процессами световой адаптации. Таким образом, построенная модельпозволила считать основным механизмом, обеспечивающим световую адаптацию,процесс опосредованной рековерином кальций зависимой регуляции активностиродопсина.18Рис.8.
Фотоответы адаптированной к темноте (а) палочки сетчатки и при включениифонового освещения (б).Сплошные линии соответствуют экспериментально измеренным фототокам (Fain et. al.,2001), штриховые представляют собой теоретически рассчитанные фототоки.Стрелками обозначены моменты предъявления световых вспышек, ступенькой обозначенмомент включения фонового освещения (только для б). Интенсивность вспышекпоследовательно возрастала: 1.1 фотон/мкм2; 4.7 фотон/мкм2; 15.5 фотон/мкм2; 53.7фотон/мкм2. Интенсивность фонового освещения составляла 1.7 фотон/(мкм2⋅сек).ЗаключениеВ представленной работе было произведено обобщение известных на сегодняшнийденьэкспериментальныхданныхомеханизмахфототрансдукцииврамкахматематической кинетической модели.В последние годы были уточнены детальные механизмы процесса фототрансдукции.Так, были обнаружены конкретные белки, осуществляющие кальциевую регуляцию впалочках сетчатки (рековерин, GCAP-белки).
Их учет в математичской модели позволил19Рис.9. Моделирование адаптационных процессов с учетом молекулярных механизмоврегуляции времени жизни родопсина и активности гуанилатциклазы.а – эмпирическое описание как регуляции активности родопсина, так и гуанилатциклазы;б – учет молекулярных механизмов регуляции активности родопсина, активностьгуанилатциклазы в виде эмпирической зависимости; в – активность родопсина в видеэмпирической зависимости и учет молекулярных механизмов регуляции активностигуанилатциклазы; г – учет молекулярных механизмов регуляции активности родопсина игуанилатциклазы.Стрелкой обозначен момент предъявления световых вспышек, ступенькой обозначенмомент включения фонового освещения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
