Автореферат (1143460), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Исследования подержаны ФЦП N 14.575.21.0073 (код RFMEFI57514X0073,2014-2016) и госзаданием 3.9499.2017/БЧ (2017-2019) Минобрнауки РФ.Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 25 печатныхработах, из них 23 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ [1–23] иприравненных к ним в изданиях, индексируемых в международных базахWoS и Scopus.Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Выделение использованных доминантных параметров какключевых факторов изученных моделей было предложено автором.
Во второй главе автор принимал активное участие в разработке двухкомпонентноймодели трансмембранной динамики и предложил трехкомпонентную модель;все численные результаты, включая бифуркационные диаграммы, полученылично автором. В третьей главе автору принадлежит идея о гетерогенностипотока метаболитов как объяснения переворота волны, численное моделирование и количественные оценки параметров для сравнения с экспериментальными данными, а также биологическая интерпретация модифицированныхпредставлений дифференциальных уравнений, включая введение обобщенного уравнения Рэлея как новой общей биофизической модели.
в четвертой главе автору принадлежит идея редукции модуля связанных нейронов системыКопел-Ротштайна, численный эксперимент получения режимов и его биологическая интерпретация, а также численный анализ динамики анализируемойнейроморфной системы (система связанных осцилляторов Белоусова-Жаботинского) и его биофизическая интерпретация. В разделах, посвященных вейвлет-анализу, автору принадлежит постановка соответствующих биофизических задач, определяющее участие в апробации методов на основе релевантности экспериментальным данным и итоговая формулировка методов в форме,адаптированной под практические биофизические приложения. Подготовкак публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами,причем вклад диссертанта был определяющим в биофизической части мате9риала .Диссертация состоит из введения,4 глав, заключения и библиографии.
Общий объем диссертации составляет264 страницы, включая 76 рисунков. Библиография включает 331 наименований на 36 страницах.Структура и объем диссертации.Содержание работыобоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показанапрактическая значимость полученных результатов, представлены выносимыена защиту научные положения.В первой главе представлен обзор биологических и биохимическихсистем, динамика которых может быть промоделирована дифференциальными уравнениями с сильной нелинейностью; выделены системы, качественноеизменение динамики которых может управляться малым числом ключевыхпараметров; представлен обзор современного состояния биофизического моделирования для характерных объектов, рассматриваемых в диссертационномисследовании.Во второй главе представлены модель изменения трансмембранногопотенциала и рН в гигантских клетках водоросли Chara corallina в зависимости от внешнего светового сигнала, результаты, полученные путем численного моделирования, анализ их биологической релевантности, а также разработанный в ходе исследования новый метод вейвлет-бифуркационного анализадля характеризации переключения осцилляционных динамических режимов.Нелинейная динамика трансмембранного потенциала, концентрации различных ионов или pH в клетке или в примембранной области за счет трансмембранных потоков и возникновение различных режимов (от локальныхколебаний до структур Тьюринга) наблюдается у многих живых организмов,что связано чаще всего с дифференциацией тканей, ростом или питанием13 , 14 .Возникновение этих режимов может быть обусловлено влиянием внешнихфакторов, таких как температура, свет, электрические стимулы и так далее.Гигантские водоросли Chara corallina и Nitella (размер клетки от 1 до 10см) являются очень удобным биофизическим объектом, на котором можноэкспериментально исследовать все выше описанные режимы, возникающиеВо ВведенииR.W.
[1994] “Symbiosis, calcification and environmental interactions”, in: Past and presentbiomineralization processes. Considerations about the carbon cycle. Musee Oceanographique, Monaco, pp.13 Buddemeier,119-136.14 Miller A.L., Gow N.A.R. Correlation between root-generated ionic currents’ pH, fusicoccin, indoleaceticacid, and growth of the primary root of zea mays, Plant Physiology 89, 1198-1206 (1989)10при воздействии светового сигнала15 , 16 , 17 . Модели, разработанные для описания нелинейных режимов (в основном структурообразования), носят болеефеноменологический характер, где учитывается только часть процессов, происходяших на мембране, и не дает полного представления о биофизическихмеханизмах возникновения структур и локальных колебаний потенциала иpH18 , 19 .В разработанных моделях [2–6] предполагается, что возникновение нелинейных режимов обусловлено работой потенциалзависимой АТФ-помпы, которая работает на поддержание баланса рН внутри и снаружи клетки, меняющегося под воздействием светового сигнала.
В первой версии модели [5]на основании кинетической схемы работы помпы описаны активный и пассивный транспорт протонов (ℎ ); изменение трансмембранного потенциала( ) обусловлено потоком протонов и током утечки (токи остальных заряжен2ных ионов), а также диффузия протонов в примембранной области ( ℎ2 )2и распространение потенциала ( 2 ):ℎ 2 ℎ= − + 1 2 , 2= − − + 2 2 ,где (1)(2)ℎ ℎ 3,=(1 + ℎ )2 2 (2 + 3 ℎ ) + (1 + ℎ )2 2 ℎ = ℎ , = ( − 0 )описывают активный поток через АТФ-азу и пассивный транспорт протонови ток утечки соответственно.Безразмерные переменные имеют вид: ℎ = [ ]/1 , = /2 , = ̃−2 [0 ]/1 и = /; кинетические параметры потока через помпуопределялись через элементарные константы каталитического цикла АТФазы ± ( = ±1..6), соответствующие кинетической схеме, приведенной в0[5]: 1 = −1 /1 , 2 = −2/20 , 3 = 30 /220 ; ℎ = [ ]/1 -концентрация протонов внутри клетки, в данной версии модели принималась пара15 FisahnJ., McConnaughey T., Lucas W.J., Oscillations in extracellular current, external pH and membranepotential and conductance in the alkaline bands of Nitella and Chara, J.
Exp. Bot. 40, 1185-1189 (1989)16 Bulychev A.A., Cherkashin A.A., Rubin A.B., Muller S.C., Distribution of acidic and alkaline bands onthe surface of Chara coralli,na cells under stationar and local illumination, Физиология Растений, 49, 805-813(2002)17 Boels HD, Hansen UP, Light and electrical current stimulate the same feedback system in Nitella, PlantCeII Physiol 23,343-346 (1982)18 Toko K., Chosa H., Yamafuji K. “Dissipative structure in the Characeae: Spatial pattern of proton flux asa dissipative structure in characean cells”, J. Theor. Biol. 114, 127-175 (1985)19 Bulychev, A.A., Polezhaev, A.A., Zykov, S.V., Pljusnina, T.Yu., Riznichenko, G.Yu., Rubin, A.B., Jantoß,W., Zykov, V.S. & Müller, S.C.
“Light-triggered pH banding profile in Chara cells revealed with a scanning pHmicroprobe and its relation to self-organization phenomena”, J. Theor. Biol. 212 , 275-94 (2001)11метром, феноменологически зависимым от интенсивности света. Константапассивного транспорта определялась как = 1 /2 [0 ], где [0 ] полнаяконцентрация фермента АТФ-азы. Параметры для уравнения (2) определя0лись, как: = ̃1 /−2[0 ], = 2 1 /2 , 0 = 0 /2 , где ̃максимальная проводимость каналов, диаметр клетки, 0 - потенциал покоя, когда АТФ-аза в неактивном состоянии и -емкость мембраны. Ко11эффициенты диффузии: 1 = 2 0 [ ] , 2 = 22 0 [ ] .
Граничные усло0 −20−2вия, согласно эксперименту, принимались как ноль потоков на границах:ℎ /(0, ) = ℎ /(1, ) = 0, /(0, ) = /(1, ) = 0. Данная моделькачественно, а также количественно описывает большинство экспериментально наблюдаемых нелинейных режимов, а также был предложен механизм ихвозникновения, учитывающий влияние интенсивности света на мембранныйтранспорт.
При исследовании локальной динамики переменных модели былприменен бифуркационных анализ, который для данной модели, в силу еесильной нелинейности, был выполнен в основном численно.Однако данная версия модели не учитывала динамику концентрациипротонов внутри клетки (в цитоплазме), которая крайне чувствительна к световому воздействию за счет активации хлоропластов20 , 21 .
Более того, даннаяверсия модели не описывает нерегулярные или хаотические режимы, наблюдаемые в эксперименте15 . Поэтому к двум уравнениям первой модели (безучета пространственных членов) было добавлено уравнение, учитывающеединамику концентрации протонов в цитоплазме, зависящей от активного потока через АТФ-азу и потока через мембрану хлоропластов:ℎ= − − ℎ ,(3)Выражение для потока ℎ было выведено, исходя из кинетической схемы,описывающей поток протонов через мембрану хлоропластов 4 ↽ ′ ⇀−45⇀↽−5 ℎГде , ′ концентрация фермента-транспортера в различных конформационных состояниях; ℎ , размерные концентрации протонов в хлоропластеи в цитоплазме клетки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
