Диссертация (1143463), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Таким образом, при такомповышении и понижении света наблюдается гистерезис в формировании21Рис. 1.2:pH зоны снаружи клетки водорослиChara corallina.(а) Эволюция зонпри воздействии светового импульса [67], фиолетовым обозначены щелочные зоны,желтым кислые (b) Профиль рН, полученный в эксперименте [70]. (с) Гистерезис вформировании структур в зависимости от повышения или понижения интенсивно­сти света (получен при обработке данных для разных клеток); белые кружки обо­значают повышение интенсивности, черные квадратики соответствуют понижениюинтенсивности. Стрелка 1 соответствует увеличению интенсивности, стрелка 2- ееуменьшению [69].22структур, при этом одной и той же интенсивности могут соответствоватьдва состояния: гомогенное состояние и „зрелые“ структуры [69].1.2.2.

КолебанияНаряду со стационарными паттернами были также обнаружены ко­лебания рН и мембранного потенциала, которые могут быть как затухаю­щими, так и незатухающими, возникать либо в рН зонах, либо спонтаннов независимости от их существования.Затухающие либо незатухающие колебания рН и потенциала [63, 64](некоторые примеры приведены на рис.1.3a-d) измеряются локально, ли­бо на границе двух зон („кислой“ и „щелочной“) либо в самих зонах[64].Так, в работах [64, 76–78], что колебания могут быть постоянными прислабом освещении в течение достаточно длительного времени (примернов течение часа), либо затухать в течение 15 минут при спонтанном воз­никновении, период таких колебаний может быть 2-3 минуты (клеткиводорослиNitella).У других авторов наблюдались как затухающие колебания мембран­ного потенциала с периодом 2 мин и амплитудой 16 мВ при изменениитемновых условий на световые, так и незатухающие в течение часа самплитудой 5 мВ [63].

Также были получены колебания рН в щелочнойзоне после выключения, а затем включения света в течение 20 мин. Спон­танные затухающие высокочастотные колебания потенциала колебаниямогут возникать при включении света. [79]. В условиях постоянного осве­щения [80] колебания потенциала принимали стабильный характер и на­блюдались в течение нескольких дней. В других же случаях колебаниявозникали спонтанно, без каких-либо очевидных причин, и исчезали вне­запно после 40-60 мин или нескольких часов. Также наблюдались апе­23Рис. 1.3: Колебания рН и мембранного потенциала, полученные в разных условиях.(а)Затухающие колебания мембранного потенциала при освещении (20 Вт·м−2) кле­Chara [63] (b) Апериодические колебания внешнего pH при освещении (20 Вт/м2)клеток Chara [63] (c) Высокочастотные колебания в клетках Nitella при включениисвета[79] (d) Постоянные колебания потенциала в клетках Nitella на свету [80]токриодические или нерегулярные возмущения потенциала после затуханиярегулярных колебаний, и это могло продолжаться в течение достаточнодлительного периода времени.

Некоторые колебания вновь восстанавли­вались после исчезновения, но не всегда с тем же периодом и амплиту­дой. Согласно классификации, приведенной в [64, 77],большинство (>80%) наблюдаемых колебаний имеет средний период 15, только 5 из 30клеток осциллировали с длительными периодами (31, 43, 45, 70 и 80мин), в 4 случаях детектировались очень быстрые периодические изме­нения продолжительностью 45 секунд (50, 60 и в 2-х клетках 90 с), моду­лировавшие 15-минутные медленные осцилляции. Амплитуда колебанийварьировала от 3 до 12 мВ.Ранее предполагалось, что такие паттерны возникают вследствиегетерогенной структуры клеточной стенки, однако в последующих ис­24следованиях было показано, что такой феномен может быть обусловленработой транспортных систем [81–85], АТФ-помп [86–88] и ионных ка­налов [89], обеспечивающих гетерогенное распределение ионных пото­ков, и как следствие, такие зоны могуть быть примером диссипатив­ных структур[90–92].

Более того, для многих растительных клеток былапоказана явная корреляция между светом и мембранным транспортом[93, 94].Однако светоиндуцированные измения рН и мембранного потенци­ала связаны с субклеточными процессами, а именно, процессами, проис­ходящими в хлоропластах, основных структурах, где происходит фото­синтез. Более того, если добавить в среду с клеткой диурон, ингибиторфотосинтеза, то терялась зональность по рН даже при ярком освещении,что указывает на тесную связь между фотосинтетическими процессамипроцессами образования рН структур[68, 70, 95–97]. Что касается мо­делирования, то главные аспекты разработанных моделей приведены всоответствующей главе.1.2.3.

Электрическая реакция брюхоногого моллюскаstagnalisLymnaeaна световую стимуляциюВ отличие от растительных клеток, где отрыто обнаружено боль­шое множество режимов в ответ на световую стимуляцию, в живот­ных системах, от интенсивности света в основном зависит возбуждениезрительных нервов (у высших позвоночных) или (в случае брюхоногихмоллюсков) специальных ганглиев. В отличие от сложной оптической инейрональной систем высших позвоночных, системы брюхоногих болееупрощены по структуре и размеры рецепторных ганглиев позволяют ис­пользовать технику patch-clamp, позволяющую устанавливать электро­25ды прямо в клетку, особо ее не травмируя. Фоторецепторы у разныхвидов могут различаться по своему ответу на световой стимул, у неко­торых фоторецепторы отвечают на освещение деполяризацией, на фонекоторой генерируются потенциалы действия [98–100].В частности, электрические реакции глазаLymnaea stagnalisнасветовую стимуляцию, включающие электроретинограмму (ЭРГ) и им­пульсную активность оптического нерва, были объектом нескольких ис­следований [101–103].

Однако оба вида электрической активности рас­сматривались раздельно, так что связь между ними до сих пор остаетсяневыясненной. Соответственно остается нерешенным вопрос, генериру­ются ли компоненты ЭРГ фоторецепторными клетками, а импульсныесигналы вставочными нейронами, или же обе формы электрической ак­тивности принадлежат фоторецепторам. Более того, заключение о пере­даче сигналов через нейроны второго порядка, сделанное на основанииподавления ионами марганца импульсного ответа в оптическом нерве наосвещение глаза [102], плохо согласуется с возможностью прямого окра­шивания фоторецепторов сетчатки ретроградно через волокна оптиче­ского нерва [104].1.3. Автоволны в живых системах, и как частныйслучай этого явления – гликолизПеред тем, как перейти к субклеточному рассмотрению нелиней­ных феноменов и параметров, ими управляющих, еще раз подчеркнем,что периодическое поведение является одним из основных феноменов,характерных для живых систем на всех уровнях их биологической ор­ганизации, включая циркадные ритмы [105, 106], осцилляции, образую­щие цикл клеточного деления [107, 108], колебания в системах индивиду­26альных ферментов [109, 110], гликолитические колебания в живых клет­ках [111–114] и клеточных экстрактах [115–117].

Колебательные системымогут генерировать пространственно-временные паттерны, когда авто­каталитическая реакция сопряжена с транспортными процессами мас­сопереноса, например, с диффузией. Бегущие реакционно-диффузион­ные волны характерны для различных биологических систем (см. обзор[118]). В качестве всего лишь малого перечня примеров можно привестикальциевые волны в ооцитах лягушки [119], распространение волн де­прессии в кортексе [120] и ретине [121, 122], волны циклического адено­зинмонофосфата (cAMP) в клетках плазмодияDictyostelium discoideum[123–125] и волны восстановленной формы никотинамидадениндинуклео­тида (NADH) в клетках – нейтрофилах, принадлежащих к иммуннойсистеме [126].Хотя эти волны образуются в системах, характеризуемых различ­ными биологическими механизмами, их модельное описание базируетсяна сходных математических принципах описания процессов генерации ираспространения автоволн. При этом динамика распространения, равнокак и форма реакционно-диффузионных волн может содержать инфор­мацию о состоянии системы, то есть они могут быть релевантны вопросуо биологической обработке информации, так как направление распро­странения волн зависит как от концентрации метаболитов в клетке, так иот внеклеточного распределения биохимических компонентов [126, 127].Гликолиз играет центральную роль в энергетическом метаболизмепочти всех живых организмов (в процессе гликолиза образуются две мо­лекулы АТФ, НАДН и пирувата, вступающего затем в дальнейшие мета­болические преобразования), а также является уже классическим приме­ром колебательной биохимической реакции в биофизике, исследованнойв большом количестве экспериментов и моделей.

Гликолиз состоит из 1027Рис. 1.4:Схематическое изображение гликолиза- первая и последняя реакции.Стрелками+и−показаны положительные и отрицательные обратные связи; PFK-фосфофруктокиназа, PK-пируваткиназа, ATP, ADP - аденозинтрифосфат и адено­зиндифосфат соответственно; Pyr,PEP- пируват и фосфоенолпируватреакций, контролируемых ферментами, один из которых – фосфофрук­токиназа (ФФК), катализирующую первую ключевую реакцию развалаглюкозы на два триуглеродных сахара за счет энергии АТФ, см. риc.

1.4.Более того, как видно из 1.4, ФФК регулируется обратной положитель­ной и отрицательными обратными связями, что по сути может иниициро­вать автокатализ, а значит способствовать появлению гликолитическихколебаний во времени.Генерация и распространение гликолитических волн (простран­ственно-временная динамика) были продемонстрированы в живых клет­ках – нейтрофилах [126], а также изучались на дрожжевых экстрактах,преимущественно в закрытом перемешиваемом реакторе [128]. Однако,наиболее нетривиальные современные результаты были получены в ходеэкспериментов с открытым реактором [129], при использовании которого28было показано, что волны гликолитической реакции зачастую стартуютот стенок резервуара по направлению к его центру.Различные модели были разработаны для описания динамики гли­колиза [130–135].

Характеристики

Список файлов диссертации