Динамика изменения объема и потенциала клетки

Дипломная работа - Биология

Другие дипломы по предмету Биология



троцитов высоко проницаема для анионов - по данным [1], проницаемость мембраны для анионов составляет примерно или , в то время как проницаемости для одновалентных катионов и на два порядка ниже:

,

или

, .

Высокая проницаемость мембраны для анионов позволяет считать, что концентрации анионов квазиравновесны:

,

где - сумма концентраций проникающих анионов. Из этого уравнения следует, что анионы между внутри- и внеклеточным пространством распределены в соответствии с трансмембранным потенциалом.

Модель Е. Якобссона также учитывает уравнения, описывающие электронейтральность внутри- и внеклеточного содержимого, а также осмотический баланс между клеткой и окружающим пространством:

В этих уравнениях учтено, что в клетке есть белки, в первую очередь, гемоглобин, и низкомолекулярные компоненты метаболизма, которые вносят свой вклад как в электронейтральность, так и в осмос. Для простоты в этих уравнениях предположили, что суммарная концентрация всех осмотически непроникающих молекул , и все эти молекулы имеют один и тот же средний заряд .

Проведенные расчеты показали, что модель предсказывает правильные стационарные концентрации всех ионов и объема клетки (таблица 2). Это привело Якобсона к выводам, что регуляция объема клетки возможна лишь при значении мембранного потенциала ниже определенного уровня, а внутренние непроникающие ионы должны нести отрицательный заряд. Главный вывод, сделанный Якобсоном и принципиально важный для дальнейшего развития этого направления заключался в том, что соотношение пассивного и активного транспорта является определяющим для объема клетки и потенциала на ее мембране.

Таблица 1.1. Стационарные значения внутриклеточных концентраций ионов и объема для нормальных физиологических значений параметров модели

ПеременнаяТеорияЭкспериментЕдиницы измерения1016.61.6 клеточной воды1301355.0 клеточной воды110103107 клеточной водыОбъем7684-107

1.3 Модель В. Лью и Р. Букина

Однако в качестве образца для написания математической модели мной была выбрана модель, созданная в 1986 году Лью и Букином. Она объединяет последние данные о неидеальном осмотическом поведении гемоглобина, свойствах непроникающих буферов клетки и особенностях транспорта ионов через мембраны эритроцита человека.

В разработке данной модели Лью и Букчин объединили точность и достоверность в выборе начальных параметров, математическую простоту в выборе уравнений и максимальную гибкость вычислительной стратегии.

Таким образом, модель представляет собой возможно самое простое интегральное представление регуляторных функций транспорта, рН и объема эритроцита.

Основными переменными и определениями, используемыми в модели Лью и Букина, являются:

- количество раствора в 1 л клеточной воды (ммоль/л)

, - концентрация раствора во внутри- () и внеклеточном () пространстве

Индекс - обозначает количество

- ионы

- гемоглобин

- проникающий анион

- непроникающий внутриклеточный анион

- непроникающий внеклеточный моновалентный анион

- непроникающий внутриклеточный Н-буфер

- протонизированная форма внеклеточного Н-буфера

- заряд и ()

- рН клетки и среды

- изоэлектрический рН гемоглобина

- объем клеточной воды, приходящейся на 1 л стандартной клетки

- концентрация гемоглобина ()

- потоки через натриевый насос , за счет диффузии , за счет электродиффузии , электронейтральный котранспорт , электронейтральный котранспорт (цикл Якобса-Стюарта) (ммоль/л)

- константы проницаемости для раствора в случае диффузионного и электродиффузионного потоков

- константы уровня оборота для котранспорта и для контранспорта

- валентность иона , постоянная Фарадея, газовая постоянная, абсолютная температура, мембранный потенциал ()

- гематокрит/100

- интеграционный интервал ()

- отрицательный заряд гемоглобина, когда ()

- осмотический коэффициент гемоглобина

- изменение внутриклеточного количества раствора на единицу объема клетки в течении одного интеграционного интервала ()

Основные уравнения для эритроцита, используемые в расчетах

4Изотоничность

5Начальная электронейтральность

6Неидеальное осмотическое поведение гемоглобина

. - буфер поведение гемоглобина

5.Уравнения потоков

6.Постоянство электронейтральности

7.Вычисление переходов

8.Перераспределение проникающих растворов между клетками и внеклеточной средой

1.4 Модель E-cell системы

Данная модель написана на объектно-ориентированном языке программирования C++. Основными направлениями исследования являются такие клеточные процессы, как экспрессия генов, сигнальные процессы, процессы метаболизма, а также виртуальное моделирование txperiments in silico. Состоит из трех списков, загружаемых в процессе работы программы. Первый список определяет все объекты, находящиеся в клетке и межклеточном пространстве. Правила данного списка определяют все реакции, проходящие в клетке. Состояние клетки в каждый последующий период времени представляется как список значений концентраций объектов, находящихся в клетке, а также клеточного объема, рН и температуры. Графические интерф