Электрогенез в невозбудимых многоклеточных системах

• Автор: Асланиди, Константин Борисович
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Пущино
• Количество страниц: 48 с. : ил.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. По современным представлениям живая клетка является открытой неравновесной термодинамической системой, пространственная структура которой поддерживается потоком энергии из внешней среды (Haken. 1978, Caplan, Essing.1983). Материальным эквивалентом потока энергии в гетеротрофной клетке являются потоки метаболитов через плазматическую мембрану. Молекулярные механизмы, осуществляющие сопряженный перенос метаболитов и неорганических ионов через плазматическую мембрану, были постулированы в 1961 году. Фактически Крейн и Митчелл независимо разработали гипотезу сопряженного транспорта сахаров: Na+ / глюкоза котранспорт в животных клетках (Crane et al. 1961) и Н+ /галактоза котранспорт у Escherichia coli (Mitchell. 1961), - положившую начало хемио-осмотической концепции в биоэнергетике. Развитие принципа энергетического сопряжения и открытие проницаемых контактов (ПК) между электроневозбудимыми клетками (Loewenstein, Kanno,1964) позволили предположить существование принципиально новых механизмов кооперативного поведения многоклеточных систем (Беркинблит и др. 1981 ).
К началу наших исследований существовало представление В.П. Скулачева (1978) о том, что “ aNü может использоваться в качестве транспортабельной формы энергии, перемещающейся вдоль внешней мембраны клетки и даже от одной клетки к другой через так называемые щелевые контакты внешних клеточных мембран”, а также первые экспериментальные подтверждения этого феномена, полученные на трихомах цианобактерий (Chailakhyan et al. 1982). Однако соответствующие экспериментальные результаты для эукариот отсутствовали; помимо этого, не были сфорупированы нлвические принципы энергетического взаимодействия кон-лдатирующих клеток посредством ионных потоков через проницаемые контакты. Отсутствовали и достаточно общие ледставления о связи мембранного электрогенеза различных многоклеточных систем с метаболизмом отдельных кле-Ьк. Экспериментально не была продемонстрирована функциональная и метаболическая гетерогенность отдельных кле-:к в популяции.
Решению этих проблем и посвящена диссертация.
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы состояла в исследовании роли межклеточных электрохимических взаимодействий в самоорганизации невозбудимых многоклеточных систем, связанных проницаемыми контактами.
В процессе проведенной работы были решены следующие задачи:
• На ансамблях клеток различных организмов экспериментально продемонстрирована возможность межклеточных энергетических взаимодействий посредством ионных потоков через проницаемые контакты.
• Сформулированы основные принципы упомянутых взаимодействий и на основе этих принципов построены математические модели самоорганизующихся клеточных ансамблей.
• Разработаны модели ионно-осмотического гомеостаза животных клеток, связанных через проницаемые контакты.
• Экспериментально зарегистрирована функциональная и метаболическая гетерогенность отдельных клеток в макроскопически однородных многоклеточных ансамблях.
• Проанализированы возможные механизмы надклеточной самоорганизации.
Объекты. Для выявления общих закономерностей самоорганизации многоклеточных систем были отобраны таксономически различные объекты, далеко отстоящие друг от друга в филогенетическом плане. В качестве основных объектов в работе использовались трихомы синезеленных водорослей АпаЬаепа уапаЫНз ( АТСС 29413 ) и Р/югт/'сИит ипсупаЮт, два штамма мицелиальных грибов Меиговрога сгазва (В-2 и >/УС-1), а также несколько линий культивируемых клеток млекопитающих (первичные эмбриональные фибробласты человека и мыши, фибробластоподобные клетки хомяка ВНК-21, клетки глиомы крысы С-6, трансформированные клетки эпителия почки собаки МРСК, трансформированные человеческие кератиноциты 8/К14, клетки почки мартышки /его.). Метаболическая гетерогенность отдельных клеток, кроме перечисленных объектов, исследовалась на листьях и корневых волосках разных видов высших растений, на различных водорослях обрастания, на клетках асцитной гепатомы Зайделя

ал(рв)
рв 2л 11р {р,рв)рЗр рг - рВ; 2Я 11г (р, рв)рр Р<
рв 2л 11р{р,рв)р<1р р‘
(2.8)
1см - 0.
Т7 [(7/м]|-[Л/га+]1-Здесь [в1и]0,[01и){,[АА]о,[АА]{
• (2.9)
Сопряжение потоков метаболитов и неорганических ионов как возможный механизм контроля роста. Очевидно, что активность любого мембранного транспортера зависит только от концентраций транспортируемых веществ по обе стороны мембраны, а также от потенциала на мембране (Е). Воспользовавшись простейшими термодинамическими соотношениями между обобщенными потоками и силами (суммы электрохимических потенциалов трнспорти-руемых веществ) можно написать зависимости потока глюкозы через 'ОЫ/Ыа -симпортер и потока аминокислот 3АА
через Ма,К -зависимый нейтральный аминокислотный транспортер (НесПдег е а1,1995):
[АЩШ+ЫЧ
[АА[Ма[К концентрации глюкозы и аминокислот по обе стороны мембраны, 0[,01 - коэффициенты
пропорциональности.
Рассмотренная выше система уравнений (1.1-1.7) совместно с выражениями (2.9) описывает сопряжение транспорта метаболитов и неорганических ионов на плазматической мембране модельной клетки. При этом значения
и Рк в уравнениях (1.1-1.7) приобретают смысл сумм кажущихся ионных проницаемостей плазматической мембраны для всех путей переноса ионов. Отметим, что модель может быть замкнута для любого числа мембранных транспортеров, если будет получена в эксперименте или задана зависимость числа оборотов фермента от концентраций переносимых веществ и мембранного потенциала.
В рамках модели можно получить, в частности, зависимости потоков субстратов в клетку от активности ионного насоса (при частичной блокаде ионного насоса). Зависимости на рис.2.8. демонстрируют, что при уменьшении элек