Дослідження динаміки мембранозв’язаних біоелектричних процесів ембріональних клітин з використанням комп’ютерного моделювання - Автореферат

Сучасні біофізичні методи дозволяють одержати потрібні характеристики в динаміці, зокрема показано, що процеси, які проходять після запліднення яйцеклітини в період її синхронних дроблень, супроводжуються періодичними коливаннями трансмембранного потенціалу (ТМП) та інших біоелектричних показників на фоні характерних змін їх загального рівня (Гойда, 1993). Однак, незважаючи на велику базу експериментальних даних пояснення можливих механізмів часової зміни електрофізіологічних характеристик незбудливих клітин, до яких належать бластомери зародків тварин, на основі кількісних співвідношень здійснено тільки в частковому плані (Гумецький, 1995), а використання системного підходу і відповідного йому математичного моделювання в цій сфері тільки починається. Дисертаційна робота виконана в рамках наукових досліджень, які проводились на кафедрі біофізики та математичних методів у біології Львівського державного університету імені Івана Франка в 1995-1998 рр. як держбюджетна НДР за темою БФ-711Б “Дослідження динаміки біоелектричних параметрів мембран зародків тварин за різних умов інкубації з використанням компютерного моделювання”, № держреєстрації 0196V023018 (здобувачем проведено дослідження динаміки аперіодичних і періодичних змін електрофізіологічних характеристик бластомерів зародка вюна з використанням компютерного моделювання). В даній роботі ставилась мета промоделювати нестаціонарні мембранозвязані процеси раннього ембріогенезу, що відображаються в динамічних змінах електрофізіологічних характеристик ембріональних клітин, на основі відомих теоретичних положень, виведених із них кількісних співвідношень, що описують закономірності мембранного транспорту та розподілу іонів i залежності між біоелектричними показниками (зокрема, між калієвою та натрієвою провідностями), та з використанням результатів експериментальних досліджень. Оскільки за характером змін ТМП, іонних потоків та провідності мембрани припускається наявність в модельованому процесі щонайменше двох адитивних складових (перша з них відображає основний напрямок, тенденцію змін - їх часовий тренд, друга - відносно швидшу їх ритміку), динаміка початкового розвитку може бути описана як загальні зміни рівня поляризації мембрани, іонних потоків та провідностей, на які накладаються коливання, синхронні з циклами клітинного поділу.Кінцеві рівняння моделюючих співвідношень, запропоновані для розрахунку динаміки мембранозвязаних біоелектричних процесів і застосовані для дослідження раннього розвитку зародків вюна, мають вигляд: Запропонована модель описує динаміку активності іонної помпи IP, динаміку іонних струмів IK та INA, і мембранних провідностей GK, GNA для іонів K і Na , динаміку їх внутрішньоклітинних концентрацій і залежні від них зміни рівноважних потенціалів EK, ENA та трансмембранного потенціалу U. Зокрема, рівняння (1-13) становлять модель часового тренду біоелектричних показників, а рівняння (14-15) - модель взаємозалежності натрієвої і калієвої провідностей, які доповнюючи одна одну описують різні сторони єдиного процесу функціонування ембріональної клітини, що відображаються характерними змінами загального рівня електрофізіологічних показників та їх періодичними коливаннями, синхронними з циклами клітинного поділу. Розраховані за моделлю результуючі струми (дисбалансу активного і пасивного транспорту іонів) - калієвий, натрієвий та їх сумарний струм, приводять до вказаних вище змін концентрацій кожного з катіонів та їх сумарної концентрації. Зміна концентрації Na в клітині впливає також на інтенсивність роботи іонної помпи, а одержана в моделі динамічна характеристика її електрогенного струму має загальний вигляд, аналогічний до описаних в літературі часових змін активності мембранної АТФАЗИ (Бериташвили, 1974): в незапліднених яйцеклітинах активність є низькою, а після запліднення підвищується i залишається на цьому рівні до стадії ранньої бластули; через 3-4 год після запліднення спостерігається різке зниження АТФАЗНОЇ активності, а з 5 год її швидке відновлення i поступове збільшення протягом наступних годин ембріонального розвитку. Співставлення 7-годинного тренду ТМП, визначеного in model, з реальною динамікою рівня ТМП, виміряного in vivo, вказує на відповідність процесів, відображених в моделі, мембранозвязаним процесам, що відбуваються в ембріональних клітинах в період їх початкових дроблень (Гойда,1993), що підтверджує достатню повноту моделі щодо опису часового тренду біоелектричних показників зародкових клітин.За результатами математичного моделювання динаміки мембранозвязаних процесів на початковому етапі ембріогенезу холоднокровних тварин (проведеного з використанням даних експериментальних досліджень зародків вюна Misgurnus fossilis L.) можна зробити такі висновки: 1. Запропоновано модель динаміки мембранозвязаних процесів, яка відтворює загальні зміни (часовий тренд) та періодичні коливання електрофізіологічних показників плазматичної мембрани зародків, а також зміни внутрішньоклітинної концентрації основних електрогенних іо

2. Основний зміст роботи