Экспериментальный анализ и моделирование двигательной активности жгутиков обонятельных клеток тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Огнева, Ирина Владимировна

• Огнева, Ирина Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Огнева, Ирина Владимировна

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Двигательная активность обонятельных жгутиков.

1.2. Энергообеспечение подвижности обонятельных жгутиков.

1.3. Математические модели цилиарных структур.

Глава 2. Объект, материалы и методы исследования.

2.1. Метод математического моделирования.

2.2. Объект исследования.

2.3. Методы экспериментального исследования.

2.3.1. Схема установки.

2.3.2. Фармакологический анализ.

2.3.3. Методика обработки полученных экспериментальных данных.

2.4. Методический эксперимент.

2.4.1.Подбор условий наблюдения жгутиков обонятельных клеток.

2.4.2. Подбор рабочих концентраций азида натрия, 2,4-динитрофенола, ротенона и ФКЦФ.

Глава 3. Математическое моделирование движения жгутиков обонятельных клеток.

3.1. Разработка и обоснование математической модели движения жгутиков обонятельных клеток.

3.1.1. Обоснование математической модели.

3.1.2. Разработка математической модели.

3.2. Алгоритм реализации математической модели.

3.3. Качественные и количественные характеристики и параметры движения обонятельных жгутиков.

Глава 4. Результаты экспериментального анализа двигательной активности жгутиков обонятельных клеток.

4.1. Механизм энергообеспечения двигательной активности обонятельных жгутиков в отсутствие одорантов.

4.2. Действие различных одорантов на характер движений обонятельных жгутиков.

4.3. Механизм энергообеспечения двигательной активности обонятельных жгутиков при действии различных одорантов.

4.3.1. Действие одорантов на фоне азида натрия и ротенона.

4.3.2. Действие одорантов на фоне 2,4-динитрофенола, ФКЦФ и олигомицина.

4.4. Результаты регрессионного анализа.

Глава 5. Проверка адекватности математической модели.

5.1. Моделирование движения жгутиков в условиях отсутствия одорантов.

5.2. Моделирование движения жгутиков в присутствии одорантов.

5.3. Моделирование движения жгутиков обонятельной клетки в ответ на действие различных одорантов в отсутствие заданной деформации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальный анализ и моделирование двигательной активности жгутиков обонятельных клеток»

Актуальность проблемы

В обонятельных жгутиках сосредоточена сложная молекулярная система рецепции запахов. В их плазматической мембране локализованы рецепторные белки, с которыми связаны сигнальные системы обонятельных клеток, осуществляющие трансдукцию химического стимула в электрический сигнал. В современной мировой науке исследование молекулярных механизмов взаимодействия одорантов с рецепторами рассматривается как одна из актуальнейших проблем. Жгутики обладают подвижностью, которую обеспечивают как тубулин-динеиновая, так и актин-миозиновая системы. Однако роль двигательной активности обонятельных жгутиков в рецепции одорантов изучена недостаточно полно. Имеются лишь отдельные разрозненные наблюдения (Бронштейн A.A., 1977), позволившие предположить, что характер движения жгутиков изменяется под действием одорантов. Сложные траектории и асинхронность колебаний затрудняют визуальные наблюдения за подвижностью в отсутствие и присутствии пахучих веществ и трактовку этих наблюдений. Усложняет проблему то, что жгутики данной обонятельной клетки под действием большинства одорантов реагируют только на один из них. При известной трудности количественной оценки параметров движения жгутиков посредством прижизненной световой микроскопии построение математической модели может внести существенный вклад в разрешение проблемы двигательной активности обонятельных жгутиков.

Представленные в современной литературе математические модели подвижности других типов жгутиков и ресничек - цилий и флагелл - не могут быть применены для описания двигательной активности обонятельных жгутиков ввиду принципиальных различий в характере их движений. При построении математической модели обонятельного жгутика следует учесть молекулярные механизмы его подвижности, которые обусловливают столь сложную траекторию движения.

Помимо выявления особенностей двигательной активности обонятельных жгутиков, необходимо также знать источник энергии, обеспечивающий эту подвижность в отсутствие и присутствии одорантов в окружающей среде.

Цель настоящего исследования: построить математическую модель движения обонятельных жгутиков и провести экспериментальный анализ их подвижности и ее энергообеспечения.

Задачи исследования

1. Построить математическую модель движения жгутиков обонятельных клеток.

2. Исследовать влияние одорантов на характер двигательной активности обонятельных жгутиков.

3. Изучить механизм энергообеспечения подвижности обонятельных жгутиков в отсутствие и присутствии одорантов.

4. В ходе анализа экспериментальных данных проверить адекватность построенной математической модели.

Положения, выносимые на защиту

1. Построена динамическая модель двигательной активности обонятельных жгутиков, адекватно отражающая биофизические процессы, лежащие в основе подвижности жгутиков.

2. Все изученные в работе одоранты, кроме Р-меркаптоэтанола, подавляющего двигательную активность жгутиков, инициируют изменение характера их движений от неупорядоченного к упорядоченному.

3. Изменение характера движений жгутиков под действием одорантов (кроме р-меркаптоэтанола) сопровождается синтезом дополнительного пула АТФ. А •

Научная новизна исследования

1. Предложена математическая модель движения обонятельных жгутиков как деформируемого стрежня с заданными дополнительными несовместными деформациями в качестве воздействия.

2. Установлено, что при действии камфары, амилового спирта, этилового спирта, кедрового бальзама, ванилина, цинеола, амилацетата изменяется характер двигательной активности отдельных обонятельных жгутиков: неупорядоченные движения сменяются упорядоченными с преимущественной ориентацией навстречу потоку одоранта. Водный раствор аммиака активизирует неспецифическим образом подвижность обонятельных жгутиков, а Р-меркаптоэтанол ее подавляет.

3. Показано, что действие одорантов, стимулирующих движения жгутиков, включает механизм энергообеспечения подвижности обонятельных жгутиков, связанный с синтезом АТФ вне дыхательной цепи митохондрий и гликолиза.

Научная и практическая значимость исследования

1. Построенная математическая модель и разработанный алгоритм ее реализации могут быть использованы для моделирования двигательной активности других жгутиковых структур в биологических системах. Это дает возможность более глубокого анализа механизмов биологической подвижности.

2. Предложенная модель позволяет прогнозировать количественные характеристики реакции обонятельных жгутиков на действие различных одорантов. Это может быть полезным в медицине и парфюмерии при анализе и прогнозировании восприятия тех или иных ароматов.

3. Выявленные механизмы энергообеспечения двигательной активности жгутиков обонятельных клеток могут быть использованы при разработке методов (в том числе фармацевтических) коррекции нарушений в восприятии запахов.

Апробация работы

Основные материалы диссертационной работы были представлены на VI и VII Всероссийских конференциях «Фундаментальные Исследования в Технических Университетах» (Санкт-Петербург, 2002, 2003), школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино,

2003), 3-й научно-практической конференции и школе семинаре «Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий» (Санкт-Петербург, 2003), IV Международной школе-семинаре «БИКАМП» (Санкт-Петербург, 2003), IV Международной конференции «Компьютерное моделирование 2003» (Санкт-Петербург, 2003), 1-м съезде Общества клеточной биологии (Санкт-Петербург, 2003), межвузовской научной конференции «XXXII Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург,

2004).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста; состоит из введения, пяти глав, обсуждения полученных результатов, выводов, списка литературы. Работа содержит 18 таблиц, 29 рисунков. Список литературы включает 80 наименований.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Огнева, Ирина Владимировна

ВЫВОДЫ

1. Математическая модель обонятельного жгутика как деформируемого стержня с заданными дополнительными несовместными деформациями в качестве воздействия, адекватна биофизическим процессам, обеспечивающим двигательную активность жгутика, и позволяет прогнозировать ее изменения под действием одорантов.

2. Под действием одорантов, вызывающих ощущения цветочного, фруктового, пригорелого (прогорклого), пряного (камфорного) и смолистого запахов, движения отдельных обонятельных жгутиков, устремляющихся навстречу стимулу, приобретают упорядоченный характер.

3. Водный раствор аммиака стимулирует упорядоченные движения обонятельных жгутиков, а (3-меркаптоэтанол подавляет их двигательную активность.

4. Энергообеспечение неупорядоченной двигательной активности обонятельных жгутиков в отсутствие одорантов осуществляется АТФ, синтезируемым в митохондриях, тогда как упорядочение движений в присутствии пахучих веществ связано, по-видимому, с немитохондриальным синтезом АТФ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Огнева, Ирина Владимировна, 2005 год

1. Базилевский A.B., Рожков А.Н., Фаустова М.Е. Реологический контроль муколитической терапии у больных неспецифическими заболеваниями легких // Пульмонология. 1992. - №4. - С. 17-20.

2. Бигдай Е.В. Гетерогенность молекулярных механизмов обонятельной рецепции // Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова. -2004. Т. 90, № 6. - С. 790 - 800.

3. Бигдай Е.В. Гетерогенность обонятельной рецепции // Дисс.докт. биол. наук. Санкт-Петербург, 2004. 264 с.

4. Бидерман B.JI. Теория механических колебаний // М.: Высш. шк., 1980. 408 с.

5. Бронштейн A.A. Обонятельные рецепторы позвоночных // Д.: «Наука», 1977. 160 с.

6. Бронштейн A.A. Прижизненные наблюдения над движением волосков обонятельных клеток // ДАН СССР. 1964. - Т. 156, №3. - С. 715-718.

7. Бронштейн A.A., Леонтьев В.Г. О содержании натрия и калия в слизи, покрывающей обонятельную выстилку позвоночных // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 1972. - Т.8, №6. - С. 530-585.

8. Бронштейн A.A., Минор A.B. О значении жгутиков и их подвижности для функции обонятельных рецепторов // ДАН СССР. 1973. - Т.213, №4.-С. 987-989.

9. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. I. Живые нити // Соросовский образовательный журнал. 1996. - №2. - С. 36 - 43.

10. Ю.Винников Я.А. Цитологические и молекулярные основы рецепции // Д., 1971.372 с.

11. П.Винников Я.А., Титова Л.К. Морфология органа обоняния // М., 1957. 290 с.

12. Гельфланд В.И., Розенблат В.А. Микротрубочки. Их структура, химия и функциональная роль // ВИНИТИ. 1977. - Т. 11. - С. 78 - 143.

13. Громов Б.В. Поведение бактерий // Соросовский образовательный журнал. 1997. - №6. - С. 28 - 32.

14. Досон Р., Элиот Д., Элиот У., Джонс К. Справочник биохимика / Пер. с англ. B.JI. Друцы и О.Н. Королевой. М.: Мир, 1991. - 544 с.

15. Елисеев В.В. Механика упругих тел // СПб., Изд-во СПбГТУ, 1999. -341 с.

16. Каппуччинелли П. Подвижность живых клеток // М., Мир, 1982. 125 с.

17. Кистенев И. Цифровые «камеры-миллионеры» // Журнал «Publish». -2001.-№3.

18. Минор A.B. Электроольфактограмма и механизмы генерации // «Физиологический журнал СССР». 1971. - №57. - С. 1115.

19. Новожилов В.В. Теория упругости //Л., 1958.

20. Пырикова С.И. Разработка методов и средств автоматизированной оптической диагностики и лазерной стимуляции спермы // Автореф. дисс. канд. техн. наук. Москва, 2004. 16 с.

21. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела // М.: Наука, 1988.711 с.

22. Розин Л.А. Задачи теории упругости и численные методы их решения // СПб., Изд-во СПбГТУ, 1998. 532 с.

23. Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы: новые взгляды / М.: Мир, 1979. -216с.

24. Скулачев В.П. Биоэнергетика. Мембранные преобразователи энергии // М., 1989.-271 с.

25. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле / Пер. с англ. Л.Г. Корнейчука; Под ред. Э.И. Григолюка. М.: Машиностроение, 1985. - 472 с.

26. Тихонов А.Н. Молекулярные моторы. Часть 1. Вращающиеся моторы живой клетки // Соросовский образовательный журнал. 1999. - №6. С. 8-16.

27. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики // М.: Наука, 1972. 735 с.

28. Трущенков В.Г. Характеристики подвижности жгутиков обонятельных нейрорецепторов земноводных // Автореф. дисс. канд. биол. наук. Владивосток, 1995. 23 с.

29. Уэбб JI. Ингибиторы ферментов и метаболизма // Пер. с англ. М., 1996.

30. Шабалин В.В. Параметры движения ресничек мерцательного эпителия при нарушении мукоцилиарного транспорта у человека // Автореф. дисс. канд. биол. наук. Санкт-Петербург, 2002. 16 с.

31. Babcock D.F., Rufo G.A. Jr., Lardy H.A. Potassium-dependent increases in cytosolic pH stimulate metabolism and motility of mammalian sperm // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1983. - Vol.80, №5. - P. 1327 - 1331.

32. Berg H.C. Constraints on models for the flagellar rotary motor // Philos. Trans. R Soc. Lond B Biol. Sci. 2000. - Vol.355, №1396. - P. 491 - 501.

33. Berg H.C. The rotary motor of bacterial flagella // Annu. Rev. Biochem. -2003.-Vol.72.-P. 19-54.

34. Berg H.C. Torque generation by the flagellar rotary motor // Biophys. J. -1995. Vol.68, Suppl.4. - P. 163 - 167.

35. Bird R.D., Hassager O., Armstrong R.C., Curtiss C.E. Dynamics of polymeric liquids // Vol.2. Kinetic theory. New York: John Wiley and sons, 1977. P. 153.• 39.Blake J.R. A model for the microstructure in ciliated organisms // J. Fluid

36. Mech. 1972. - Vol.55. - P. 1-23.

37. Blake J.R. An active porous medium model for ciliary propulsion // J. Theor. Biol. 1977. - Vol.64. - P. 697-701.

38. Blake J.R. Mucus flows // Math. Biosci. 1973. - Vol.17, №3/4. - P. 301313.

39. Boyer P.D. ATP synthase past and future // Biochim. Biophys. Acta. -1998. - Vol.1365, №1-2. - P. 3 - 9.

40. Boyer P.D. The ATP synthase a splendid molecular machine // Ann. Rev. Biochem. - 1997. - Vol.66. - P. 717 - 749.

41. Brown A. Slow axonal transport: stop and go traffic in the axon // Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2000. - №1. - P. 153 - 156.

42. Buck L., Axel R. A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition // Cell. 1991. - Vol.65, №1. - P. 175— 187.

43. Burns M.W. Fertility, immotile cilia and chronic respiratory infections //

44. Med. J. Aust. 1979. - Vol.2, №6. - P. 287 - 288.

45. Cleveland D.W., Sullivan K.F. Molecular biology and genetics of tubulin // Ann. Rev. Biochem. 1985. - Vol.54. - P. 331 - 365.

46. Fahn S., Koval G.J., Albers R.W. Sodium-potassium-activated adenosine triphosphatase of Electrophorus electric organ // J. Biol. Chem. 1968. -Vol.243.-P. 1993-2001.

47. Firestein S., Shepherd G.M. A kinetic model of the odor response in single olfactory receptor neurons // J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 1991. -Vol.39.-P. 615-620.

48. Fowler M.R., Hunter M. Mitochondrial Ca2+ transport in frog early distaltubule // Exp. Physiol. 2005. - Vol.90, №2. - P. 195 - 201.

49. Getz W.M. A kinetic model of the transient phase in the response of olfactory receptor neurons // Chem. Senses. 1999. - Vol.24, №5. - P. 497 -508.

50. Gibbons I.R. Dynein ATPase as microtubule motors // J. Biol. Chem. 1988.- Vol.263. P. 15837 - 15840.

51. Hatefi Y. The mitochondrial electron transport and oxidative phosphorilation system // Ann. Rev. Biochem. 1985. - Vol.54. - P. 1015.

52. Johnson K.A., Porter M.E., Shimizu T. Mechanism of force production for microtubule-dependent movements // J. Cell Biol. 1984. - Vol.99. - P. 132 -136.

53. Keller S., Wu T.Y., Brennen C. A traction layer model for ciliary propulsion. // In: Swimming and Flying in Nature. Eds. Wu T.Y., Broken C.J. N.Y. 1975.

54. Khan A.A., Schuler M.M., Prior M.G., Yong S., Coppock R.W., Florence L.Z., Lillie L.E. Effects of hydrogen sulfide exposure on lung mitochondrialrespiratory chain enzymes in rats // Toxicol Appl Pharmacol. 1990. -Vol.103, №3.-P. 482-490.

55. Kim B.W., Choo H.J., Lee J.W., Kim J.H., Ko Y.G. Extracellular ATP is generated by ATP synthase complex in adipocyte lipid rafts // Exp. Mol. Med. 2004. - Vol.36, №5. - P. 476-485.

56. Kinoshita K. Jr., Yasuda R., Noji H., Ishiwata S., Yoshida M. Fi-ATPase: a rotary motor of a single molecule // Cell. 1998. - Vol.93. - P. 21 - 24.

57. Lansky P., Rospars J. Odorant concentration and receptor potential in olfactory sensory neuron // Biosystems. 1998. - Vol.48, №1-3. - P. 131 -138.

58. Lidow M.S., Menco B.P. Observations on axonemes and membranes of olfactory and respiratory cilia in frogs and rats using tannic acid-supplemented fixation and photographic rotation // J. Ultrastruct. Res. -1984. Vol.86, №1. - P. 18 - 30.

59. Lindberg S., Dolata J., Mercke U. Stimulation of C fibers by ammonia vaportriggers mucociliary defense reflex // Am. Rev. Respir. Dis. 1987. -Voll35, №5. - P. 1093- 1098.

60. Liron N., Meyer F.A. Fluid transport in think layer above an active ciliated surface // Bipphys. J. 1980. - Vol.39, №3. - P. 463-472.

61. Liron N., Shahar R. Stokes flow due to Stokeslet in a pipe // J. Fluid Mech. -1978. Vol.86, №4. - P. 727-744.

62. Marcaggi P., Coles J.A. Ammonium in nervous tissue: transport across cell membranes, fluxes from neurons to glial cells, and role in signalling // Prog. Neurobiol. 2001. - Vol.64, №2. - P. 157 - 183.

63. McDougal W.S., Stampfer D.S., Kirley S., Bennett P.M., Lin C.W. Intestinalammonium transport by ammonium and hydrogen exchange // J. Am. Coll. Surg. 1995. - Vol.181, №3. - P. 241 - 248.

64. Miller C.E. Flow induced by mechanical analogues of mucociliary systems // Ann. N. Y. Acad. Sci. 1966. - Vol.130. - P. 880-890.

65. Moens S., Vanderleyden J. Functions of bacterial flagella // Crit. Rev. Microbiol. 1996. - Vol.22. - P. 67 - 100.

66. Moran D.T., Rowley J.C. 3rd, Jafek B.W., Lovell M.A. The fine structure of the olfactory mucosa in man // J. Neurocytol. 1982. - Vol.11, №5. - P. 721 -746.

67. Nicholls P., Kim J.K. Sulphide as an inhibitor and electron donor for the cytochrome c oxidase system // Can. J. Biochem. 1982. - Vol.60, №6. - P. 613-623.

68. Noji H., Yasuda R., Yoshida M., Kinoshita K. Jr. Direct observation of the rotation of Fi-ATPase // Nature. 1997. - Vol.386. - P. 299 - 302.

69. Pelosi P. The role of perireceptor events in vertebrate olfaction // Cell Mol1.fe Sci. 2001. - Vol.58, №4. - P. 503 - 509.

70. Reese T.S. Olfactory cilia in the frog // J. Cell Biol. 1965. - Vol.25. - P.209 -230.

71. Sastrasinh M., Young P., Cragoe E.J. Jr., Sastrasinh S. The Na+/H+ antiport in renal mitochondria // Am J Physiol. 1995. - Vol.268. - P. 1227 - 1234.

72. Thurm U. An insect mechanoreceptor. 1. Fine structure and adequate stimuls // In: Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, 1965. Vol.30. -P. 75-82.

73. ATPases // N.Y.: Alan R. Liss Inc., 1989.

74. Yoshii K., Kurihara K. Role of cations in olfactory reception // Brain Research. 1983. - Vol.274, №2. - P. 239 - 248.