Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума

Объектом исследования были однокомпартментные математические модели, которые соответствовали фрагменту дендрита нейрона Пуркинье мозжечка, содержащему в себе митохондрии (модель 1) или цистерну эндоплазматического ретикулума – ЭР (модель 2) в качестве кальциевых депо. Исследовали зависимость динамик...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Новородовская, Т.С., Корогод, С.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України 2009
Назва видання:	Нейрофизиология
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68307
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума / Т.С. Новородовская, С.М. Корогод // Нейрофизиология. — 2009. — Т. 41, № 5. — С. 367-380. — Бібліогр.: 39 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-68307
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-683072019-05-25T21:17:56Z Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума Новородовская, Т.С. Корогод, С.М. Объектом исследования были однокомпартментные математические модели, которые соответствовали фрагменту дендрита нейрона Пуркинье мозжечка, содержащему в себе митохондрии (модель 1) или цистерну эндоплазматического ретикулума – ЭР (модель 2) в качестве кальциевых депо. Исследовали зависимость динамики уровней внутриклеточного Ca²⁺ от соотношения геометрических размеров обменивающихся кальцием частей внутриклеточного пространства и различия кинетических характеристик депонирования Ca²⁺ разными депо, занимающими различные части объема компартмента. Об’єктом дослідження були однокомпартментні математичні моделі, відповідні фрагменту дендрита нейрона Пуркін’є мозочка, котрий вміщував мітохондрії (модель 1) або цистерну ендоплазматичного ретикулума – ЕР (модель 2) як кальцієві депо. Досліджували залежність динаміки рівнів внутрішньоклітинного Ca²⁺ від співвідношення геометричних розмірів частин внутрішньоклітинного простору, що обмінюються кальцієм, і відмінності кінетичних характеристик депонування Ca²⁺ різними депо, котрі займають різні частини об’єму компартмента. The objects of the study were single-compartment mathematical models corresponding to a fragment of the dendrite of a cerebellar Purkinje neuron containing the mitochondria (model 1) or a cistern of the endoplasmic reticulum, ER, (model 2) as the calcium stores. We investigated the dependence of the intracellular Ca²⁺ dynamics on geometrical sizes of calcium exchanging parts of the intracellular space and the difference between the kinetic characteristics of storing in two types of stores occupying different portions of the compartment volume. 2009 Article Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума / Т.С. Новородовская, С.М. Корогод // Нейрофизиология. — 2009. — Т. 41, № 5. — С. 367-380. — Бібліогр.: 39 назв. — рос. 0028-2561 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68307 576.32/.36 ru Нейрофизиология Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Объектом исследования были однокомпартментные математические модели, которые соответствовали фрагменту дендрита нейрона Пуркинье мозжечка, содержащему в себе митохондрии (модель 1) или цистерну эндоплазматического ретикулума – ЭР (модель 2) в качестве кальциевых депо. Исследовали зависимость динамики уровней внутриклеточного Ca²⁺ от соотношения геометрических размеров обменивающихся кальцием частей внутриклеточного пространства и различия кинетических характеристик депонирования Ca²⁺ разными депо, занимающими различные части объема компартмента.
format	Article
author	Новородовская, Т.С. Корогод, С.М.
spellingShingle	Новородовская, Т.С. Корогод, С.М. Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума Нейрофизиология
author_facet	Новородовская, Т.С. Корогод, С.М.
author_sort	Новородовская, Т.С.
title	Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума
title_short	Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума
title_full	Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума
title_fullStr	Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума
title_full_unstemmed	Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума
title_sort	сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума
publisher	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68307
citation_txt	Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума / Т.С. Новородовская, С.М. Корогод // Нейрофизиология. — 2009. — Т. 41, № 5. — С. 367-380. — Бібліогр.: 39 назв. — рос.
series	Нейрофизиология
work_keys_str_mv	AT novorodovskaâts sravnitelʹnyjmodelʹnyjanalizkalʹcievogoobmenamežducitozolemidepomitohondrijiliéndoplazmatičeskogoretikuluma AT korogodsm sravnitelʹnyjmodelʹnyjanalizkalʹcievogoobmenamežducitozolemidepomitohondrijiliéndoplazmatičeskogoretikuluma
first_indexed	2025-07-05T18:08:56Z
last_indexed	2025-07-05T18:08:56Z
_version_	1836831407824961536
fulltext	НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5 367 УДК 576.32/.36 Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ1 , С. М. КОРОГОД1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЛЬЦИЕВОГО ОБМЕНА МЕЖДУ ЦИТОЗОЛЕМ И ДЕПО МИТОХОНДРИЙ ИЛИ ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКОГО РЕТИКУЛУМА Поступила 10.09.09 Объектом исследования были однокомпартментные математические модели, которые со- ответствовали фрагменту дендрита нейрона Пуркинье мозжечка, содержащему в себе митохондрии (модель 1) или цистерну эндоплазматического ретикулума – ЭР (модель 2) в качестве кальциевых депо. Исследовали зависимость динамики уровней внутриклеточ- ного Ca2+ от соотношения геометрических размеров обменивающихся кальцием частей внутриклеточного пространства и различия кинетических характеристик депонирования Ca2+ разными депо, занимающими различные части объема компартмента. Плазматиче- ская мембрана компартмента обладала характерными для упомянутых нейронов ионны- ми каналами, в том числе каналами, обеспечивающими возбуждающий синаптический ток, и кальциевым насосом. Уравнения моделей учитывали обмен Ca2+ между цитозолем, внеклеточной средой, органельными депо, неорганельными эндогенными буферами и экзогенным буфером (флуоресцентным красителем), а также диффузию Са2+ в прилежа- щие участки дендрита. В модели 1 митохондрии обменивались Са2+ с цитозолем через унипортер и натрий-кальциевый обменник; учитывались также такие митохондриаль- ные процессы, как цикл трикарбоновых кислот и аэробное клеточное дыхание. В мо- дели 2 мембрана ЭР обладала кальциевым насосом, каналами утечки и каналами каль- цийиндуцированного и инозитол-3-фосфатзависимого высвобождения Са2+. Увеличение доли депо в общем объеме компартмента от 1 до 36 % приводило к пропорциональному приращению пиковых значений цитозольной концентрации кальция ([Ca2+]i); соответст- венно увеличивалась и концентрация Са2+ в митохондрии ([Ca2+]mit) или ЭР ([Ca2+]ER). За время генерации в цитозоле одинаковых по интенсивности и длительности колоколо- образных кальциевых сигналов ЭР благодаря более высокой скорости депонирования был способен поглотить в несколько раз больше Са2+, чем митохондрии (в четыре раза при 36 %-ном заполнении объема органеллами). Предполагается, что выявленные различные кинетические характеристики депонирования Са2+ разными органеллами обусловлены скоростями реакций связывания с имеющимися в мембране депо транспортными моле- кулами, а значит, определяются концентрациями (поверхностными плотностями) этих молекул и их насыщением при определенных уровнях [Ca2+]i. Показано, что наполнен- ность внутриклеточного объема органельными депо любого типа является структурным фактором, способным существенно модулировать значения концентрации Ca2+. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: дендрит, динамика уровня Са2+, субклеточная геометрия, кальциевое депо, митохондрия, эндоплазматический ретикулум. 1Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара (Украина). Эл. почта: ber_linn@yahoo.com (Т. С. Новородовская). ВВЕДЕНИЕ Кальций является универсальным вторичным по- средником, определяющим инициацию и развитие многих жизненно важных клеточных процессов [1– 4]. Значительную роль в регулировании внутрикле- точной концентрации кальция играют неорганель- ные кальциевые буферы и органельные депо [5]. Наибольшей емкостью среди подобных органель- ных депо обладают эндоплазматический ретику- лум – ЭР (в мышечных клетках – саркоплазмати- ческий ретикулум) [6–10] и митохондрии [11–16], НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5368 причем кинетические характеристики депонирова- ния у них существенно различаются. Митохондрии, как и ЭР, являются динамическими структурами [7, 8]. И в нормальных физиологических состояни- ях, и при разных видах патологии их размер, фор- ма и количество могут изменяться [17–30], вслед- ствие чего варьирует и степень заполнения ними внутриклеточного пространства. В связи с этим актуальной задачей является выяснение специфи- ки кальциевой динамики, обусловленной, с одной стороны, структурными факторами (такими, как наполненность внутриклеточного пространства ор- ганельными депо), а с другой – особенностями вре- меннόго течения ионообменных процессов, меха- низмы которых у митохондрий и ЭР различны. Цитозольная концентрация кальция существен- но зависит от соотношения объемов и поверхно- стей органельных депо и объема безорганельной части цитозоля, т. е. от относительной наполненно- сти внутриклеточного пространства органельны- ми депо [31]. Структурозависимость кальциевых сигналов обусловлена фундаментальными закона- ми сохранения при переносе вещества через мем- брану между разновеликими объемами органелл и свободного от них цитозоля. Общее количество переносимых ионов определяется площадью по- верхности мембраны и поверхностной плотностью мембранных транспортных механизмов (многие из которых являются концентрационнозависимыми). Поэтому очевидно, что при одинаковой поверх- ностной плотности мембранных транспортных мо- лекул изменения ионной концентрации будут более значительными в меньшем объеме. Таким обра- зом, следует ожидать, что кальциевые сигнальные процессы в малоразмерных частях нейрона – тон- ких (дистальных) дендритах, дендритных шипиках и синаптических терминалях – в наиболее суще- ственной степени зависят от указанных геометри- ческих соотношений. Это было продемонстриро- вано в нашей предыдущей работе [31] на примере субклеточной структуры, содержащей в себе ЭР в качестве органельного кальциевого депо. В насто- ящем же исследовании решались две основные за- дачи. Мы старались выяснить зависимости внутри- клеточной кальциевой динамики от соотношения геометрических размеров частей внутриклеточно- го пространства, обменивающихся кальцием (цито- золя и митохондрий, функционирующих в качестве органельных депо), а также характеристик кальци- евых буферов. Мы также провели сравнительный анализ различий динамики кальциевого обмена между цитозолем и депо, обусловленных особен- ностями кинетики обменных механизмов у таких депо, как митохондрии и ЭР. Для более наглядно- го решения второй задачи нынешние исследования выполнялись на таком же объекте, как и в преды- дущей работе [31], – математических моделях тон- кого цилиндрического фрагмента нервной клетки, размеры и биофизические свойства которого по- добны таковым у дистальных дендритных стволов и шипиков нейронов Пуркинье мозжечка. Это не только облегчает сравнительный анализ; характе- ристики модели соответствуют таковым дендритов нейронов Пуркинье, в которых присутствуют как ЭР, так и митохондрии [6–16]. Показано, что орга- неллы обоих типов в различных нормальных и па- тологических условиях претерпевают существен- ные структурные изменения [7, 8, 17–30]. ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ Исследования были выполнены на однокомпарт- ментных моделях, соответствующих цилиндри- ческому фрагменту дендрита нейрона Пуркинье мозжечка (pис. 1), в которых присутствовали каль- циевые депо – митохондрии (модель 1) или цистер- на ЭР (модель 2). Одинаковыми у обеих моделей были форма и размер компартмента, свойства его плазматической мембраны, буферов и флуоресцентного красителя, используемого в соответствующих экспериментах для измерения уровня Са2+, а также наполненность дендрита органельными депо. Диаметр и длина ком- партмента были такими (d = 1 мкм; l = 31.831 мкм), что его объем и площадь мембраны составляли соответ- ственно V = π∙d2l/4 = 25 мкм3 и S = π∙dl = 100 мкм2. Плазматическая мембрана обладала ионными ка- налами и насосами (схема на pис. 1, Б, толстые стрелки), характерными для мембраны дендритов названных нейронов и описываемыми так же, как и в наших предыдущих работах [31–33]. В такой мембране присутствовали каналы входящего каль- циевого тока Р-типа (ICa(Р)) (иное обозначение P/Q), выходящего калиевого тока задержанного выпрям- ления (IK(DR)), калиевого тока А-типа (IK(А)), каль- цийзависимого калиевого тока (IK(Са)) и неспеци- фического тока утечки (Ileak), а также кальциевый насос – Са2+-АТФаза, обеспечивающая ICa(АТР). В ка- честве стимула рассматривалась активация потен- циалзависимого возбуждающего синаптического тока IS = GS(t)(E – ES), обусловленная внесением Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, С. М. КОРОГОД НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5 369 изменяющейся во времени t синаптической элек- тропроводности GS(t) = GSmaxf(t), где GSmax – пико- вое значение, а ES = 0 мВ – потенциал равновесия для тока (потенциал его реверсии). Иначе говоря, мы использовали аналог активации глутаматерги- ческого синапса AMPA-типа. Зависимость синап- тической электропроводности от времени f(t) опи- сывалась так называемой альфа-функцией ([34], уравнение 1.1), график которой представляет собой асимметричную колоколообразную кривую. В мо- делях учитывались диффузия Са2+ из оперативного объема («действующего» пула) в безорганельный объем цитозоля, а также обмен Са2+ между цито- золем, внеклеточной средой, депо (митохондрия- ми или ЭР), эндогенными буферами («быстрым» – кальмодулином и «медленным» – парвальбуми- ном), а также флуоресцентным красителем Fura-4 (D, dye), обладающим свойствами экзогенного бу- фера. Параметры буферов и флуорофора были взя- ты из опубликованных ранее работ [35–38]. В модели 1 каждая митохондрия была представ- лена цилиндром протяженностью l и диаметром 0.1 мкм. Количество митохондрий N варьировали от одной до 36 (1, 4, 9, 16, 25 или 36) таким обра- зом, что они занимали от 1 до 36 % общего объе- ма компартмента VmitN/V. Иными словами, размах вариаций был таким же, как и в случае ЭР. Соот- ветственно определялись характеристические гео- метрические соотношения: отношение площади плазматической мембраны к безорганельному объ- А В Б Г Р и с. 1. Моделирование кальциевой динамики в дендритном компартменте нейрона Пуркинье мозжечка, содержащем в себе митохондрии (А, Б) или цистерну эндоплазматического ретикулума – ЭР (В, Г) в качестве депо. А, В – схемы мембранных и внутриклеточных электрогенных и ионообменных механизмов; Б, Г – схемы структурной организации. Подробные объяснения в тексте. Р и с. 1. Моделювання кальцієвої динаміки в дендритному компартменті нейрона Пуркін’є мозочка, котрий вміщує мітохондрії (А,  Б) або цистерну ендоплазматичного ретикулума (В, Г) як депо. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЛЬЦИЕВОГО ОБМЕНА ER НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5370 ему цитозоля S/(V – VmitN) и отношение объемов митохондрий и цитозоля VmitN /(V – VmitN). Модель 1 учитывала такие митохондриальные процессы, как цикл трикарбоновых кислот и аэробное клеточное дыхание. Обмен Са2+ с цитозолем происходил че- рез кальциевый унипортер – Φuni и натрий-кальци- евый обменник – ΦNaCa (уравнения, описывающие эти процессы, были представлены в работе Кортас- са и соавт. [39]). В модели 2, как и в нашей предыдущей работе [31], ЭР был представлен цилиндрической цистер- ной, имевшую ту же протяженность l, что и ком- партмент (сегмент дендрита). Диаметр цистерны ЭР dER варьировали от 0.1 до 0.6 мкм с шагом 0.1 мкм, оставляя диаметр d дендритного компартмен- та неизменным. При этом доля объема ЭР в объ- еме компартмента VER/V составляла от 1 до 36 %. Соответственно изменялись и входящие в уравне- ния модели 2 (см. ниже) характеристические гео- метрические соотношения: отношение площади плазматической мембраны к безорганельному объ- ему цитозоля S/(V – VER) и отношение объемов ЭР и цитозоля VER /(V – VER). ЭР обменивался Са2+ с цитозолем через насосы (поток захвата Φup) и ка- налы (поток пассивной утечки ΦER leak, а также два потока высвобождения ΦCICR и ΦIP3, индуцирован- ные кальцием и инозитол-3-фосфатом [IP3] соот- ветственно). Учитывались также процессы продук- ции/распада IP3 (сдвиги [IP3]). Для данной модели мы несколько модифицировали уравнения потоков через мембрану ЭР, описанные в работе Де Шутте- ра и Смолена [35]. Поведение моделей характеризовали, определяя изменения потенциала на плазматической мембра- не (E), концентрации кальция в цитозоле и депо ([Ca2+]i и [Ca2+]mit или [Ca2+]er соответственно), а также концентрации комплекса кальций-флуоро- фор [CaD]; последний показатель опосредованно определяет интенсивность сигнала флуоресцент- ного зонда. Изменения мембранного потенциала определя- лись алгебраической суммой ионных токов через каналы и насос (см. схемы на рис. 1, А и В): dE/dt = (ICa(Р) + IK(DR) + IK(А) + IK(Са) + ileak + ICa(АТР) + IS)/Cm, (1) где Cm – емкость единицы поверхности плазмати- ческой мембраны (трансмембранные токи I также отнесены к единице поверхности). Изменения [Ca2+]i определялись алгебраической суммой потоков: d[Ca2+]i /dt = ΣkФk , (2) где Фk – парциальные потоки обмена с внеклеточ- ной средой (Фe), буферами (Фbuf), депо (Фst) и по- ток диффузии (Фdif) между данным компартментом («действующим» пулом) и цитозолем соседних без- органельных компартментов (bulk), где концентра- ция [Ca2+]bulk в пределах времени наблюдения счи- талась практически неизменной. Потоки Фe, Фbuf и Фdif были одинаковы для обеих моделей и описывались уравнениями: Фe = –(S/Vcyt)(ICa(Р) + ICa(АТР))/(zCaF), (3) Фdif = – ([Ca2+]i – [Ca2+]bulk)/τdif, (4) где S – площадь поверхности плазматической мем- браны (мкм2); Vcyt – объем безорганельной части цитозоля (Vcyt = V – VmitN или Vcyt = V – VER), изме- ряемый в литрах (т. е. 1 дм3 = 103см3 = 1015мкм3) и определяемый объемом дендритного компартмен- та (V) за вычетом объема содержащихся в нем ор- ганелл. Фbuf определяется решением приведенных ниже уравнений связывания (11)–(15). В модели 1 (депо – митохондрии): Фst = Фmit = (VmitN/Vcyt) d[Ca2+]mit /dt, (5) d[Ca2+]mit /dt = Фuni – ФNaCa, (6) где Фuni и ФNaCa – потоки через унипортер и натрий- кальциевый обменник (мM∙мс–1), отнесенные к единице поверхности митохондриальной мембра- ны [39]. В модели 2 (депо – ЭР): Фst = ФER = (VER/Vcyt) d[Ca2+]ER /dt, (7) d[Ca2+]ER /dt = SER(Фup – ФER leak – ФCICR – ФIP3), (8) где Фup, ФER leak, ФCICR и ФIP3 – отнесенные к единице поверхности мембраны ЭР потоки захвата, пассив- ной утечки, а также высвобождения через Са2+- и IP3-чувствительные каналы (M∙мкм–2∙мс–1). Решение (интеграл) дифференциального уравне- ния (2): ∆[Ca2+]i(t) = ∫ d[Ca2+]i = ∫ t Σ k Фk dt = Σ k ∫ t Фk dt (9) позволяет выделить и исследовать вклады любых Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, С. М. КОРОГОД НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5 371 потоков или их комбинаций в общий кальциевый сигнал ∆[Ca2+]i(t)│k = ∫ t Фk dt. (10) В контексте данной работы наиболее важно сравнить вклады Фmit и ФER. Для выделения особен- ностей каждого вклада, связанных с различиями обменных механизмов у митохондрий и ЭР, жела- тельно, чтобы депо обоих типов получали одина- ковые «входящие» кальциевые сигналы. Это реа- лизовалось в условиях превалирования общих для обеих моделей потоков (Фe, Фbuf и Фdif) по сравне- нию с потоком обмена с тем или иным депо (Фmit или ФER). Амплитудой кальциевого транзиента управляли, изменяя интенсивность диффузионного потока, а временны́ми характеристиками – изменяя темпера- туру (реализуя влияние температурного фактора на потенциалзависимые проводимости). В обеих моделях динамика связывания кальция с эндогенными буферами [B1] (парвальбумин) и [B2] (кальмодулин), а также с флуорофором [D] (Fura- 4F) описывалась одинаковыми уравнениями: d[B1]/dt = K2B1[CaB1] – K1B1[Ca2+]i[B1], (11) d[B2]/dt = K2B2[CaB2] – K1B2[Ca2+]i[B2], (12) d[D]/dt = K2D[CaD] – K1D[Ca2+]i[D], (13) где К1* – константы скорости связывания свободно- го внутриклеточного кальция с буферами и краси- телем (мМ⋅мс)–1; К2* – константы скорости распада (диссоциации) комплексов [CaB1], [CaB2] и [CaD] (мс–1), а [B1], [B2] и [D] – концентрации свободных буферов и красителя в цитоплазме (мкМ). Решение последнего уравнения [D] использовалось для рас- чета концентрации комплекса кальций–флуорофор: [CaD] = [D]tot – [D], (14) где [D]tot – полная концентрация связанного с каль- цием и свободного флуоресцентного красителя внутри компартмента (аналог так называемой пи- петочной концентрации в натурных эксперимен- тах). Кинетические характеристики буферов и кра- сителя приведены в таблице. Построение и исследование моделей осу- ществляли в программной среде моделирования « НЕЙРОН» [34]. РЕЗУЛЬТАТЫ Особенность данного модельного исследования со- стояла в том, что для выявления различий динамики депонирования кальция митохондриями и цистер- ной ЭР различия цитозольных концентрационных сигналов, активирующих процессы депонирования у разных органелл, были минимизированы. Это было достигнуто путем увеличения диффузионно- го потока Са2+ из «действующего» пула в соседние области исследуемой субклеточной структуры. Динамика уровня Са2+ при разном относительном  объеме депо в общем объеме дендритного компарт мента  и  идентичной  интенсивности  синаптиче ского возбуждения. Из рис. 2 видно, как влияет на динамику [Са2+] относительная наполненность ци- тозоля компартмента митохондриями или ЭР. Эти данные были получены при шести значениях на- полненности – от 1 до 36 % объема компартмента (1–6) и идентичной синаптической активации (GS = = 2 нС). Мы сопоставляли изменения мембранно- го потенциала (E, мВ), внутриклеточной концен- трации Са2+ ([Ca2+]i, мкМ) и концентраций Са2+ в митохондрии ([Ca2+]mit, мкМ) (А–В) или в ЭР (Г–Е). Идентичное синаптическое возбуждение вызыва- ло одинаковые электрические реакции (А, Г), кото- рые не зависели ни от типа депо, ни от занимаемой этими депо части внутриклеточного пространства. Не влияя на электрические отклики, увеличение наполненности внутриклеточного объема компарт- мента как митохондриями, так и ЭР приводило к существенному увеличению интенсивности кон- центрационного кальциевого сигнала в цитозоле Параметры связывающих кальций буферов и флуоресцентного красителя Параметри буферів та флуоресцентного барвника, що зв’язують кальцій Вещество Константа скорости связывания, мМ · мс–1 Константа скорости распада, мс–1 Концентрация, мM Парвальбумин [B1] 6 0.9*10–3 0.54 Кальмодулин [B2] 100 0.1 0.03 Fura-4F [D] 120 0.12 0.3 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЛЬЦИЕВОГО ОБМЕНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5372 ([Ca2+]i). В условиях же одинакового относительно- го заполнения в случае как митохондрий, так и ЭР кальциевые сигналы были практически одинаковы- ми с небольшими (порядка наномолей на литр) раз- личиями при увеличении доли занятого органелла- ми объема свыше 25 % (рис. 2, Б, Д, 5, 6). Однако в данном случае концентрационные кальциевые от- веты внутри митохондрий существенно отличались от таковых в ЭР как по интенсивности, так и по ки- нетике (ср. В и Е на рис. 2). Кальциевые  транзиенты  в  митохондриях  и  ЭР  при  вариации  интенсивности  и  длительности  ци тозольного кальциевого сигнала. В следующей се- рии вычислительных экспериментов, результаты которой представлены на рис. 3, сравнивали дина- мику уровней Са2+ при обмене этого иона с цитозо- А Г Б Д В Е мс мс мВ мкМ мкМ Р и с. 2. Сравнение влияний относительной наполненности дендритного компартмента различными депо – митохондриями (А–В) или эндоплазматическим ретикулумом – ЭР (Г–Е) – на динамику уровня Са2+ при идентичной интенсивности возбуждающей синаптической активации (2 нС). А, Г – изменения во времени (мс) мембранного потенциала (мВ), Б, Д  – внутриклеточной концентрации Са2+ (мкМ), В, Е – концентрации Са2+ в митохондрии и ЭР соответственно (мкМ). Графики 1–6 соответствуют заполнению органельными депо различных долей (1, 4, 9, 16, 25 или 36 %) общего объема компартмента. Р и с. 2. Порівняння впливів відносного наповнення дендритного компартмента різними депо – мітохондріями (А–В) або ендоплазматичним ретикулумом (Г–Е) – на динаміку рівня Са2+ при ідентичній інтенсивності збуджуючої синаптичної активації (2 нС). Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, С. М. КОРОГОД НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5 373 лем в случаях разной интенсивности и длительно- сти цитозольного кальциевого сигнала. Сравнение проводили в условиях фиксированного 36 %-ного заполнения объема органельными депо. За основу для сравнения принимали электрические и концен- трационные сигналы (1), идентичные зарегистри- рованным в предыдущей серии в тех же условиях (рис. 2, 6). Пятикратное уменьшение интенсивно- сти диффузионного оттока Са2+, не сказываясь на электрических ответах (А, Г, 1, 2), приводило к пя- тикратному увеличению цитозольного концентра- ционного кальциевого ответа на предъявление того же синаптического стимула. При этом видимых различий между поведением моделей 1 и 2 не на- А Г Б Д В Е мВ мкМ мкМ мс мс Р и с. 3. Сравнение динамики уровней Са2+ в одинаковых дендритных компартментах с 36 %-ной наполненностью митохондриями (А–В) или эндоплазматическим ретикулумом (Г–Е) при разных интенсивности и длительности «всплесков» цитозольной концентрации [Ca2+]i, обусловленных одиночными возбуждающими синаптическими воздействиями равной интенсивности. А–Е – то же, что и на рис. 2. Графики 1 идентичны графикам 6 на рис. 2 (исходное состояние). Графики 2 и 4 – ответы при пятикратно уменьшенной по сравнению с исходной интенсивности диффузии кальция в соседние области безорганельного цитозоля. Графики 3 и 4 – ответы при температуре 15 °С, более низкой, чем исходная (22 °С). Р и с. 3. Порівняння динаміки рівнів Са2+ в однакових дендритних компартментах з 36 %-вим наповненням мітохондріями (А–В) або ендоплазматичним ретикулумом (Г–Е) при різних інтенсивності й тривалості „сплесків” цитозольної концентрації [Ca2+]i, зумовлених поодинокими збуджуючими синаптичними діями рівної інтенсивності. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЛЬЦИЕВОГО ОБМЕНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5374 блюдалось. Уменьшение температуры от 22 до 15 °С приводило к увеличению продолжительности и величины электрического ответа (А, Г, 3, 4) за счет замедления кинетик активации и инактивации по- тенциалзависимых каналов плазматической мем- браны. Соответственно увеличивалась и длитель- ность кальциевого транзиента в цитозоле (Б, Д, 3). Как и в предыдущем случае, пятикратное умень- шение интенсивности диффузии вызывало такое же увеличение цитозольной концентрации Са2+ (Б,  Д,  4), не затрагивая характеристик электрическо- го ответа (А, Г, 3, 4). Таким образом, были получе- ны четыре разных цитозольных сигнала: два низ- коамплитудных и два высокоамплитудных, причем в каждой паре один – быстрый, а другой – медлен- ный. Реакции митохондрий и ЭР на эти цитозоль- А Г Б Д В Е мс мс мВ мкМ мкМ Р и с. 4. Влияние связывания цитозольного Са2+ с буфероподобным флуоресцентным красителем на электрические и концентрационные ответы, вызванные идентичной синаптической стимуляцией в одинаковых дендритных компартментах, которые содержат в себе митохондрии (А–В) или эндоплазматический ретикулум – ЭР (Г–Е) в качестве депо. А, Г – изменения во времени (мс) мембранного потенциала (мВ), Б, Д  – внутриклеточной концентрации Са2+ (мкМ), В и Е – концентрации Са2+ в митохондрии и ЭР соответственно (мкМ). Графики 1 идентичны графикам на рис. 2 (исходное состояние), графики 2 – ответы в присутствии 300 мкМ красителя с кинетическими характеристиками, соответствующими красителю Fura- 4F. Р и с. 4. Вплив зв’язування цитозольного Са2+ з буфероподібним флуоресцентним барвником на електричні та концентраційні відповіді, викликані ідентичною синаптичною стимуляцією в однакових дендритних компартментах, котрі вміщують мітохондрії (А–В) або ендоплазматичний ретикулум (Г–Е) як депо. Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, С. М. КОРОГОД НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5 375 Р и с. 5. Сравнение компонентов цитозольного концентрационного кальциевого сигнала (А, Б, Д, Е) и соответствующих потоков обмена ионов (В, Г, Ж, З) в одинаковых дендритных компартментах, позволяющее выявить различия кинетических характеристик депонирования Са2+ в митохондриях (А–Г) и эндоплазматическом ретикулуме (Д–З). А, Б, Д, Е – прирост или убыль количества Са2+ в единице объема цитозоля под действием соответствующих приносящих или уносящих эти ионы потоков (В, Г, Ж, З) (оси положительных или отрицательных ординат соответственно) как функции времени (ось абсцисс) после начала синаптического стимула. А, Д – прирост (1) и убыль (2) Са2+ в результате обмена с внеклеточной средой и диффузии в соседние компартменты соответственно. Дисбаланс в пользу прироста очевиден при сравнении линий 2 на Б и Е. Б,  Е – цитозольный кальциевый сигнал (1) как результат прироста количества Са2+ (2), обусловленного превышением поступления через плазмолемму, по сравнению с диффузионным оттоком и убылью (3), обусловленными депонированием. В, Ж – поток обмена Са2+ между цитозолем и внеклеточной средой (1) и диффузионный поток (2), которые обусловливают соответственно прирост и убыль количества цитозольного Са2+, показанные линиями 1 и 2 на А и Д. Г, Д – алгебраическая сумма потока обмена Са2+ через плазмолемму и диффузионного потока (1) и поток закачки в депо (2). График 1 – алгебраическая сумма графиков 1 и 2, представленных на В, Ж. Р и с. 5. Порівняння компонентів цитозольного концентраційного кальцієвого сигналу (А, Б, Д, Е) і відповідних потоків обміну іонів (В, Г, Ж, З) в однакових дендритних компартментах, яке дозволяє виявити відмінності кінетичних характеристик депонування Са2+ у мітохондріях (А–Г) та ендоплазматичному ретикулумі (Д–З). А Б В Г Д Е Ж З мс мМ мкМ мкМ/мс мкМ/мс мс СРАВНИТЕЛЬНЫЙ МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЛЬЦИЕВОГО ОБМЕНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5376 ные сигналы существенно различались. Интенсив- ность кальциевого сигнала в ЭР (Е) при прочих равных условиях в несколько раз превышала тако- вую в митохондриях (В). Крутизна нарастания вну- триорганельной концентрации Са2+ в ЭР была при- близительно в два раза больше, чем в митохондрии. В отличие от того, что наблюдалось в митохондри- ях, нарастание концентрации Са2+ в ЭР происходи- ло почти линейно. Как в то, так и в другое депо Са2+ «закачивался», если его цитозольная концен- трация превышала базальный уровень на некото- рую величину. По окончании цитозольного транзи- ента концентрация Са2+ в депо медленно снижалась за счет высвобождения с характерными для мито- хондрий и ЭР скоростями. Соответствие  динамики  комплекса  Са2+ –  кра ситель и свободного Са2+ при различных депо. Как видно из рис. 4, добавление красителя (2) приво- дило к связыванию части внутриклеточного Са2+ и соответственно снижало концентрацию свобод- ного Са2+ в цитозоле (с 7.69 или 7.66 до 6.91 или 6.88 мкМ в моделях с митохондриями или ЭР в ка- честве депо соответственно). Наблюдалось также изменение формы сигналов; в них появлялась ха- рактерная «полочка» (так называемая остаточная концентрация кальция) – фаза медленного спада, следовавшая за фазой быстрого спада основного транзиента. Пиковые концентрации кальция в депо менялись незначительно (3.19 и 11.2 мкМ соответ- ственно), однако послестимульное снижение кон- центрации в ЭР заметно замедлялось. Сравнительный  анализ  вклада  различных  пото ков обмена в динамику [Са2+]. Различия между де- понирующими активностями митохондрий и ЭР после вызванного одиночным синаптическим дей- ствием «всплеска» концентрации цитозольного кальция наглядно проявлялись при сравнении гра- фиков парциальных потоков и их интегралов (урав- нение 10). Последние показывают, какое количе- ство Са2+ привнесено в единичный объем цитозоля или удалено из него соответствующими потоками или их комбинациями к данному моменту интерва- ла наблюдения. Превалирующая часть Са2+ посту- пает в «действующий» пул цитозоля посредством обмена с внеклеточной средой через плазмолемму (рис. 5, А, 1, Д, 1) и выносится оттуда посредством диффузии (А, 2, Д, 2). Данный факт свидетельству- ет о том, что именно эти общие для обеих моделей механизмы обеспечивали требуемую идентичность кальциевых транзиентов (рис. 5, Б, 1, Е 1; 2, Б, 6, Е, 6; 3, Б, 1, Д, 1), т. е. сходство входных концен- трационных сигналов для депо того или иного типа (А–Г – митохондрии, Д–З – ЭР). И в том, и в другом случае (А и Д соответственно) к моменту оконча- ния цитозольного кальциевого транзиента на 13-й мс (рис. 5, Б, 1, Е, 1) указанные механизмы обеспе- чивали соответственно добавление и удаление при- близительно по 1.4 мМ Са2+ (более точно – 1.42 и 1.419 мМ через плазмолемму, а в результате диффу- зии – 1.417 и 1.407 мМ соответственно). Подобное сходство было обеспечено тем, что в обоих случа- ях потоки через плазматическую мембрану (пико- вые значения 25.55 и 25.57 мМ/мс соответственно) и потоки диффузии (25.49 и 25.43 мМ/мс соответ- ственно) были практически одинаковыми (рис. 5, В и Ж соответственно). При этом концентрацион- ный дисбаланс составлял 2.78 мкМ в случае мито- хондрий и 11.66 мкМ в случае ЭР (рис. 5, Б, 2, Е, 2 соответственно). Указанные количества и были де- понированы митохондриями и ЭР (рис. 5, Б, 3, Е, 3 соответственно). Потоки депонирования, направленные внутрь митохондрий и ЭР, существенно различались как по интенсивности, так и по временнóму течению (рис. 6, Г,  2, З,  2). Поток в ЭР был более интен- сивным (максимальное значение 0.5 мкМ/мс), на- чинался раньше и заканчивался позже, чем поток в митохондрии. Существенно по-разному склады- вался и баланс остальных потоков, т. е. алгебраи- ческая сумма потоков обмена через плазмолемму и диффузии (рис. 6, Г, 1, З, 1). В случае митохондрий наблюдались две фазы обмена – ранняя, в течение которой преобладало направление внутрь цитозо- ля, и поздняя, противоположной направленности. В случае ЭР после второй фазы (преобладающее направление – из цитозоля) возникала третья, в те- чение которой суммарный поток небольшой интен- сивности вновь направлялся в цитозоль. У моделей с депо разных типов существенно различались так- же ранние фазы суммарного потока в цитозоль: в них наблюдались по-разному выраженные ранние и поздние пики. Соотношение этих пиков зависе- ло от более тонких соотношений парциальных по- токов через плазмолемму и диффузии. Детальное изучение данного аспекта требует дополнительных вычислительных экспериментов с вариацией па- раметров обменных механизмов, что выходило за рамки основных задач настоящей работы. Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, С. М. КОРОГОД НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5 377 ОБСУЖДЕНИЕ Представленные выше результаты дают следую- щие ответы на основные вопросы, ставившиеся пе- ред данным модельным исследованием. Во-первых, получены дополнительные свиде- тельства того, что наполненность объема субкле- точной структуры (особенно малоразмерной, та- кой, например, как тонкие дендритные стволы, шипики или синаптические бутоны) митохондри- ями, подобно наполнению другим органельным депо – ЭР (рис. 2) [31], является существенным структурным фактором, способным в значительной мере модулировать динамику [Са2+] во всех частях указанной структуры. Эта структурозависимость может адекватно отображаться в случае использо- вания кальцийчувствительного флуорофора. Близ- кое подобие изменений кальциевых сигналов при изменении относительного субклеточного объема, заполненного депо как одного, так и другого типа (ср. рис. 2, Б и  Д), позволяет распространить вы- вод, сделанный ранее [31] в отношении ЭР-депо, и на митохондрии. Пиковые значения быстрых цито- зольных кальциевых транзиентов, развивающихся в ответ на одиночную синаптическую активацию, обратно пропорциональны величине объема безор- ганельного цитозоля. Во-вторых, сравнительный анализ динамики об- мена Са2+ между цитозолем, с одной стороны, и ми- тохондриями или ЭР – с другой, позволил конкре- тизировать различия, обусловленные неодинаковой кинетикой ионообменных механизмов у этих двух депонирующих органелл. Регистрация кальциевых транзиентов, которые развиваются в ответ на ак- тивацию одиночного синапса, контактирующего с малыми клеточными компартментами, в натур- ном эксперименте сама по себе представляет до- статочно трудную задачу. Трудности, естественно, усугубляются, если при этом необходимо выявить различия таких транзиентов в компартментах, со- держащих в себе кальциевые депо разного типа. Модели, которые позволяют рассчитывать состав- ляющие транзиента, связанные с разными потока- ми, открывают возможности не только наглядно представить указанные различия, но и соотнести их с действием конкретных обменных механизмов, характерных для разных депо. В наших вычисли- тельных экспериментах обнаружились особенно заметные различия между скоростями депонирова- ния кальция. Процесс «закачки» Са2+ в депо – это химическая реакция, скорость которой, согласно закону действующих масс, пропорциональна коли- честву реагентов. Данная скорость при стандарти- зованных концентрационных сигналах (изменениях [Ca2+]i) на входе депо и одинаковых соотношениях поверхность обмена/объем цитозоля и депо опре- деляется относительным количеством (концен- трацией, поверхностной плотностью) насосных молекул в мембране депо. В нашем примере ЭР, ре- агируя на одинаковые всплески [Ca2+]i (рис. 5, Б, 1,  Е, 1), за одно и то же время откачивает из цитозо- ля приблизительно в четыре раза большее количе- ство Са2+ (уровень нулевого наклона графиков; Б,  3, Е, 3), чем митохондрии (Б), занимающие такую же часть объема компартмента. Это происходило благодаря значительно большей скорости депони- рования кальция в ЭР (угол наклона графика; Е, 3). Еще одно заметное отличие состояло в том, что в пределах значительной части длительности тран- зиента [Ca2+]i поток обмена с ЭР (З, 2) после перво- начального роста удерживался приблизительно на одном уровне и переходил в фазу спада после сни- жения цитозольной концентрации до определенно- го значения. У потока же обмена с митохондриями (Г, 2) фаза нарастания непосредственно переходи- ла в фазу спада. Как следствие, количество депони- рованного Ca2+, приносимое относительно посто- янным потоком, со временем увеличивалось в ЭР линейно, а в митохондрии – нелинейно (ср. рис. 3, В и Е). Вероятной причиной этих различий являет- ся то, что при одних и тех же уровнях цитозольной концентрации [Ca2+]i молекулярные транспортные системы у ЭР находятся в состоянии, близком к на- сыщению, и не насыщены у митохондрий. Насы- щение же транспортных систем и определяет мак- симальную скорость транспорта (переноса) Ca2+ в депо – тем бóльшую, чем больше количество транс- портных молекул в мембране органеллы. Для более точной количественной характеристики наблюдае- мых различий и соотнесения их с конкретными па- раметрами механизмов депонирования требуется более детальное исследование, в котором тестиро- вались бы вариации параметров указанных меха- низмов в физиологически обоснованных пределах. Однако это выходит за рамки задач настоящей ра- боты и может быть выполнено в дальнейшем. Возможности и ограничения моделей. В данной работе особое внимание уделялось сравнению ки- нетики обмена Са2+ между цитозолем и различны- ми видами депо – митохондрией или цистерной ЭР. Для этого требовалась минимизация различий концентрационных сигналов, активирующих про- СРАВНИТЕЛЬНЫЙ МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЛЬЦИЕВОГО ОБМЕНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5378 цессы депонирования у разных органелл. Выпол- нение такого требования является трудной задачей не только для натурного, но и для модельного ис- следования. Подход, предложенный и реализован- ный в наших моделях, позволил решить эту задачу. При фиксированных параметрах ионных механиз- мов плазматической мембраны практически иден- тичные концентрационные сигналы внутри клетки были получены путем увеличения диффузионного потока Са2+ из исследуемой субклеточной структу- ры в соседние области. Ограничением указанного подхода является меньшая выраженность тех дета- лей цитозольных транзиентов, которые непосред- ственно управляются потоками депонирования. Однако открывающиеся при этом возможности со- поставления потоков захвата и выброса Са2+, а также сравнения вполне отчетливо выраженных концен- трационных транзиентов Са2+ внутри депо компен- сируют такой недостаток. В результате данные мо- дели позволяют получить наглядное представление о динамическом отношении «вход–выход», т. е. о передаточной функции системы «цитозоль–депо» как физиологической подсистемы регулирования количества Са2+ внутри клетки ([Са2+]і). Видимо, заслуживает также внимания использо- ванный в нашей работе подход к исследованию ди- намических концентрационных процессов путем управления интенсивностью и временны́м течени- ем входных концентрационных сигналов за счет изменения параметров, не относящихся непосред- ственно к свойствам депо. Так, вариация темпера- туры, влияющая на кинетику активации/инактива- ции каналов плазматической мембраны, позволяла ускорять или замедлять мембранные электриче- ские процессы и ход кальциевых транзиентов. Ам- плитуда «всплеска» [Са2+]і при этом оставалась неизменной и определялась интенсивностью диф- фузионного потока Са2+ из «действующего» пула в безорганельный объем цитозоля – она увеличива- лась с уменьшением интенсивности диффузии. Та- ким образом, температура определяет длительность концентрационного кальциевого «импульса», тогда как диффузия – его амплитуду. В свою очередь, ис- следованные депо специфически реагируют на ве- личину и временны́е характеристики транзиентов. Наблюдаемы́е в таких вычислительных экспери- ментах различия кинетик обмена Са2+ между цито- золем и депо разного типа, в частности большие интенсивность и скорость изменения концентраци- онного кальциевого сигнала в ЭР по сравнению с соответствующими параметрами в митохондриях, могут служить свидетельством преимущественной роли ЭР в депонировании внутриклеточного Са2+, тогда как для митохондрий основными функция- ми остаются прежде всего энергетический мета- болизм и дыхательные процессы клетки. Порядок значений концентраций, однако, подтверждает тот факт, что митохондрии также существенно вовле- чены в депонирование Са2+. Перспективы развития подобных моделей – это их адаптация к более сложным клеточным струк- турам (вплоть до реконструированных нейронов), применение более сложных протоколов стиму- ляции клетки (например, тестирование эффектов множественных импульсов), а также усложнение (приближение к реальной геометрии) самих вну- триклеточных депо. Данные модели могут быть использованы для дальнейшего более подробно- го анализа связи концентрационных процессов и структурных характеристик депо. Этот аспект по сей день далек от понимания из-за ограниченных возможностей натурного эксперимента и существу- ющего аппарата математического моделирования. Области  возможного  использования  результа тов  моделирования. Результаты настоящей рабо- ты дополняют данные, полученные ранее на моде- лях субклеточных структур, которые включают в себя ЭР в качестве депо [31], и могут быть полез- ны для более глубокого понимания влияний про- странственных и кинетических факторов на дина- мику Са2+ в условиях структурных изменений на субклеточном уровне. Так, изменения морфологии митохондрий описаны при многих нейродегенера- тивных и психических заболеваниях. Очевидно, что обеспечение нормального функционирования нейронов возможно лишь в случаях адекватного со- стояния данных субклеточных структур [22]. Ми- тохондрии, как и ЭР, – органеллы с динамической морфологией. Для них характерны слияние, деле- ние, ветвление и изменения в субклеточном рас- пределении [23–25]. Это обусловливает межмито- хондриальный обмен генетическими материалами и возможности существенной перестройки фор- мы митохондрий, увеличения либо уменьшения их количества [23–25]. Количество и относительный объем митохондрий увеличиваются вследствие их расщепления во время клеточного деления, роста и дифференциации [26]. Эти динамические свой- ства структуры митохондрий критически влияют на процессы выработки энергии указанными органел- лами, характеристики депонирования в них Са2+ и процессы управления апоптозом. Следует учиты- Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, С. М. КОРОГОД НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5 379 вать, что чрезмерное расщепление митохондрий может стимулировать апоптоз [27] и являться фак- тором развития нейродегенеративных заболеваний [28]. На культивируемых здоровых нейронах пока- зано, что процессы расщепления и слияние мито- хондрий регулируют морфологию и пластичность дендритных шипиков и синапсов [29]. Более того, воздействия глутаматом [30] и синаптическая акти- вация [29] модулируют подвижность митохондрий и баланс между их расщеплением и объединением, а также контролируют их распределение в дендри- тах. Все описанные выше морфологические пере- стройки в зависимости от их масштабов могут ока- зывать большее или меньшее, но в любом случае заметное модулирующее влияние на интенсивность кальциевых сигналов. Данный аспект может быть предметом исследований с использованием пред- ставленных в нашей работе моделей и подходов. Т. С. Новородовська1, С. М. Корогод1 ПОРІВНЯЛЬНИЙ МОДЕЛЬНИЙ АНАЛІЗ КАЛЬЦІЄВОГО ОБМІНУ МІЖ ЦИТОЗОЛЕМ І ДЕПО МІТОХОНДРІЙ АБО ЕНДОПЛАЗМАТИЧНОГО РЕТИКУЛУМА 1 Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара (Україна). Р е з ю м е Об’єктом дослідження були однокомпартментні матема- тичні моделі, відповідні фрагменту дендрита нейрона Пур- кін’є мозочка, котрий вміщував мітохондрії (модель 1) або цистерну ендоплазматичного ретикулума – ЕР (модель 2) як кальцієві депо. Досліджували залежність динаміки рів- нів внутрішньоклітинного Ca2+ від співвідношення геоме- тричних розмірів частин внутрішньоклітинного простору, що обмінюються кальцієм, і відмінності кінетичних харак- теристик депонування Ca2+ різними депо, котрі займають різні частини об’єму компартмента. Плазматична мембрана компартмента мала характерні для згаданих нейронів іонні канали, у тому числі канали, що забезпечували збуджуючий синаптичний струм, та кальцієвий насос. Рівняння моделей враховували обмін Ca2+ між цитозолем, позаклітинним середо- вищем, органельними депо, неорганельними ендогенними буферами та екзогенним буфером (флуоресцентним барвни- ком), а також дифузію Са2+ у прилеглі ділянки дендрита. У моделі 1 мітохондрії обмінювалися Са2+ з цитозолем через уніпортер і натрій-кальцієвий обмінник; враховувалися та- кож такі мітохондріальні процеси, як цикл трикарбонових кислот та аеробне клітинне дихання. У моделі 2 мембрана ЕР мала кальцієвий насос, канали витоку та канали кальцій- індукованого та інозитол-3-фосфатзалежного вивільнення Са2+. Збільшення частки депо в загальному об’ємі компарт- мента від 1 до 36 % призводило до пропорційного приросту пікових значень цитозольних концентрацій кальцію ([Ca2+]i); відповідно збільшувалась і концентрація Са2+ у мітохондрії ([Ca2+]mit) або ЕР ([Ca2+]ER). За час генерації в цитозолі од- накових за інтенсивністю та тривалістю колоколоподібних кальцієвих сигналів ЕР завдяки більш високій швидкості депонування був здатний поглинути в декілька разів більше Са2+, ніж мітохондрії (у чотири рази при 36 %-вому запов- ненні об’єму органелами). Робиться припущення, що вияв- лені відмінні кінетичні характеристики депонування Са2+ різними органелами зумовлені швидкостями реакцій зв’язу- вання з наявними в мембрані депо транспортними молеку- лами, а отже, зумовлюються концентраціями (поверхневи- ми щільностями) цих молекул та їх насиченням при певних рівнях [Ca2+]i. Показано, що наповнення внутрішньоклітин- ного об’єму органельними депо будь-якого типу є структур- ним фактором, здатним істотно модулювати значення кон- центрації Ca2+. CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. P. G. Kostyuk and A. Verkhratsky, Calcium Signalling in the Nervous System, Wiley, Chichester (1995). 2. M. J. Brridge, “Neuronal calcium signalling,” Neuron, 21, No. 1, 13-26 (1998). 3. Calcium as a Cellular Regulator, E. Carafli and C. Klee (eds.), Oxford Univ. Press, New York (1999). 4. L. D. Pzzo-Miller, J. A. Connor, and S. B. Andrews, “Microheterogeneity of calcium signalling in dendrites,” J.  Physiol., 525, 53-61 (2000). 5. P. Volpe, A. Nori, A. Martini, et al., “Multiple/heterogeneous Ca2+ stores in cerebellum Purkinje neurons,” Comp. Biochem.  Physiol. Comp. Physiol., 105, No. 2, 205-211 (1993). 6. C. A. Ross, J. Meldolesi, T. A. Milner, et al., “Inositol 1,4,5- trisphosphate receptor localized to endoplasmic reticulum in cerebellar Purkinje neurons,” Nature, 339, No. 6224, 468-470 (1989). 7. K. Takei, G. A. Mignery, E. Mugnaini, et al., “Inositol 1,4,5- trisphosphate receptor causes formation of ER cisternal stacks in transfected fibroblasts and in cerebellar Purkinje cells,” Neuron, 12, 327-342 (1994). 8. A. Verkhratsky, “Physiology and pathophysiology of the calcium store in the endoplasmic reticulum of neurons,” Physiol. Rev., 85, 201-279 (2005). 9. M. Montero, M. Brini, R. Marsault, et al., “Monitoring dynamic changes in free Ca2+ concentration in the endoplasmic reticulum of intact cells,” J . EMBO, 14, 5467-5475 (1995). 10. M. J. Barrero, M. Montero, and J. Alvarez, “Dynamics of [Ca2+] in the endoplasmic reticulum and cytoplasm of intact HeLa cells: a comparative study,” J. Biol. Chem., 272, 27694- 27699 (1997). 11. S. Leo, K. Bianchi, M. Brini, and R. Rizzuto, “Mitochondrial calcium signalling in cell death,” J. FEBS, 272, No. 16, 4013- 4022 (2005). 12. R. Rizzuto, C. Bastianutto, M. Brini, et al., “Mitochondrial Ca2+ homeostasis in intact cells,” J.  Cell.  Biol., 126, 1183- 1194 (1994). 13. M. Montero, M. T. Alonso, E. Carnicero, et al., “Chromaffin- cell stimulation triggers fast millimolar mitochondrial Ca2+ СРАВНИТЕЛЬНЫЙ МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЛЬЦИЕВОГО ОБМЕНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 5380 transients that modulate secretion,” Nat. Cell. Biol., 2, 57-61 (2000). 14. R. Rizzuto and T. Pozzan, “Microdomains of intracellular Ca2+: molecular determinants and functional consequences,” Physiol. Rev., 86, No. 1, 369-408 (2006). 15. N. B. Pivovarova, J. Hongpaisan, S. B. Andrews, et al., “Depolarization-induced mitochondrial Ca accumulation in sympathetic neurons: spatial and temporal characteristics,” J.  Neurosci., 19, 6372-6384 (1999). 16. K. T. Baron, G. J. Wang, R. A. Padua, et al., “NMDA-evoked consumption and recovery of mitochondrially targeted aequorin suggests increased Ca2+ uptake by a subset of mitochondria in hippocampal neurons,” Brain Res., 993, 124-132 (2003). 17. T. J. Collins, M. J. Berridge, P. Lipp, et al., “Mitochondria are morphologically and functionally heterogeneous within cells,” J. EMBO, 21, No. 7, 1616-1627 (2002). 18. T. J. Collins and M. D. Bootman, “Mitochondria are morphologically heterogeneous within cells,” J.  Exp.  Biol., 206, No. 12, 1993-2000 (2003). 19. T. J. Collins, P. Lipp, and M. J. Berridge, “Mitochondrial Ca2+ uptake depends on the spatial and temporal profile of cytosolic Ca2+ signals,” J. Biol. Chem., 276, 26411-26420 (2001). 20. E. J. Kaftan, T. Xu, R. F. Abercrombie, et al., “Mitochondria shape hormonally induced cytoplasmic calcium oscillations and modulate exocytosis,” J. Biol. Chem., 275, 25465-25470 (2000). 21. R. M. Drummond, T. Mix, R. A. Tuft, et al., “Mitochondrial Ca2+ homeostasis during Ca2+ influx and Ca2+ release in gastric myocytes from Bufo marinus,” J.  Physiol., 522, 375-390 (2000). 22. Q. A. Liu and H. Shio, “Mitochondrial morphogenesis, dendrite development and synapse formation in cerebellum require both Bcl-w and the glutamate receptor d2,” PLoS Gen., 4, No. 6, 1- 13 (2008). 23. V. Y. Polyakov, M. Y. Soukhomlinova, and D. Fais, “Fusion, fragmentation, and fission of mitochondria,” J. Biochem., 68, 838-849 (2003). 24. K. Okamoto and J. M. Shaw, “Mitochondrial morphology and dynamics in yeast and multicellular eukaryotes,” Annu.  Rev.  Gen., 39, 503-536 (2005). 25. D. C. Chan, “Mitochondrial fusion and fission in mammals,” Annu. Rev. Cell. Dev. Biol., 22, 79-99 (2006). 26. B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, et al., “Molecular biology of the cell,” GS  Garl.  Sci.  Taylor  Francis  Gr., 4, 808-821 (2002). 27. R. J. Youle and M. Karbowski, “Mitochondrial fission in apoptosis,” Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 6, 657-663 (2005). 28. E. Bossy-Wetzel, M. Barsoum, A. Godzik, et al., “Mitochondrial fission in apoptosis, neurodegeneration and aging,” Current Opin. Cell Biol., 15, 706-716 (2003). 29. Z. Li, K. I. Okamoto, Y. Hayashi, et al., “The importance of dendritic mitochondria in the morphogenesis and plasticity of spines and synapses,” Cell, 119, 873-887 (2004). 30. G. L. Rintoul, A. J. Filiano, J. B. Brocard, et al., “Glutamate decreases mitochondrial size and movement in primary forebrain neurons,” J. Neurosci., 23, 7881-7888 (2003). 31. С. М. Корогод, Т. С. Новородовська, “Вплив геометричних характеристик органельного депо та безорганельного цитозоля на динаміку рівнів внутрішньоклітинного кальцію в дендриті: модельне дослідження”, Нейрофизиология/  Neurophysiology, 41, № 1, 19-31 (2009). 32. I. B. Kulagina, S. M. Korogod, G. Horcholle-Bossavit, et al., “The electro-dynamics of the dendritic space in Purkinje cells of the cerebellum,” Arch. Ital. Biol., 145, Nos. 3/4, 211-233 (2007). 33. I. B. Kulagina, “Рhase relationship between calcium and voltage oscillations in different dendrites of Purkinje neuron,” Нейрофизиология/Neurophysiology, 40, № 5/6, 477-485 (2008). 34. N. T. Carnevale and M. L. Hines, The  NEURON  Book, Cambridge Univ. Press, Cambridge (2006). 35. E. De Schutter and P. Smolen, “Calcium dynamics in large neuronal models,” in: Methods  in  Neuronal  Modeling:  from  Ions  to  Networks, C. Koch and I. Segev (eds.), MIT Press, Cambridge (1998), pp. 211-250. 36. S. Dargan, B. Schwaller, and I. Parker, “Spatiotemporal patterning of IP3-mediated Ca2+ signals in Xenopus oocites by Ca2+-binding proteins,” J.  Physiol., 556, No. 2, 447-461 (2004). 37. D. L. Wokosin, C. M. Loughrey, and G. L. Smith, “Characterization of a range of Fura dyes with two-photon excitation,” Biophys. J., 86, No. 3, 1726-1738 (2004). 38. J. B. Sorensen, U. Matti, S. H. Wei, et al., “The SNARE protein SNAP-25 is linked to fast calcium triggering of exocytosis,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, No. 3, 1627-1632 (2002). 39. S. Cortassa, M. A. Aon, E. Marban, et al., “An intergrated model of cardiac mitochondrial energy metabolism and calcium dynamics,” J. Biophys., 84, 2734-2755 (2003). Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, С. М. КОРОГОД

Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума

Репозитарії

Схожі ресурси