Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо
На математических моделях фрагментов реконструированного дендрита нейрона Пуркинье мозжечка исследовали зависимость внутриклеточных кальциевых сигналов от концентрации эндогенных буферов («медленного» – парвальбумина – и «быстрого» – кальмодулина) и кальцийчувствительного флуорофора (Fura-4F)....
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
2010
|
| Назва видання: | Нейрофизиология |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68361 |
| 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: | Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо / Т.С. Новородовская, И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 5. — С. 369-381. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-68361 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-683612014-09-22T03:02:02Z Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо Новородовская, Т.С. Кулагина, И.Б. На математических моделях фрагментов реконструированного дендрита нейрона Пуркинье мозжечка исследовали зависимость внутриклеточных кальциевых сигналов от концентрации эндогенных буферов («медленного» – парвальбумина – и «быстрого» – кальмодулина) и кальцийчувствительного флуорофора (Fura-4F). На математичних моделях фрагментів реконструйованого дендрита нейрона Пуркін’є мозочка досліджували залежність внутрішньоклітинних кальцієвих сигналів від концентрації ендогенних буферів («повільного» – парвальбуміну – та «швидкого» – кальмодуліну) і кальційчутливого флуорофора (Fura-4F). 2010 Article Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо / Т.С. Новородовская, И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 5. — С. 369-381. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 0028-2561 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68361 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 |
На математических моделях фрагментов реконструированного дендрита нейрона Пуркинье мозжечка исследовали зависимость внутриклеточных кальциевых сигналов от концентрации эндогенных буферов («медленного» – парвальбумина – и «быстрого» – кальмодулина) и кальцийчувствительного флуорофора (Fura-4F). |
| format |
Article |
| author |
Новородовская, Т.С. Кулагина, И.Б. |
| spellingShingle |
Новородовская, Т.С. Кулагина, И.Б. Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо Нейрофизиология |
| author_facet |
Новородовская, Т.С. Кулагина, И.Б. |
| author_sort |
Новородовская, Т.С. |
| title |
Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо |
| title_short |
Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо |
| title_full |
Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо |
| title_fullStr |
Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо |
| title_full_unstemmed |
Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо |
| title_sort |
модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо |
| publisher |
Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України |
| publishDate |
2010 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68361 |
| citation_txt |
Модельное исследование неорганельного связывания кальция «быстрыми» и «медленными» буферами в дендритах, содержащих в себе органельное депо / Т.С. Новородовская, И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 5. — С. 369-381. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
| series |
Нейрофизиология |
| work_keys_str_mv |
AT novorodovskaâts modelʹnoeissledovanieneorganelʹnogosvâzyvaniâkalʹciâbystrymiimedlennymibuferamivdendritahsoderžaŝihvsebeorganelʹnoedepo AT kulaginaib modelʹnoeissledovanieneorganelʹnogosvâzyvaniâkalʹciâbystrymiimedlennymibuferamivdendritahsoderžaŝihvsebeorganelʹnoedepo |
| first_indexed |
2025-07-05T18:10:52Z |
| last_indexed |
2025-07-05T18:10:52Z |
| _version_ |
1836831528876769280 |
| fulltext |
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 369
УДК 576.32/.36
Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ1, И. Б. КУЛАГИНА1
МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОРГАНЕЛЬНОГО СВЯЗЫВАНИЯ
КАЛЬЦИЯ «БЫСТРЫМИ» И «МЕДЛЕННЫМИ» БУФЕРАМИ В ДЕНДРИТАХ,
СОДЕРЖАЩИХ В СЕБЕ ОРГАНЕЛЬНОЕ ДЕПО
Поступила 27.09.10
На математических моделях фрагментов реконструированного дендрита нейрона Пур-
кинье мозжечка исследовали зависимость внутриклеточных кальциевых сигналов от
концентрации эндогенных буферов («медленного» – парвальбумина – и «быстрого» –
кальмодулина) и кальцийчувствительного флуорофора (Fura-4F). В дендрите присут-
ствовала депонирующая Са2+ цистерна эндоплазматического ретикулума (ЭР). Каль-
циевые сигналы возникали в процессе генерации нейроном ответа на одиночное си-
наптическое возбуждение или собственной апериодической импульсной активности.
При этом изучали также динамику связывающей способности буферов; данная способ-
ность характеризовалась отношениями концентраций связанного с буфером и свобод-
ного кальция или же приращений указанных концентраций. Плазматическая мембрана
дендрита обладала характерными для упомянутых нейронов ионными каналами (в том
числе каналами синаптических токов) и кальциевым насосом. Уравнения модели учи-
тывали обмен Ca2+ между цитозолем, буферами, ЭР и внеклеточной средой, а также
процессы диффузии. Мембрана ЭР обладала кальциевым насосом, каналами утечки и
каналами кальцийиндуцированного и инозитол-3-фосфатзависимого высвобождения
Са2+. Цистерна ЭР занимала до 36 % внутриклеточного объема. При разном заполнении
дендрита органельным депо увеличение концентрации «медленного» буфера несколько
уменьшало вызванные приложением синаптического стимула цитозольные транзиен-
ты Са2+, не сказываясь на их форме. «Быстрый» же буфер и кинетически подобный
ему краситель в условиях большей концентрации все более замедляли фазу нарастания
кальциевого транзиента, уменьшали ранний и увеличивали поздний компоненты по-
следнего. В случае апериодических и асинхронных собственных колебаний мембранно-
го потенциала, характерных для асимметричных активных дендритов, «медленный» бу-
фер, подобно ЭР-депо, связывал больше Са2+ в сопоставимых по размеру и заполнению
органеллами фрагментах тех метрически асимметричных ветвей, которые в среднем
дольше пребывали в состоянии высокой деполяризации; это обусловливало большее
поступление Са2+ извне. Тем самым картина структурно-функциональной организации
кальциевой сигнализации в дендритах дополнена в части как непосредственных влия-
ний, обусловленных локальной микрогеометрией дендритного разветвления, так и опо-
средованных, связанных с глобальной макрогеометрией дендрита.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: клетка Пуркинье, дендрит, динамика уровня Са2+, парваль-
бумин, кальмодулин, кальцийчувствительный флуорофор.
1Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара
(Украина).
Эл. почта: ber_linn@yahoo.com (Т. С. Новородовская).
ВВЕДЕНИЕ
Кальций представляет собой универсальный вну-
триклеточный посредник, управляющий различ-
ными жизненно важными клеточными процесса-
ми. Будучи столь универсальным и важным, Ca2+
в определенных случаях может быть токсичным
агентом. Превышение токсичных уровней кальция
в тех или иных участках внутриклеточного про-
странства и/или в тот или иной промежуток време-
ни может привести к гибели клеток путем некроза
или апоптоза [1–4]. Снижение концентрации Ca2+
до нетоксичных уровней происходит за счет вы-
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5370
Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА
качивания этих ионов во внеклеточное простран-
ство и поглощения/связывания Ca2+ внутри клет-
ки. Последнее обеспечивается захватом данного
иона органеллами и связыванием его с особыми
веществами, так называемыми кальциевыми буфе-
рами. Буферы – это специализированные протеи-
ны, способные связывать бо́льшую (до 99 %) часть
Ca2+, который поступает в клетку [5]. Цитозольные
буферы активно участвуют в формировании ам-
плитуды и длительности внутриклеточных каль-
циевых сигналов. К таким протеинам-буферам от-
носятся парвальбумин, кальмодулин, кальбиндин,
тропонин-С, кальретинин, кальцийнейрин, белок
S-100 и ряд других [6]. В зависимости от диффу-
зионных характеристик выделяют мобильные и не-
мобильные буферы. Способность буфера связывать
кальций характеризуется отношением либо двух
величин – количества Ca2+, связанного с буфером,
и количества свободного цитозольного Ca2+, либо
приращений (∆) этих величин. И то и другое отно-
шение зачастую называют одинаково – коэффици-
ентом связывания, емкостью буфера (buffer binding
ratio, capacity) [7–9]. Более адекватным переводом
последнего английского термина является «связы-
вающая способность буфера», а отношение прира-
щений лучше конкретизируется термином, который
может быть переведен как «дифференциальный ко-
эффициент связывания» (incremental binding ratio)
[8, 9]. Эти характеристики связывающей способно-
сти буферов у клеток различных видов значительно
варьируют. В зависимости от констант скоростей
связывания и диссоциации Сa2+ буферы характе-
ризуются как «медленные» (константы диссоциа-
ции k– порядка 1 с–1) или «быстрые» (k– ~ 100 с–1)
[5]. Из-за методических ограничений натурного
эксперимента сведения о значениях как базальной
(в исходном состоянии покоя), так и динамически
меняющейся при разных состояниях активности
нейронов концентрации свободных и связанных с
кальцием буферов, различающихся кинетически-
ми характеристиками, остаются разрозненными и
крайне скудными. В силу этих обстоятельств мно-
гие существенные вопросы динамики неорганель-
ного связывания кальция в клетке остаются прак-
тически неизученными. Математические модели
позволяют рассчитывать ряд упомянутых выше
концентраций и воссоздавать недоступные для пря-
мого наблюдения элементы динамической картины
многокомпонентных концентрационных процес-
сов. Наша работа представляет собой модельное
исследование процессов связывания «медленны-
ми» и «быстрыми» цитозольными буферами ионов
кальция, поступающих в клетку в случае одиноч-
ного срабатывания возбуждающего синапса или в
процессе генерации сложных паттернов «собствен-
ной» (intrinsic) электрической активности в ден-
дритах, которые обладают потенциалзависимыми
проводимостями мембраны. Основное внимание
было сосредоточено та том, как динамика неорга-
нельного связывания Ca2+ зависит от концентраций
эндогенных буферов с разной кинетикой связыва-
ния в отсутствие и при наличии подобного экзоген-
ному «быстрому» буферу кальцийчувствительного
красителя, широко используемого в исследованиях
кальциевых сигналов. Указанные процессы рассмо-
трены в условиях разного относительного заполне-
ния внутриклеточного объема дендрита цистерной
эндоплазматического ретикулума (ЭР), играющей
роль органельного кальциевого депо. Результаты
работы позволили впервые одновременно описать
динамику концентрационных изменений, сопрово-
ждающих электрические «дендритные» процессы
разных типов, для различных фракций свободного
и связанного кальция.
ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ
Исследования были выполнены на созданных в
программной среде «НЕЙРОН» [10] моделях двух
типов. Тип 1 соответствовал однокомпартментной
модели дендрита нейрона Пуркинье мозжечка с ЭР,
функционирующим в качестве кальциевого депо.
Структура и биофизические свойства такой моде-
ли были подробно описаны нами ранее [11–13] (см.
также работы других авторов [14, 15]). К типу 2 от-
носились модели цилиндрических фрагментов, взя-
тых из разных частей реконструированного реаль-
ного дендритного разветвления нейрона Пуркинье.
Для таких фрагментов ранее было установлено на-
личие существенных зависящих от геометрии раз-
личий пассивных передаточных свойств и соотно-
шений фаз колебательных электрических процессов
и кальциевых транзиентов [16–19]. Локализация
рассматриваемых фрагментов в структуре ден-
дритного разветвления представлена на рис. 1, А,
взятом из нашей предыдущей работы [19], в ко-
торой также были подробно описаны структура и
биофизические свойства данных моделей (см. так-
же ниже вставку на рис. 5). Особенностью иссле-
дований моделей типа 2 было применение метода
«динамической фиксации потенциала» (dynamic
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 371
МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОРГАНЕЛЬНОГО СВЯЗЫВАНИЯ КАЛЬЦИЯ «БЫСТРЫМИ» И «МЕДЛЕННЫМИ» БУФЕРАМИ
voltage clamp) с использованием в качестве ко-
мандного напряжения тех сигналов, которые реги-
стрировались в указанных выше дендритных фраг-
ментах в процессе генерации модельным нейроном
Пуркинье (с полностью реконструированным ден-
дритным разветвлением) сложных апериодических
пачек потенциалов действия (ПД) [19]. Синапти-
ческую активацию имитировали путем внесения
пассивной электропроводности (с потенциалом
равновесия 0 мВ, т. е. аналога возбуждения глута-
матергического синапса AMPA-типа). В моделях
обоих типов учитывали обмен Са2+ между цитозо-
лем, внеклеточной средой, ЭР, а также буфериза-
цию Ca2+ и его диффузию в безорганельный объем
цитозоля. Учитывалось связывание Сa2+ с буфера-
ми – как с «медленным» В1 (парвальбумин), так и
с «быстрым» В2 (кальмодулин и/или кальбиндин),
которые присутствуют в дендритах нейронов Пур-
кинье, а также с флуоресцентным красителем D
(dye, Fura-4), обладающим свойствами «быстрого»
экзогенного буфера. Параметры буферов и флуоро-
фора [20–23] приведены в таблице.
Поведение моделей характеризовали значения-
ми потенциала на плазматической мембране (E),
концентрации Са2+ в цитозоле ([Ca2+]i), а также
концентрации комплексов Са2+ с парвальбумином
([СаВ1]), кальмодулином ([СаВ2]) и флуорофором
([СаD]).
Величину, обратную константе диссоциации
(мМ–1), рассчитывали по формуле:
Кd = K1/K2, (1)
где К1 – константа скорости связывания буфера
или красителя с внутриклеточным свободным Са2+
(мМ · мс)–1, К2 – константа скорости распада ком-
плексов [CaB1], [CaB2] или [CaD] (мс–1).
Исходные концентрации первого и второго буфе-
ров, а также красителя составляли соответствен-
но:
[B1]0 = [B1]/(1 + KdB1[Ca2+]i),
[B2]0 = [B2]/(1 + KdB2[Ca2+]i), (2)
[D]0 = [D]/(1 + KdD[Ca2+]i),
где [B1], [B2] и [D] – полные концентрации пер-
вого, второго буферов и красителя соответственно
(мМ); KdB1, KdB2 и KdD – величины, обратные кон-
стантам диссоциации (мМ–1).
Концентрации связанных комплексов кальций–
буфер1, кальций–буфер2 и кальций–краситель
(мМ) равнялись соответственно:
[CaB1] = [B1] – [B1]в;
[CaB2] = [B2] – [B2]в; (3)
[CaD] = [D] – [D]в,
где [B1]в, [B2]в и [D]в– концентрации несвязанных
буферов и красителя (мМ).
Скорости изменения концентраций буферов и
красителя в несвязанном состоянии составляли:
d[B1]в/dt = K2B1[CaB1] – K1B1[Ca2+]i[B1]в, (4)
d[B2]в/dt = K2B2[CaB2] – K1B2[Ca2+]i[B2]в, (5)
d[D]в/dt = K2D[CaD] – K1D[Ca2+]i[D]в. (6)
Рассчитывали два наиболее часто рассматривае-
мых в литературе показателя связывающей функции
буферов и буфероподобного красителя. Во-первых,
это отношение концентрации комплекса кальций–
буфер (кальций–краситель) к концентрации свобод-
ного цитозольного кальция, называемое коэффици-
ентом связывания (binding ratio), или связывающей
способностью (binding capacity), буфера (см.,
напр., обзор [7], т. е. [CaB1]/[Ca2+]i, [CaB2]/[Ca2+]i
и [CaD]/[Ca2+]i. Во-вторых, это отношение при-
ращений тех же концентраций (d[CaB1]/d[Ca2+]i,
d[CaB2]/d[Ca2+]i и d[CaD]/d[Ca2+]), называемое
дифференциальным коэффициентом связывания
(incremental binding ratio). Данный показатель свя-
зывающей способности, впервые введенный Не-
ером и Августином [9], определялся согласно при-
веденному в цитируемой работе уравнению 12 как
κB1 = KdB1·[B1]/(1 + KdB1·[Ca2+]i)
2, κB2= KdB2·[B2]/(1 +
+ KdB2·[Ca2+]i)
2, и κD= KdD·[D]/(1 + KdD·[Ca2+]i)
2.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Динамика свободного Са2+ в цитозоле дендрита
при изменении геометрии органельного депо (ЭР)
и концентрации неорганельных буферов. Рис. 1 ил-
люстрирует воспроизведенные на модели одиноч-
ного дендритного компартмента (модель типа 1) и
известные из натурного эксперимента (напр., [24])
эффекты увеличения концентрации «быстрого» бу-
фера. Это усиление «медленного» низкоинтенсив-
ного следового компонента процесса спада кон-
центрации свободного кальция (кривые 1–3 на Д
и Е), а также замедление нарастания и уменьше-
ние интенсивности раннего высокоамплитудного
компонента концентрационного кальциевого отве-
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5372
Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА
40
–40
–80
0
7.5
5.0
2.5
0
0.2
0.1
0
0 020 40 60 20 40 60
1
2
3
1-3 1-3
1
2
3
Р и с. 1. Вызванные приложением одиночного синаптического стимула изменения мембранного потенциала (А, Б) и концентрации
свободного кальция (В–Е) в цитозоле дендритного компартмента нейрона Пуркинье при разной степени заполнения внутриклеточного
объема органельным депо – цистерной эндоплазматического ретикулума (ЭР) – и разных концентрациях «быстрого» кальциевого
буфера.
Длительность стимула (внесенной синаптической электропроводности АМПА-типа интенсивностью 50 нС) 10 мс. Диаметр ЭР
составлял 0.1 (А, В, Д) и 0.6 (Б, Г, Е) диаметра компартмента, так что ЭР занимал 1 и 36 % внутриклеточного объема последнего.
Кривые 1, 2 и 3 на В–Е соответствуют концентрациям «быстрого» буфера 5, 30 и 100 мкМ. На фрагментах Д и Е в увеличенном
масштабе показаны следовые компоненты концентрационных транзиентов, представленных на В и Г.
Р и с. 1. Викликані прикладанням поодинокого синаптичного стимулу зміни мембранного потенціалу (А, Б) і концентрації вільного
кальцію (В–Е) у цитозолі дендритного компартмента нейрона Пуркін’є при різній мірі заповнення внутрішньоклітинного об’єму
органельним депо – цистерною ендоплазматичного ретикулума – та різних концентраціях «швидкого» кальцієвого буфера.
А
В
Д
Б
Г
Е
мс
мкМ
мкМ
мВ
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 373
МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОРГАНЕЛЬНОГО СВЯЗЫВАНИЯ КАЛЬЦИЯ «БЫСТРЫМИ» И «МЕДЛЕННЫМИ» БУФЕРАМИ
1300
800
300
0
200
150
100
50
0 20 40 60 0 20 40 60
1
2
1
2
1
2
1
2
А
В
Б
Г
мс
Р и с. 2. Характеристики динамики емкости кальциевых буферов при разных общих концентрациях последних и разной
заполненности объема компартмента органельным депо (цистерной эндоплазматического ретикулума – ЭР).
А, Б – изменения концентрации кальция, который связан с «медленным», В, Г – с «быстрым» буфером, отнесенной к концентрации
свободного кальция, в условиях синаптической активации дендритного компартмента нейрона Пуркинье. Общая концентрация
«медленного» буфера 50 (А, В) и 150 (Б, Г) мкМ, «быстрого» – 5 и 30 мкМ (кривые 1 и 2 соответственно). Диаметр цистерны ЭР
составлял 0.1 и 0.6 диаметра компартмента (1 и 36 % его объема, обозначено тонкой и толстой линиями соответственно).
Р и с. 2. Характеристики динаміки ємності кальцієвих буферів при різних загальних концентраціях останніх і різній заповненості
об’єму компартмента органельним депо (цистерною ендоплазматичного ретикулума).
та на предъявление стимула. Приложение одинако-
вых по интенсивности (50 нС) возбуждающих си-
наптических стимулов приводило к деполяризации
мембраны до порога генерации дендритного каль-
циевого пика практически неизменной формы (А,
Б). Этот транзиент обусловливает массированный
вход Са2+ в клетку, повышение внутриклеточной
концентрации данных ионов и, соответственно, за-
пуск процессов выкачивания избыточного кальция
из клетки и его связывания органельным депо и не-
органельными буферами. Интенсивность основно-
го компонента транзиента [Ca2+]i почти удваивалась
с увеличением относительной части ЭР в объе-
ме компартмента от 1 (В) до 36 (Г) % при разных
комбинациях общих концентраций эндогенных бу-
феров, которые варьировали от 50 до 150 мкМ у
«медленного» буфера и от 5 до 100 мкМ у «быстро-
го». Вариация концентрации «медленного» буфера
в указанных пределах сказывалась на транзиенте
весьма слабо (не иллюстрировано). Вариация же
концентрации «быстрого» буфера заметно влияла
на следовой компонент транзиента [Ca2+]i. В усло-
виях более высоких общих концентраций B2 ин-
тенсивность данного компонента была большей и
слабо различалась при разных относительных объ-
емах ЭР. Однако у временнóго течения транзиента
проявлялась зависимая от объема ЭР особенность –
некоторое замедление спада. В условиях низкой
концентрации B2 (5 мкМ) наблюдалось времен-
ное повышение [Ca2+]i (отмечено стрелками на Е).
Представленная картина в целом была практически
одинаковой как при большей (150 мкМ), так и при
меньшей (50 мкМ) концентрации «медленного» бу-
фера.
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5374
Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА
600
400
200
0
30
20
10
2
1
1
2
1
2
2
1
0 20 40 60 0 20 40 60
А
В
Б
Г
мс
Р и с. 3. То же, что и на рис. 2, но для дифференциальных коэффициентов связывания, используемых в качестве характеристик
емкости буфера.
Коэффициенты определяются как отношение приращений концентраций связанного и свободного кальция.
Р и с. 3. Те ж саме, що й на рис. 2, але для диференціальних коефіцієнтів зв’язування як характеристик ємності буфера.
Исходные параметры буферов и флуоресцентного красителя, связывающих кальций
Вихідні параметри буферів і флуоресцентного барвника, зв’язуючих кальцій
Вещества Константа скорости
связывания, М·мс–1
Константа скорости
распада, мс–1
Общая концентрация,
мM
Парвальбумин (B1) 6 0.9·10-3 0.15
Кальмодулин (B2) 100 0.1 0.03
Fura-4F (D) 120 0.12 0.1
Динамика связывания Са2+ «медленным» и «бы-
стрым» эндогенными буферами при их разной кон-
центрации. Рис. 2 иллюстрирует реакции эндо-
генных кальциевых буферов, индуцированные в
дендритном компартменте (модель типа 1) прило-
жением одиночного синаптического стимула дли-
тельностью 10 мс (вносимая электропроводность
синапса АМРА-типа 50 нС). Вызванные транзи-
енты [Са2+]i, подобные представленным на рис. 1,
имели бóльшую или меньшую интенсивность при
соответственно 36 %- или 1 %-ном заполнении объ-
ема компартмента цистерной ЭР. Базальные (пре-
стимульные) значения связывающей способности
каждого из буферов определялись общей концен-
трацией последнего и не зависели от концентрации
буфера-конкурента. Так, для дендритного компарт-
мента с 36 %-ным заполнением объема органель-
ным депо (ЭР) базальные значения отношения
[CaB1]/[Ca2+]i при [B1] = 50 и 150 мкМ равнялись
около 260 и 770 (А, Б), а таковые у [CaB2]/[Ca2+]i
при [B2] = 5 и 30 мкМ – около 4.8 и 28.7 соответ-
ственно (В, Г). Во время развития кальциевого тран-
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 375
МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОРГАНЕЛЬНОГО СВЯЗЫВАНИЯ КАЛЬЦИЯ «БЫСТРЫМИ» И «МЕДЛЕННЫМИ» БУФЕРАМИ
75
50
25
0
250
150
50
1200
800
400
0
0 20 40 60 0 20 40 60
1
2
1
2
2 2
1 1
2 2
1 1
Р и с. 4. То же, что и на рис. 2, но в присутствии 100 мкМ флуорофора, обладающего свойствами «быстрого» буфера.
Д, Е – концентрация комплекса Са–флуорофор, отнесенная к концентрации свободного Са2+.
Р и с. 4. Те ж саме, що й на рис. 2, але в присутності 100 мкМ флуорофора, який має властивості «швидкого» буфера.
А
В
Д
Б
Г
Е
мс
зиента (с 10-й по 22-ю мс) отношения [CaB1]/[Ca2+]i
и [CaB2]/[Ca2+]i снижались до 2.0–6.2 (А, Б) и 0.38–
2.3 (В, Г) соответственно. Данное обстоятельство
указывало на то, что в условиях пикового повыше-
ния концентрации свободного кальция (в данном
случае [Ca2+]i = 7.6 мкМ при базальном значении
44 нМ) связывающие способности обоих буферов
явно низки.
Наблюдаемые после окончания массированного
входа кальция следовые процессы связывания у «мед-
ленного» и «быстрого» буферов различались весь-
ма характерным образом. Отношение [CaB2]/[Ca2+]i
быстро достигало значений, на порядки превос-
ходивших базальные, – около 73 и 220 при об-
щей концентрации «быстрого» буфера [B2] = 5 и
30 мкМ соответственно, вне зависимости от [B1].
После этого в течение приблизительно 100 мс упо-
мянутое отношение возвращалось к базальным
значениям (рис. 2, В, Г). В то же время отноше-
ние [CaB1]/[Ca2+]i нарастало, причем с различными
скоростями увеличения – вначале резко до уровня
выше или ниже базального (в зависимости от ме-
нее или более высокой концентрации B1), а затем,
в течение около 100 мс (время возврата «быстрой»
буферизации к базальному уровню), – медленно, до
уровня, который существенно превосходил базаль-
ный. Этот уровень зависел от общей концентрации
«медленного» буфера (около 435 и 1290 при [B1] =
= 50 и 150 мкМ соответственно) и не зависел от
концентрации «быстрого» (А, Б). Возврат к базаль-
ным значениям данного отношения происходил за
время около 4.0–4.5 с. Описанные закономерности
качественно сохранялись как при меньшем, так и
при большем заполнении объема компартмента ор-
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5376
Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА
80
85
90
95
4
8
12
0
1500
1000
500
0
40
80
120
0
0.4
0.6
0.8
1.0
0
-40
10
60
0.250
10
0
-30
-70
D3
D1
Ax
D2
D1 D3
Ax
А
Б
В
Г
Д
Е
Ж
З
И
К
Л
М
мВ
мкМ 100 мс
100 мс
мкМ
мВ
мкМ
Р и с. 5. Электрические сигналы и кальциевые
транзиенты в изолированных участках D1
(А–Е) и D3 (Ж–М) реконструированного
дендритного разветвления нейрона Пуркинье
в условиях динамической фиксации
дендритных мембранных потенциалов, которые
соответствуют апериодическим импульсным
последовательностям в аксоне (график Ах на
вставке слева внизу).
Локализация мест «отведения» указана на
изображении, представленном на вставке слева
вверху. А, Ж – изменения мембранного потенциала
(мВ), Б, З – концентрации свободного Са2+ в
цитозоле (мкМ), В, И – концентрации кальция,
связанного с «медленным» буфером (мкМ), Г, К –
концентрации кальция, связанного с «быстрым»
буфером (мкМ); Д, Л и Е, М – изменения
отношений концентрации буферизованного
кальция (показана на В, И и Г, К соответственно)
к концентрации свободного Са2+ (показана на Б
и З соответственно) как характеристик емкости
буферов.
Р и с. 5. Електричні сигнали та кальцієві
транзієнти в ізольованих ділянках D1 (А–Е)
і D3 (Ж–М) реконструйованого дендритного
розгалуження нейрона Пуркін’є в умовах
динамічної фіксації дендритних мембранних
потенціалів, які відповідають аперіодичним
імпульсним послідовностям в аксоні (графік Ах
на вставці зліва внизу).
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 377
МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОРГАНЕЛЬНОГО СВЯЗЫВАНИЯ КАЛЬЦИЯ «БЫСТРЫМИ» И «МЕДЛЕННЫМИ» БУФЕРАМИ
ганельным депо ЭР (тонкие и толстые кривые на
А–Г). Относительные же концентрации обоих ком-
плексов кальций–буфер были бóльшими в случае
большей доли ЭР в объеме компартмента.
На рис. 3 представлены выполненные в условиях,
идентичных вышеописанным, расчеты еще одного
показателя связывающей способности буферов –
дифференциальных коэффициентов связывания κB1
и κB2 (определяемых уравнением 12 из работы Не-
ера и Августина [9]). Поведение этого показате-
ля предоставляет практически ту же информацию,
что и поведение описанного выше отношения кон-
центраций буферизованного и свободного кальция,
с той лишь разницей, что все изменения в данном
случае происходили в области значений ниже ба-
зального уровня (ср. рис. 3, А–Г и рис. 2, А–Г). Во
время генерации ответа на синаптическую актива-
цию дифференциальный коэффициент связывания
во всех случаях резко падал от базального уровня
до значений, на порядок или два меньших. После
окончания же массированного входа кальция в клет-
ку происходил двухфазный возврат к базальному
уровню. В условиях более высокой общей концен-
трации «медленного» буфера базальное значение
соответствующего дифференциального коэффици-
ента связывания κB1 было заметно выше (ср. Б и А
на рис. 3) независимо от общей концентрации «бы-
строго» буфера. Последняя влияла на уровень κB1,
при котором «быстрая» фаза возврата к базальному
уровню сменялась «медленной»; этот суббазаль-
ный уровень «излома» кривой возврата был ниже
в случае более высокой общей концентрации «бы-
строго» буфера. Что же касается дифференциаль-
ного коэффициента связывания «быстрого» буфера
κB2, то его базальное значение было тем выше, чем
бóльшей была концентрация данного буфера (не-
зависимо от концентрации «медленного» буфера;
рис. 3, В, Г). Возврат к более низкому базальному
уровню требовал меньшего времени, но в любом
случае такой интервал не превышал 100 мс. Прак-
тически столь же быстро возвращался к базально-
му уровню и дифференциальный коэффициент свя-
зывания κB1 «медленного» буфера при любой общей
концентрации «быстрого», что существенно отли-
чалось от порядка времени релаксации отношений
[CaB1]/[Ca2+]i и [CaB2]/[Ca2+]i (порядка секунд).
Динамика буферизованного Са2+ при добавлении
кальцийчувствительного флуорофора. Добавление
100 мкМ флуорофора, подобного «быстрым» буфе-
рам по кинетике связывания Са2+, практически не ска-
зывалось на базальных и динамических минималь-
ных значениях связывающей способности, а также
на значениях времени возврата данного показателя
к базальному уровню. Это было характерно как для
«медленного», так и для «быстрого» эндогенных
буферов при всех рассмотренных выше комбина-
циях общих концентраций последних (рис. 4, А–Г).
У флуорофора базальное отношение [CaD]/[Ca2+]i
было около 95, а минимальное (на пике концентра-
ции свободного Са2+) – на порядок меньшим – 9
(Д, Е), причем в динамических паттернах связыва-
ния становились существенно более выраженны-
ми компоненты, определяемые наличием «быстро-
го» буфера в повышенной концентрации. Так, при
обоих значениях общей концентрации «медленно-
го» буфера после падения до минимума относи-
тельной концентрации его комплекса с кальцием
[CaB1]/[Ca2+]i фаза быстрого нарастания сменя-
лась медленным нарастанием на фоне существен-
но меньших (примерно в три раза) суббазальных
значений (А, Б, ср. с кривыми 2 на рис. 2). Дли-
тельность «медленной» фазы роста (около 100 мс)
и в этом случае соответствовала времени возвра-
та к базальному уровню связывающей способности
«быстрого» эндогенного буфера [CaB2]/[Ca2+]i (В,
Г) после столь же быстрого скачка до практически
того же, что и в отсутствие флуорофора, сверхба-
зального уровня. Связывающая способность флуо-
рофора [CaD]/[Ca2+]i, подобно таковой «быстрого»
эндогенного буфера, по окончании массированного
входа кальция скачкообразно повышалась до мак-
симума, намного превышавшего базальный, – до
267 или 231 при меньшей (5 мкМ) или большей
(30 мкМ) общей концентрации «быстрого» буфера.
В течение же последующих 100 мс она возвраща-
лась к базальному значению независимо от концен-
трации «медленного» буфера. После достижения
максимума связывающая способность «медленно-
го» буфера уменьшалась до базального уровня при-
близительно за те же 5 с, что и в отсутствие флуо-
рофора.
Буферизация Са2+ в асимметричных дендритах
в процессе генерации на выходе нейрона аперио-
дических импульсных последовательностей. В за-
вершающей серии вычислительных экспериментов
мы сравнивали электрические и концентрацион-
ные транзиенты в изолированных компартментах
(соответствовавших участкам D1 и D3 реконстру-
ированного дендритного разветвления) при подаче
на эти компартменты командных напряжений, за-
регистрированных в указанных участках в усло-
виях, когда на выходе моделируемого нейрона ге-
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5378
Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА
нерировались апериодические (стохастические)
импульсные последовательности (Ах на вставке
рис. 5), описанные в нашей предыдущей работе
[19]. На рис. 5 представлены развивающиеся одно-
временно на двух указанных участках апериодиче-
ские транзиенты мембранного потенциала (А и Ж),
концентрации свободного цитозольного кальция (Б
и З), а также концентраций комплексов кальция с
«медленным» (В и И) и «быстрым» (Г и К) эндоген-
ными буферами. Кроме того, показаны изменения
отношений [CaB1]/[Ca2+]i (Д и Л) и [CaB2]/[Ca2+]i
(Е и М), характеризующих связывающую способ-
ность буферов. Генерируемые на выходе нейрона
апериодические пачки ПД и одиночные импульсы
(Ах на вставке рис. 5) сопровождались в асиммет-
ричных частях D1 и D3 дендритного разветвления
асинхронными всплесками деполяризации мембра-
ны (А, Ж) и концентрации свободного кальция (Б,
З) разной интенсивности, причем с присутстви-
ем «быстрых» и «медленных» компонентов. При
этом, судя по абсолютным и относительным зна-
чениям концентраций комплексов кальций–буфер,
«медленный» и «быстрый» эндогенные буферы
по-разному реагировали на генерацию локального
паттерна изменений мембранного потенциала. Так,
концентрация связанного с кальцием «медленного»
буфера нарастала во время развития «медленного»
компонента цитозольного кальциевого сигнала и
практически не реагировала на быстрые всплески
(В, И). Наблюдавшаяся здесь в процессе продолжа-
ющейся активности тенденция – практически мо-
нотонное повышение среднего уровня (более вы-
сокого на дендритном участке D3) концентрации
данного комплекса – весьма напоминает динамику
концентрации Са2+, захваченного ЭР этих же участ-
ков (ср. Г и М на рис. 7 нашей предыдущей работы
[19]). Совершенно по-иному протекал одновремен-
ный процесс связывания Са2+ с «быстрым» буфе-
ром. Концентрация комплекса Са2+ с этим буфе-
ром быстро нарастала, причем процесс включал в
себя развитие как медленных, так и быстрых цито-
зольных транзиентов. Реакция на низкоамплитуд-
ные быстрые цитозольные транзиенты была хоро-
шо выражена, тогда как на «быстрые» компоненты
высокоамплитудных транзиентов она практиче-
ски отсутствовала (рис. 5, Г, К). Например, четы-
рем быстрым пикам [Ca2+]i на рис. 5, Б соответство-
вали четыре заметных зубца на нисходящих фазах
транзиентов, показанных на Г. Благодаря более
быстрому спаду концентрации комплекса кальция
с «быстрым» буфером (что соответствовало более
быстрой диссоциации данного буфера) наблюдае-
мые в пределах межпачечных интервалов перепады
концентраций связанного с кальцием «быстрого»
буфера [CaB2] были более выраженными, чем та-
ковые у «медленного» буфера [CaB1] (ср. Г, К и В,
И на рис. 5). Изменения отношений [CaB1]/[Ca2+]i
(Д, Л) и [CaB2]/[Ca2+]i (Е, М), характеризующих
связывающую способность буферов, демонстри-
ровали сложную динамику, причем различия меж-
ду разными дендритными участками были более
значительными по сравнению с межрегиональны-
ми различиями абсолютных концентраций соот-
ветствующих комплексов кальций–буфер (В, И, Г,
К). В частности, «быстрые» составляющие измене-
ний цитозольной концентрации свободного каль-
ция (Б, З) существенно сказывались на значениях
относительной [CaB1]/[Ca2+]i, но не абсолютной
[CaB1] (В, И) концентрации связанного с кальци-
ем «медленного» буфера. Более выраженным было
и влияние указанных «быстрых» составляющих на
относительную концентрацию [CaB1]/[Ca2+]i «бы-
строго» буфера (Е, М).
Такая ситуация возможна в случае, если дендри-
ты, включавшие в себя сравниваемые участки, в
условиях генерации нейроном асинхронного апе-
риодического импульсного паттерна пребывали в
состоянии высокой деполяризации (обеспечиваю-
щей открывание кальциевых каналов) на протяже-
нии разных промежутков времени соответственно
и вход этих ионов в клетку был различным.
ОБСУЖДЕНИЕ
Основные результаты данной работы можно сум-
мировать следующим образом.
Во-первых, разработанная модель кальциевой
динамики с участием органельных депо, двух эндо-
генных и экзогенного буферов продемонстрировала
свою валидность в аспекте адекватности представ-
ления процессов неорганельного связывания Са2+:
модель воспроизводила эффекты, известные по ре-
зультатам натурных экспериментов. В частности,
полученные эффекты, зависимые от концентрации
«быстрого» буфера, – замедление фазы нарастания
и уменьшение интенсивности раннего компонента,
а также увеличение интенсивности позднего ком-
понента цитозольного кальциевого транзиента с
появлением характерной «полочки» – фазы медлен-
ного спада, следовавшей за фазой быстрого спада
основного транзиента, – соответствуют таким же
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 379
МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОРГАНЕЛЬНОГО СВЯЗЫВАНИЯ КАЛЬЦИЯ «БЫСТРЫМИ» И «МЕДЛЕННЫМИ» БУФЕРАМИ
особенностям транзиента, отмеченным в работах
Неера [8, 24]. Подчеркивалось, что эти специфиче-
ские черты наиболее характерны для наблюдаемо-
го в эксперименте действия буфероподобного кра-
сителя.
Во-вторых, общая концентрация «медленного»
буфера в диапазоне, установленном на основании
экспериментальных оценок [5, 20], в некоторой
степени влияет на интенсивность цитозольного
кальциевого транзиента, порожденного одиноч-
ным синаптическим действием, но практически не
изменяет формы этого транзиента и не влияет на
изменения концентрации Са2+, связанного с «бы-
стрым» буфером (и депонированного в ЭР). Таким
образом, влияние на форму цитозольного транзи-
ента (появление следовой «полочки») оказывают
лишь буферы и буфероподобные красители, для ко-
торых характерны быстрые кинетики связывания.
Эти же буферы в основном и конкурируют между
собой за свободный внутриклеточный Са2+ при их
обоюдном наличии в цитоплазме. В то же время бу-
феры с замедленной кинетикой не составляют «бы-
стрым» буферам и буфероподобным красителям
особой конкуренции, так как не успевают «пере-
хватить» у них Са2+.
В-третьих, эффекты неорганельного связывания
кальция с «быстрыми» эндогенными буферами наи-
более выражены у компонентов цитозольного тран-
зиента, имеющих низкую интенсивность (в диа-
пазоне нескольких сотен наномолей на литр). На
первый взгляд, концентрационные процессы столь
низкой интенсивности, которым присущи особен-
ности, обусловленные именно быстрыми эффекта-
ми неорганельного связывания, можно рассматри-
вать как малозначимые (особенно в сравнении с
высокоамплитудными пиками транзиентов, дости-
гающими нескольких микромолей на литр), а зна-
чит, и не имеющие большого функционального зна-
чения. Однако следует подчеркнуть, что основным
динамическим диапазоном для нормального функ-
ционирования Са2+ как посредника огромного на-
бора внутриклеточных сигнальных процессов яв-
ляются именно «субмикромолярные» изменения.
Превышение же верхних границ этого диапазона,
особенно длительное, сопряжено с неизбежными
нарушениями адекватности внутриклеточных про-
цессов (кальциевой токсичностью). Данные аспек-
ты динамики неорганельного связывания, видимо,
заслуживают дальнейшего углубленного и внима-
тельного изучения, поскольку необходимость де-
тальных и более точных сведений о кинетических
параметрах реакций буферизации кальция (воз-
можно, с использованием синтезированных буфе-
ров in vitro) очевидна.
В-четвертых, результаты наших настоящей и
предыдущих работ наглядно показали зависимость
динамики неорганельного связывания кальция от
соотношения свободный объем/поверхность в той
или иной части клетки. Акцентированы связанные
с геометрией особенности кальциевой динамики в
асимметричных частях дендритного разветвления,
которые отражают особенности локальных паттер-
нов электрических процессов, сопровождающих-
ся входом Са2+. Представленные здесь результаты
дополняют описанную нами в предыдущей рабо-
те [19] картину значительной специфики процес-
сов накопления Са2+ в органельном депо, которые
в одинаковой степени заполняют идентичные по
размеру компартменты (ЭР), однако находящиеся в
асимметричных дендритах с активными мембран-
ными свойствами. Ранее отмечалось, что именно
метрическая асимметрия обусловливает то обсто-
ятельство, что пространственно однородное и по-
стоянное во времени синаптическое возбуждение
(действие входного сигнала) приводит к генерации
пространственно неоднородных электрических
процессов в активном дендритном разветвлении и
сложных по своим временны́м характеристикам по-
следовательностей ПД на выходе клетки. Как след-
ствие, возникали существенные различия процес-
сов депонирования Са2+, особенно выраженные в
случае генерации апериодических выходных им-
пульсных паттернов, которые сопровождались
асинхронными разновеликими изменениями мем-
бранного потенциала и цитозольной концентра-
ции Са2+ в асимметричных дендритных развет-
влениях (см. рис. 7, Г, З, М в нашей предыдущей
работе [19]). Одним из существенных дополнений,
полученным в настоящей работе, является обнару-
женное явное сходство динамики связывания Са2+
«медленным» эндогенным буфером (рис. 5, В, И)
с динамикой депонирования данного иона орга-
нельным депо, т. е. ЭР ([19], рис. 7). Как и в слу-
чае упомянутого процесса органельного депониро-
вания, при сходных абсолютных и относительных
размерах расположенных в разных дендритах ком-
партментов и депо комплекс кальция с «медлен-
ным» буфером в большей степени накапливается в
компартментах тех дендритов, которые в среднем
дольше пребывали в состоянии высокой деполяри-
зации; это и обусловливало поступление большего
количества Са2+ в цитозоль. Таким образом, выяв-
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5380
Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА
лен еще один аспект – наличие не только прямой
зависимости динамики дендритной концентрации
Са2+ от локальной микрогеометрии данного ден-
дрита, но и косвенной зависимости указанной кон-
центрации от глобальной макрогеометрии всего
асимметричного дендритного разветвления. Разра-
ботанный в настоящей работе подход может быть
в будущем использован для более углубленно-
го исследования особенностей динамики процес-
сов взаимодействия цитозольного кальция с каль-
цийсвязывающими протеинами, происходящих в
дендритах. Указанные протеины играют роль как
собственно буферов (поглотителей, подобных рас-
сматриваемым в данной работе), так и метаболи-
тов жизненно важных внутриклеточных биохими-
ческих реакций [6, 7].
Авторы благодарны проф. С. М. Корогоду за полезные
замечания и комментарии к настоящей работе.
Т. С. Новородовська1, І. Б. Кулагіна1
МОДЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ НЕОРГАНЕЛЬНОГО
ЗВ’ЯЗУВАННЯ КАЛЬЦІЮ „ШВИДКИМИ” ТА
„ПОВІЛЬНИМИ” БУФЕРАМИ В ДЕНДРИТАХ, ЩО
ВМІЩУЮТЬ ОРГАНЕЛЬНЕ ДЕПО
1Дніпропетровський національний університет ім. Олеся
Гончара (Україна).
Р е з ю м е
На математичних моделях фрагментів реконструйованого
дендрита нейрона Пуркін’є мозочка досліджували залеж-
ність внутрішньоклітинних кальцієвих сигналів від концен-
трації ендогенних буферів («повільного» – парвальбуміну –
та «швидкого» – кальмодуліну) і кальційчутливого флуоро-
фора (Fura-4F). У дендриті була присутня депонуюча Са2+
цистерна ендоплазматичного ретикулума (ЕР). Кальцієві
сигнали виникали в процесі генерації нейроном відповіді на
поодиноке синаптичне збудження або власної аперіодичної
імпульсної активності. При цьому вивчали також динаміку
зв’язувальної здатності буферів; дана здатність характери-
зувалася відношеннями концентрацій зв’язаного з буфером
і вільного кальцію або ж приростів вказаних концентрацій.
Плазматична мембрана дендрита мала характерні для згада-
них нейронів іонні канали (у тому числі канали синаптичних
струмів) і кальцієвий насос. Рівняння моделі враховували
обмін Ca2+ між цитозолем, буферами, ЕР і зовнішньоклі-
тинним середовищем, а також процеси дифузії. Мембрана
ЕР мала кальцієвий насос, канали витоку й канали кальцій-
індукованого та інозитол-3-фосфатзалежного вивільнен-
ня Са2+. Цистерна ЕР займала до 36 % внутрішньоклітин-
ного об’єму. При різному заповненні дендрита органельним
депо збільшення концентрації „повільного” буфера дещо
зменшувало викликані прикладенням синаптичного стиму-
лу цитозольні транзієнти Са2+, не позначаючись на їх формі.
«Швидкий» же буфер і кінетично подібний до нього барв-
ник в умовах більшої концентрації все більше уповільнюва-
ли фазу зростання кальцієвого транзієнта, зменшували ран-
ній і збільшували пізній компоненти останнього. У випадку
аперіодичних і асинхронних власних коливань мембранно-
го потенціалу, характерних для асиметричних активних ден-
дритів, „повільний” буфер, подібно до ЕР-депо, зв’язував
більше Са2+ у порівнянних за розміром і заповненням орга-
нелами фрагментах тих метрично асиметричних віток, ко-
трі в середньому довше перебували в стані високої деполя-
ризації; це зумовлювало більше надходження Са2+ ззовні.
Тим самим картина структурно-функціональної організації
кальцієвої сигналізації в дендритах доповнена в частині як
безпосередніх впливів, зумовлюваних локальною мікрогео-
метрією дендритного розгалуження, так і опосередкованих,
пов’язаних з глобальною макрогеометрією дендрита.
CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. P. G. Kostyuk and A. Verkhratsky, Calcium Signalling in the
Nervous System, Wiley, Chichester (1995).
2. M. J. Berridge, “Neuronal calcium signalling,” Neuron, 21,
No. 1, 13-26 (1998).
3. Calcium as a Cellular Regulator, E. Carafoli and C. Klee
(eds.), Oxford Univ. Press, New York (1999).
4. L. D. Pozzo-Miller, J. A. Connor, and S. B. Andrews,
“Microheterogeneity of calcium signalling in dendrites,” J.
Physiol., 525, 53-61 (2000).
5. M. Falcke, “Buffers and oscillations in intracellular Ca2+
dynamics,” Biophys. J., 84, 28-41 (2003).
6. C. W. Heizmann and W. Hunziker, “Intracellular calcium-
binding proteins: more sights than insights,” Trends Biochem.
Sci., 16, 98-103 (1991).
7. M. J. Berridge, M. D. Bootman, and H. L. Roderick, "Calcium
signalling: dynamics, homeostasis and remodelling," Nat. Rev.
Mol. Cell Biol., 4, 517-29 (2003).
8. E. Neher, “Details of Ca2+ dynamics matter,” J. Physiol., 586.8,
2031 (2008).
9. E. Neher and G. J. Augustine, “Calcium gradients and buffers
in bovine chromaffin cells,” J. Physiol., 450, 273-301 (1992).
10. N. T. Carnevale and M. L. Hines, The NEURON Book,
Cambridge Univ. Press, Cambridge (2006).
11. С. М. Корогод, Т. С. Новородовська, “Вплив геометричних
характеристик органельного депо та безорганельного
цитозолю на динаміку рівнів внутрішньоклітинного кальцію
в дендриті: модельне дослідження”, Нейрофизиология/
Neurophysiology, 41, № 1, 19-31 (2009).
12. Т. С. Новородовская, С. М. Корогод, “Сравнительный
модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и
депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума”,
Нейрофизиология/Neurophysiology, 41, № 5, 367-380
(2009).
13. Т. С. Новородовская, “Модельное исследование особенно-
стей кальциевой динамики, обусловленных обменом меж-
ду цитозолем и органельными депо”, Нейрофизиология/
Neurophysiology, 41, № 5, 450-459 (2009).
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 381
МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОРГАНЕЛЬНОГО СВЯЗЫВАНИЯ КАЛЬЦИЯ «БЫСТРЫМИ» И «МЕДЛЕННЫМИ» БУФЕРАМИ
14. E. De Schutter and J. Bower, “An active membrane model of
the cerebellar Purkinje cell 1. Simulation of current-clamps in
slice,” J. Neurophysiol., 71, 375-400 (1994).
15. T. Miyasho, H. Takagi, H. Suzuki, et al., “Low-threshold
potassium channels and a low-threshold calcium channel
regulate Ca2+ spike firing in the dendrites of cerebellar Purkinje
neurons: a modeling study,” Brain Res., 891, 106-115 (2001).
16. 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).
17. I. B. Kulagina, “Рhase relationship between calcium and
voltage oscillations in different dendrites of Purkinje neuron”,
Нейрофизиология/Neurophysiology, 40, № 5/6, 477-485
(2008).
18. S. M. Korogod and S. Tyč-Dumont, Electrical Dynamics of
the Dendritic Space, Cambridge Univ. Press, Cambridge, New
York, Melbourne, et al. (2009).
19. Т. С. Новородовская, И. Б. Кулагина, “Структурная
зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона
Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное
исследование”, Нейрофизиология/Neurophysiology, 42,
№ 1, 67-81 (2010).
20. 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.
21. 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).
22. 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).
23. 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).
24. E. Neher, "Calcium buffers in flash-light," Biophys. J., 79,
No. 6, 2783-2784 (2000).
|