Бесплатно скачать, заказать диплом, курсовую, диссертацию Пространственно—временное распределение рН и трансмемБранного потенциала вдоль клеточной мембраны водоросли Chara corallina

У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ

Сделать закладку на сайт

Заказать диплом, курсовую, диссертацию

Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Книга жалоб
и предложений

Название	Пространственно—временное распределение рН и трансмемБранного потенциала вдоль клеточной мембраны водоросли Chara corallina

Количество страниц	122

ВУЗ	МГИУ

Год сдачи	2010

Бесплатно Скачать	24237.doc

Содержание	Оглавление Введение Стр Глава 1 Явление пространственно-временного распределения рН и мембранного потенциала вдоль внешней поверхности плазматической мембраны. Литературный обзор. 1.1 Acetabularia acetabulum (L.) Silva 9 1.2 Пыльцевая трубка Lilium longijlorum 12 1.3 Корневые волоски и корни. Trifolium repens, Zea mays, Hordeum vulgar-e L, Lepidium sativum L., Nicotiana tabacum var. Havana 13 1.4 " Цитоморфогенез 16 1.5 Явление образования чередующихся зон рН вдоль поверхности плазмалеммы клеток Chara corallina. 17 1.5.2 Гетерогенное распределение рН в примембранной области клетки водоросли Chara corallina. 19 1.5.3 Мембранный потенциал и ионный транспорт через мембрану клетки водоросли Chara corallina. 22 1.5.4 Протонная АТФ-аза цитоплазматической мембраны клетки водоросли Chara corallina. 1.5.5 Кинетический анализ функционирования Н+-АТФазы. 1.6 Модели, предложенные для описания чередования зон рН и мембранного потенциала вдоль клетки Chara. 1.7 Заключение обзора литературы и постановка задачи 24 28 32 44 Глава 2 Моделирование процессов трансмембранного ионного переноса и распределения потенциала вдоль мембраны на примере клетки водоросли Chara corallina. 2.1 Кинетическая модель работы транспортной системы Н+-АТФ-азы и каналов 47 2.2 Вывод уравнения изменения мембранного потенциала 51 Глава 3 Поведение во времени рН и потенциала вблизи цитоплазматической мембраны клетки. 3.1 Аналитическое исследование системы без диффузионных членов. Идентификация параметров системы. 56 3.2 Экспериментальные данные и результаты моделирования 59 Глава 4 Исследование пространственно-временной динамики в примембранной области клетки водоросли Chara corallina. 4.1 Исследование распределенной системы 71 4.2 Результаты моделирования и экспериментальные факты 71 Глава 5 Исследование пространственно-временной динамики рН и мембранного потенциала с учетом изменения рН цитоплазмы. 5.1 Модель из трех уравнений 83 5.2 Исследование модели из трех уравнений. Сравнение с экспериментальными данными. 88 4 Обсуждение 94 Основные выводы ЮЗ Приложение I 105 Приложение II 108 Приложение III 119 Литература 122 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Введение Актуальность проблемы. Для многих живых организмов экспериментально показано, что вдоль внешней поверхности плазматической мембраны могут возникать участки, различающиеся по значениям рН и трансмембранного потенциала По предположению многих исследователей существование неоднородных по величине потенциала участков в примембранной области может играть важную роль в физиологии клетки. Так, для многих растений показано, что неравномерное распределение потенциала вдоль поверхности корешков [Weisenseel et al., 1979], корневых волосков [Miller et al., 1986] и пыльцевых трубок [Feijo et al., 1999] предшествует дальнейшей дифференциации тканей и играет важную роль в процессах роста. Также было обнаружено, что неравномерное пространственное распределение потоков у зигот водорослей (Pelvetia, Fucus) определяет дальнейшую структуру клетки во время ее роста [Jaffe, 1977]. В семействе водорослей Characea в результате освещения вдоль мембраны возникают устойчивые зоны с различными величинами рН и электрического потенциала, между которыми циркулируют токи, что возможно способствует ассимиляции органических веществ в клетке. Однако до конца не ясна причинно-следственная связь между явлением образования зон рН и потенциала и физиологическими процессами в органе или клетке. Первоначально такого рода явления связывали со структурной неоднородностью мембран. В последнее время все большее число исследователей склоняется к тому, что они обусловлены, по-видимому, спецификой работы транспортных систем клетки: АТФ- аз, каналов, антипортеров и т.д. и неоднородным распределением потоков. Иными словами, такие зоны являются примером диссипативных структур в живых системах. Несмотря на обилие экспериментальных работ в этой области, до сих пор не выявлен общий механизм, связывающий неравномерное распределение потоков с внутренними процессами в клетке, который приводит к образованию зон рН или неоднородному распределению потенциала в примембранной области клетки. Клетки водорослей Chara corallina и Nitellopsys abtusa являются наиболее удобным объектом для исследования неравномерного распределения потоков. Они обладают большими размерами (диаметром 0.6 -1.0 мм и длиной 40-80 мм), и имеют более простое строение по сравнению с клетками высших растений или животных. Физиология этих организмов достаточно хорошо исследована. Был предложен ряд математических моделей [Toko et al, 1988; Leonetti, Pelce, 1994; Bulychev A. A., 2001], в которых рассматриваются возможные механизмы зонообразования. В этих моделях были сделаны попытки либо учесть изменение трансмембранного потенциала, либо изменение концентрации ионов снаружи и внутри клетки. В настоящей работе построена и исследована модель, в которой одновременно учтены процессы изменения мембранного потенциала и изменение концентрации ионов. Предложен механизм неравномерного распределения потоков в примембранной области клетки, учитывающий взаимосвязь процессов, происходящих на мембране хлоропластов, в цитоплазме и плазматической мембране клетки. Цель и задачи работы Цель работы: методами математического моделирования исследовать динамику возникновения зон рН вдоль клеточной мембраны водоросли Chara и предложить механизм этого явления. В работе предполагается выполнить следующие задачи: 1. Построить математическую модель, описывающую процессы, связанные с потенциалозависимым ионным транспортом через плазматическую мембрану и перемещением ионов вдоль внешней поверхности плазматической мембраны. 2. Провести исследование модели, включающее: а) исследование временной и пространственно-временной динамики рН и потенциала в примембранной области клетки водоросли. б) идентификацию параметров по экспериментальным данным в) описание наблюдаемых в эксперименте нелинейных процессов: колебания мембранного потенциала и рН, возникновение зон рН и потенциала. 3. Предложить возможный механизм образования зон рН и потенциала, учитывающий связь этих процессов с процессами фотосинтеза. Научная новизна Впервые построена модель, одновременно учитывающая изменение трансмембранного потенциала и перенос ионов через мембрану. Подробно описана работа АТФ-азы плазматической мембраны, осуществляющей перенос протонов. Оценены диапазоны изменения параметров модели, соответствующие экспериментальным данным. Впервые предложен механизм возникновения зон рН и трансмембранного потенциала, основанный на взаимосвязи процессов, происходящих при освещении в разных компартментах клетки (хлоропласта, цитоплазма, плазматическая мембрана). Практическое значение Разработанная модель пространственно-временного распределения рН и потенциала вдоль клетки водоросли применима к широкому классу объектов, где встречаются подобные явления. Модель включает в себя подробное описание работы мембранной АТФ-азы, в модели учитываются изменение концентрации протонов снаружи и внутри клетки, потенциала - это позволяет глубже понять бифизические механизмы, лежащие в основе данного класса явлений. Апробация работы Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: 2nd ESMTB School, Siguenza, Spain, 2001; 5th ESMTB conference, Milan, Italy, 2002; 11-той Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование.», Дубна, 2004, Пущино, 2005; III - ем съезде биофизиков России, Воронеж, 2004; семинарах кафедры биофизики Публикации По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из них две в рецензируемом российском журнале, две в ежегодном сб. научных трудов конференции «Математика. Компьтер. Образование, 8 в сборниках тезисов российских и международных конференций. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, содержащих описание методов и результатов работы, обсуждения, выводов, списка литературы. 4. Обзор литературы 1. Структурообразование в различных живых системах; роль в физиологии. Возможные механизмы образования структур Изучение процессов структурообразования в биологических системах уже давно привлекает внимание исследователей. Под процессом структурообразования нужно понимать, например, неравномерное распределение клеток в клеточных культурах, ионных потоков в примембранной области клетки, морфогенов во время клеточного деления. В данной работе будет рассматриваться один из таких процессов - это образование участков (зон), различающихся по значениям рН и трансмембранного потенциала, вдоль внешней поверхности плазматической мембраны живых организмов. В данной главе будут рассмотрены явления неравномерного распределения рН и потенциала вблизи мембраны клеток Acetabularia acetabulum (L.) Silva, Chara corallina, Nitellopsys obtusa, пыльцевой трубки Lilium longiflorum, корня и корневых волосков Trifolium repens, Zea mays, Hordeum vulgare L., Lepidium sativum L., яйцеклетки Pelvetia. Также будет рассмотрена роль такого распределения в процессах роста, откладывания различных веществ, и при заражении растений патогенными бактериями и грибами. Наиболее подробно будут рассмотрены процессы возникновения зон рН и трансмембранного потенциала вдоль мембраны одноклеточных водорослей из семейства Characea {Chara corallina и Nitellopsys obtusa). 1.1. Acetabularia acetabulum (L.) Silva При исследовании зрелых особей морской водоросли Acetabularia acetabulum было показано, что в нормальных условиях в клетке накапливается карбонат кальция. Физиологическая роль этого процесса пока не ясна. Предполагается [Marin A., 1992; Buddemeier R., 1994; Hay M. et al., 1994], что накопление СаСОз связано с запасанием и распределением питательных веществ, конкуренцией за солнечный свет и защитной функцией. Было показано [Marin A., 1992], что СаСОз накапливается в основном в ризоиде и в стебле, небольшая область, близкая к ризоиду и апекс лишены отложений кальция. По предположению многих исследователей, такому неравномерному распределению карбоната кальция в клетке предшествует возникновение кислых и щелочных зон снаружи клеток у молодых особей, то есть СаСОз накапливается внутри клетки в областях щелочных зон. [Borowitzka M., 1987], В клетках Acetabularia исследовались потоки протонов ион-селективным электродом вдоль поверхности клетки в пяти областях (рис.1). Было установлено, что вдоль клетки существуют зоны рН. Видно, что в апикальной части, где не происходит накопления СаСОз, происходит защелачивание. Таким образом, распределение кальция не совпадает с щелочными зонами, как было принято считать. [Borowitzka М, 1987; Fisahn J., 1995; Bouget F. et al., 1996]. Acidic ___ t 2 minutes Extracellular'____ рн Г Alkaline Wean pH: Positions of measurements ol proton Ilux and pH along the stalk Рис. 1. Профиль рН вдоль водоросли Acetabularia acetabulum (L.) Silva. Измерения проводились в пяти областях клетки: 1 - апекс стебля, 2 - 1/3 длины стебля от апекса, 3 - 2/3 длины стебля от апекса, 4 - область, примыкающая к ризоиду, 5 - ризоид Также в экспериментах измерялись скорости выделения кислорода во время фотосинтеза и дыхания. Было получено, что в различных рН зонах скорость разная. Чтобы понять механизм такого распределения, и как оно связано с структурами клетки, Serikawa et al. [2001] изучили активность карбоновой ангидразы. Этот фермент сдвигает равновесие 10 реакции в сторону образования СО2 снаружи клетки, который может свободно диффундировать через мембрану клетки. Для того, чтобы исследовать активность карбоновой ангидразы (КА), ее ингибировали с помощью специальных агентов и смотрели величину потока выделяющегося при фотосинтезе кислорода (пмоль/см с) при рН=7.6 и рН=8.3 раствора. Было показано, что при рН=8.3 в апексе и в основной части стебля, кроме ризоида и области, близкой к нему поток кислорода уменьшался (от 341-г 259 до 66-^-94). Также было установлено, что при рН=7.6 («кислом рН») ингибирование КА на выделении кислорода никак не сказывалось. Исходя из полученных данных можно предположить механизм (рис.2) возникновения неравномерного распределения активности КА. При освещении, в области около ризоида понижается значение рН. Такое локальное закисление способствует сдвигу равновесия реакции в сторону образования СОг, что, как предполагается, приводит к ингибированию КА н++нсо; i^: со2 + н2о н+ н+ КА ризоид апекс Рис. 2. Возможная схема процессов на мембране клетки Acetabularia acetabulum. КА-карбоновая ангидраза В апексе и в остальной части стебля события развиваются в другом направлении. Первичное защелачивание среды за счет потока протонов внутрь клетки, приводит к увеличении концентрации HCOj, что в свою очередь способствует активации КА. Таким образом, с помощью данных предположений можно объяснить, почему при рН=7.б фотосинтетическая активность не понизилась. В данном случае общее закисление 11 приводило к ингибированию КА, но к увеличению концентрации углекислого газа, который нужен для фотосинтеза. Однако возникает вопрос, почему происходит закисление среды в основании клетки и защелачивание апикальной и основной частей? Какие структуры в клетке, каналы или АТФ-азы способствуют такому распределению? Возможно, дальнейшие исследования помогут разобраться в данной проблеме. 1.2. Пыльцевая трубка Lilium longiflorum В отличие от выше рассмотренного организма в растущих пыльцевых трубках Lilium longiflorum исследовали [Feijo J. et al., 1999] внутриклеточное распределение рН. При измерении ионных потоков оказалось, что в проксимальной и апикальной областях трубки поток Н+ направлен внутрь клетки (рис.4), в то время как в остальных областях он направлен во внешнюю среду. Измеренные потоки совпадают с внутриклеточным распределением рН. У трубок длины больше 800 мкм наблюдались незатухающие колебания протонного тока в апикальной области (в зоне втока) в течение часа. урщ . -s-t-т-г Рис. 4. Профиль распределения протонных токов вдоль растущей пыльцевой трубки (800 jum ¦). Чтобы выяснить, связано ли такое внутриклеточное распределение рН с ростом трубки, была рассмотрена зависимость скорости роста от колебаний рН в щелочной зоне внутри клетки (рис.5). Видно, что с повышением рН, скорость роста падает и наоборот. Таким образом можно предположить, что трубка растет за счет «кислого» конца [Feijo J. et al., 1999]. Если за счет кислых зон происходит рост, то внутриклеточные щелочные зоны, по-видимому связаны с активацией актомиозинового комплекса. 12 ,...-¦-.- ¦-¦, . :..ч -v. ,.: ^ ,.,v...-.- ,-- ¦.<»¦¦.¦, т «» ш и; « и' т т т ®г Tim (мс.) 7.Z Рис. 5 Зависимость скорости роста от колебаний рН в щелочной зоне внутри клетки. Время в секундах, скорость роста в мкм ¦ с"', прерывистой линией; профиль рН-сплошной линией Было установлено [Yonezawa N. et al., 1985; Moon A., 1995], что кофилин/актин деполимизирующий фактор (ADF), участвующий в перестройке комплекса, активируется при слабощелочных рН. Также было показано [Kim S. et al, 1993], что этот белок присутствует в пыльцевых трубках многих растений, в том числе и в Lilium, и возможно, он активируется именно в щелочных зонах. Был предложен возможный механизм образования неравномерного распределения рН. Предполагается, [Feijo J. et al., 1995; Pierson E. et al., 1996; Malho R. et al., 1995] что закачка протонов в апексе производится с помощью Са2+ - активируемых протонных каналов. Поток протонов наружу осуществляется за счет работы АТФазы [Sze H., 1985; Al-Awqati Q., 1986; Briskin D., 1992], а в апикальной области фермент ингибируется высокими концентрациями внеклеточного Са2+[Lino В. et al., 1998; Kinoshita Т. et al., 1995]. Таким образом неравномерное распределение потоков протонов может быть связано с физиологией клетки. 1.3. Корневые волоски и корни. Trifolium repens, Zea mays, Hordeum vulgare L., Lepidium sativum L., Nicotiana tabacum var. Havana Известно, что вдоль растущих и развивающихся органов растений существует распределение ионных токов (Jaffe L., 1977; Weisenseel M, 1981). Предполагается, что 13 такое генерирование и распределение ионных потоков играет важную роль в дифференцировке тканей и процессах роста [Mentze J., 1977]. Исследовались корни и корневые волоски Trifolium repens, Zea mays, Hordeum vulgare L [Weisenseel M., 1979; Miller A., 1989; Miller A., 1986]. Было показано, что области входящих и выходящих токов могут не соответствовать морфологически выраженным зонам. Так, в 3-х и7-ми дневных корешках и корневых волосках Hordeum vulgare L , Trifolium repens, Zea mays выделили три основные области распределения ионных потоков: - зона интенсивного втока (4-12 мА/м2), соответствующая зоне корневого чехлика и зоне растяжения - зона противоположно направленного тока (4-6 мА/м2), соответствующая зоне созревания. - зона втока: зона прорастания корневых волосков и небольшая часть зоны созревания (1.5 мА/м2) Для того, чтобы выяснить какие ионы вносят наибольший вклад в эти потоки, меняли ионный состав среды [Miller A., 1989]. Наибольшее влияние на распределение потоков оказало изменение рН раствора. Так, при повышении рН раствора до 7.0 у Hordeum vulgare L величина входящего тока в зоне корневых волосков уменьшалась в два раза, а у Zea mays при понижении рН от 7.0 до 3.0 не только изменялась величина потока, но и происходила инверсия потоков в зонах апекса и созревания (рис. 6) Таким образом исследователи считают, что главной компонентой ионных токов является поток протонов, при этом выходящий ток обусловлен работой помпы [Anderson W., 1977; Raven J., 1976; Weisenseel M., 1979]. Также были исследованы процессы ранения. На корешках Nicotiana tabacum var. Havana было показано [Miller A., 1988], что если осторожно повредить эпидермис в зоне созревания, ток меняет свое направление в месте повреждения и увеличивается (80-90 мА/м2), а во всех остальных зонах его величина падает (2-5 мА/м2). 14 рН=3.0 рН=7.0 mm from Чр 3--. Рис. 6. Профиль ионного тока при разных значениях рН среды на 4-х дневных проросших семенах Zea mays Предполагается, что образование таких областей разнонаправленных потоков играет роль не только в физиологии, но и в экологии растений - в процессе заражения зооспорами патогенных грибов растений. Остается неоспоримым тот факт, что хемотаксис-один из основных механизмов аккумуляции зооспор гриба вокруг корня [Cameron J., 1978; Deacon J., 1993; Zentmyer G., 1961; Meyer A., 1997]. Однако до сих пор не выяснено, выделяемые растениями хемоаттрактанты вызывают направленное движение, или, напротив, способствуют инцистированию зооспор. Более того, с помощью хемотаксиса невозможно объяснить пространственные распределение в аккумуляции зооспор, так как зоны выделения аттрактантов распределены равномерно вдоль всей поверхности корня [GowN. et al., 1999; Hickman С, 1966; Zentmyer G., 1961]. Было показано, что в этом процессе играет большую роль не только химически направленное движение зооспор, но и явление электротаксиса [Morris В., 1992; West P., et al., 2002]. Зооспоры грибов имеют поверхностный заряд, либо «+», либо «-» и аккумулируются в зонах корня, противоположно им заряженных. Если нанести повреждение в области корня, где аккумулируются зооспоры «одного знака», то в месте ранения будут накапливаться зооспоры «другого знака» [West P. et al., 2002]. То есть, в месте повреждения меняется направление тока, а значит и заряд [West P. et al., 2002]. 15 Таким образом, распределение ионных токов вдоль поверхности корня играет важную роль не только в дифференцировке тканей, но, по-видимому, в раневой реакции и процессах заражения патогенными грибами. Механизмы такого распределения пока неизвестны. 1.4 Цитоморфогенез Распределение потенциала и рН вдоль мембраны клетки наблюдается также при прорастании оплодотворенной яйцеклетки некоторых водорослей - зиготы. Были рассмотрены зиготы водорослей Fucus и Pelvetia [Quatrano R., 1978; Gibbon В., 1991]. Полярность зиготы устанавливается сразу после оплодотворения. Было показано, что в областях, где происходит распределение ионных потоков, и начинается формирование полюсов развития. Так, в области, где наблюдается наибольший ток внутрь, будет развиваться ризоид, орган прикрепляющий водоросль к поверхности. Профиль рН вдоль мембраны 3-х дневных эмбрионов Pelvetia измерялся с помощью рН-селективных электродов (рис.7). Профиль рН коррелировал с ионными потоками. Видно, что вдоль основной части ризоида развиваются главным образом щелочные зоны (зоны втока), а в остальной части кислые (зоны оттока). 50 цт , Рис.7. Профиль рН вдоль мембраны зиготы Pelvetia. Области, находящиеся ниже базовой линии -щелочные, выше - кислые, Механизм такого распределения потоков неизвестен. Было показано, что ток протонов внутрь не сопряжен с транспортом анионов (POf, СО*', NO;), и их отток не обусловлен работой помпы, так как при ее ингибировании профиль рН не менялся. 16 Предполагается, что возникновение «кислых» зон связано с переносом в этих областях органических кислот из внутреннего во внеклеточное пространство. Авторы считают, что образование зон рН связано с изменением цитоплазматического рН, которое является одним из важнейших регуляторов процессов, происходящих в клетке [Felle H., 1988; Regula С. et al, 1981., Winkler M. et al., 1980]. В заключение к краткому обзору о распределении рН и потенциала вдоль мембраны клетки или органа растений можно добавить, что исследование механизмов появления такого типа структур и их роли в общей физиологии клетки или органа на описанных выше объектах представляют собой трудности ввиду сложной организации самих объектов, а также малой их изученности. Наиболее исследованным с этой точки зрения являются гигантские клетки водоросли Chara corallina. 1.5 Явление образования чередующихся зон рН вдоль поверхности плазмалеммы клеток Chara corallina.

Список литературы

Цена, в рублях: (при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)	1425

Скачать бесплатно	24237.doc

Найти готовую работу

ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:

Связаться

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ

15.04.24 Задачи, условия и этапы организации экспериментальной работы

15.04.24 Критерии качества преподавания

15.04.24 Категория нормы в обучающей деятельности

Архив материала для курсовых и дипломных работ

Ссылки:

Счетчики:

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.