научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДАПТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПАЛОЧКАХ СЕТЧАТКИ Биология

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДАПТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПАЛОЧКАХ СЕТЧАТКИ»

СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2004, том 18, № 4, с. 339-349

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

УДК 577.352.38

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АДАПТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПАЛОЧКАХ СЕТЧАТКИ

© 2004 г. Р. Р. Юнусов, Г. Р. Каламкаров

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН 117997, Москва, ул. Косыгина, д. 4 Поступила в редакцию 01.06.04 г.

Проведено математическое моделирование процесса световой адаптации палочек сетчатки при включении фонового освещения. Цель работы - рассмотрение вопроса о достаточности известных биохимических механизмов фототрансдукции для адекватного описания процесса световой адаптации, а также изучение вклада отдельных регуляторных механизмов в обеспечение адаптационного процесса. Проведенное исследование показало, что учет в рамках кинетической модели молекулярных механизмов кальциевой регуляции активации гуанилатциклазы и опосредованной рековерином деактивации родопсина позволяет получить адекватное описание кинетики фотоответов палочки в условиях фонового освещения. Было обнаружено, что вклад этих двух процессов в обеспечение световой адаптации неравнозначен. Построенная модель позволяет считать основным механизмом, обеспечивающим световую адаптацию, процесс опосредованной рековерином кальцийзависимой регуляции активности родопсина.

Ключевые слова: математическое моделирование, фототрансдукция, адаптация, кальциевая регуляция.

Зрительные рецепторные клетки (палочки и колбочки) обладают способностью при поглощении квантов света генерировать электрический ответ посредством сложной последовательности ионных и химических реакций (процесс фототрансдукции). Второй важной особенностью фоторецепторов является способность обеспечивать нормальное восприятие света в широком интервале освещенностей. Так, в течение суток уровень освещения может изменяться на несколько порядков. Таким образом, чувствительность (отношение амплитуды фотоответа к интенсивности света) фоторецепторов должна быть нелинейна, чтобы, с одной стороны, регистрировать слабые сигналы, а с другой - не насыщаться при увеличении уровня освещения. Процесс биохимических реакций, обеспечивающий снижение чувствительности при повышении уровня освещения, называется адаптацией.

За последние 30 лет накоплен обширный экспериментальный материал в области изучения механизмов фототрансдукции в зрительных рецепторах. Наибольшие успехи были достигнуты в изучении механизмов одиночных фотоответов. Стала ясной последовательность биохимических реакций, обеспечивающих проведение зрительного сигнала. Однако при рассмотрении кинетических аспектов процесса фототрансдукции часть экспериментальных данных оказывается противоречивой. Хотя не вызывает сомнений то, что известная последовательность реакций фототрансдукции позволяет полностью описать кинетику фотоответа на одиночную вспышку, встает вопрос о достаточности только этих механизмов

для обеспечения адаптационных регуляторных процессов в палочках сетчатки. Этот вопрос все еще является дискуссионным (Burns, Baylor 2001; Calvert et al., 2002): часть авторов полагают, что с помощью известных реакций можно описать не только одиночные фотоответы, но и переходные процессы, происходящие при включении фонового освещения; другие же считают необходимым для этого введение некоторых дополнительных регуляторных механизмов.

В настоящей работе нами проведено математическое моделирование кинетики процесса фототрансдукции. В рамках построенной модели была предпринята попытка описать кинетику переходных адаптационных процессов в палочке сетчатки, используя последние данные о молекулярных процессах, лежащих в основе фототрансдукции.

ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ И РЕШЕНИЕ МОДЕЛИ

Процесс фототрансдукции обеспечивается за счет последовательности биохимических реакций, протекающих в фоторецепторных клетках при поглощении света (рис. 1) (Pugh et al., 1999; Burns, Baylor, 2001; Pugh, Lamb, 1993).

Падающий квант света поглощается интегральным белком родопсином (Mj), что приводит к его активации. Возбужденный родопсин (Mjj) связывается с гетеротримерным белком транс-дуцином (Т), инициируя замену молекулы гуано-зиндифосфата (ГДФ) на а-субъединице трансду-цина на гуанозинтрифосфат (ГТФ). Далее три-

339

5*

цГМ цГМФ

цГМФ цГМФ'

Канал открыт Са2+

4Na+

PYa a -Ta

/ ГТФ4 ГТФ

8

гдф

<

Обменник Ca2+ Ca2+, K+

ГМФ цГМФ

цГМФ

р*

PK P* [р[Ар

Т*а-Ф*

Т*а

Ca2+ • •

Рис. 1. Схема каскада фототрансдукции.

Обозначения: Р - родопсин, Т - трансдуцин, Ф - фосфодиэстераза, ГЦ - гуанилатциклаза, РК - родопсинкиназа, Ар -арестин, Рек - рековерин.

Рек

мер трансдуцина отделяется от родопсина и распадается на Ру-субъединицу и а-ГТФ-субъеди-ницу. а-ГТФ-субъединица трансдуцина обладает способностью связываться со следующим белком цепи фототрансдукции - фосфодиэстеразой (ФДЭ). Таким образом, родопсин каталитически активирует молекулы трансдуцина.

Далее а-трансдуцин связывается с фосфодиэстеразой. Образовавшийся активный комплекс фосфодиэстераза-трансдуцин обладает способностью к гидролизу циклического гуанозинмонофо-сфата (цГМФ) до гуанозинмонофосфата (ГМФ). Известно, что фосфодиэстераза является одним из самых быстрых ферментов (скорость оборота 2600-2900 с-1) (Bruckert et al., 1994). В результате гидролиза внутриклеточная концентрация цГМФ быстро падает.

Уменьшение внутриклеточной концентрации цГМФ влияет на состояние цГМФ-чувствитель-ных ионных каналов, локализованных в клеточной мембране, которые в результате переходят в закрытое состояние (Fesenko et al., 1985; Yau, Baylor, 1989). Это приводит к нарушению баланса ионных токов через клеточную мембрану. В результате клеточная мембрана гиперполяризуется, и, таким образом, в ответ на засветку фоторецеп-

торная клетка генерирует мембранный потенциал, что и является фазой активации фотоответа.

После генерации фотоответа зрительный рецептор должен вернуться к исходному, темново-му состоянию. Поскольку при изменении внутриклеточной концентрации цГМФ новое равновесное состояние между связанной и свободной формой мембранных каналов устанавливается быстро, то для того, чтобы цГМф-чувствитель-ные каналы вернулись в открытое состояние, необходимо просто восстановить темновую концентрацию цГМФ. Этот процесс обеспечивается за счет кальцийзависимого ускорения работы гуа-нилатциклазы (ГЦ).

В темноте постоянная концентрация кальция в клетке поддерживается в виде баланса ионных токов. С одной стороны, кальций поступает в клетку через открытые цГМФ-зависимые каналы. С другой стороны, натрий-кальциевый обменник постоянно откачивает ионы кальция из цитоплазмы в межклеточную среду. Закрытие цГМФ-зависимых каналов при фотоответе приводит к падению внутриклеточной концентрации кальция. В результате снижения концентрации внутриклеточного кальция происходит ускорение синтеза цГМФ гуанилатциклазой.

Однако лишь за счет ускорения синтеза цГМФ невозможно обеспечить восстановление исходного состояния фоторецепторной клетки. Необходимо также остановить процесс гидролиза цГМФ фосфодиэстеразой. Для этого нужно, с одной стороны, деактивировать работающие молекулы фосфодиэстеразы, а с другой - прекратить процесс активации новых молекул этого фермента, продуцируемых возбужденной формой родопсина (метародопсином jj).

Время жизни активной формы родопсина очень велико. Поэтому в фоторецепторах существуют специальные молекулярные механизмы, позволяющие значительно ускорить процесс деактивации родопсина (Pugh et al., 1999). Во-первых, это фос-форилирование родопсина - активный родопсин последовательно фосфорилируется родопсинки-назой (РК). Причем, активность родопсинкиназы регулируется внутриклеточной концентрацией кальция: при уменьшении [Ca2+] процесс фосфори-лирования родопсина ускоряется. Во-вторых, фос-форилированная форма родопсина связывается с белком арестином (Ар), который при этом блокирует каталитические центры родопсина.

Для прекращения гидролитической активности фосфодиэстеразы необходимо обеспечить диссоциацию а-субъединицы трансдуцина от у-субъеди-ницы фосфодиэстеразы, что возможно только после гидролиза связанной с трансдуцином молекулы ГТФ. Причем, гидролитической способностью обладает сама а-субъединица трансдуцина (Pugh et al., 1999).

Таким образом, всю кинетику фотоответа можно разделить на две фазы: активацию, приводящую к гиперполяризации клеточной мембраны, и восстановление, в течение которого мембранный потенциал, снижаясь, приходит к темно-вому значению.

В предыдущей работе (Юнусов, Каламкаров, 2004) нами на основе приведенной схемы была построена математическая модель, описывающая кинетику фотоответов палочки. Однако эта модель была применима только для одиночных фотоответов темновой адаптированной палочки и не рассматривала процесс световой адаптации фоторецепторов, так как в ней не учитывались в полной мере механизмы обратной кальциевой регуляции.

Световая адаптация

Время адаптации фоторецепторной клетки при включении фонового освещения составляет несколько секунд. Соответственно, из всех реакций каскада фототрансдукции определяющую роль в обеспечении световой адаптации могут играть только медленные процессы. Известно, что фаза активации фотоответа протекает в миллисекунд-ном интервале, поэтому для дальнейшего рассмотрения остаются только реакции, обеспечивающие фазу восстановления фотоответа. Вопрос в том,

достаточно ли этих реакций, или же существуют некие дополнительные регуляторные механизмы, которые позволяют палочке снижать чувствительность при увеличении фонового освещения.

Для ответа на поставленный вопрос нами было проведено теоретическое рассмотрение роли различных реакций фазы восстановления фотоответа в обеспечении адаптационных процессов. Восстановление темнового фототока определяется в палочке тремя этапами - деактивацией родопсина и фосфодиэстеразы, а также ускорением синтеза цГМФ гуанилатциклазой. Однако из литературных данных известно, что деактивация фосфодиэстеразы протекает достаточно быстро (Pepperberg et al., 1992; Rieke, Baylor, 1998), и поэтому не оказывает заметного влияния на общую кинетику фототрансдукции. Таким образом, для моделирования процессов световой адаптации

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком