Моделирование пространственно-временной гетерогенности вблизи клеточной мембраны

Процессы фотосинтеза, происходящие в фотосинтетической мембране, вызывают в растительной клетке целый каскад ионных потоков через субклеточные и клеточные мембраны. В цитоплазматической мембране возникают колебания мембранного потенциала, а во внешней среде вблизи клеточной стенки – зоны различной кислотности, по-видимому, играющие важную роль в ростовых процессах и общем метаболизме клетки. Уникальным объектом, на котором можно наблюдать такие зоны, являются гигантские водоросли Nitella  и Chara corallina, длина одной клетки которых может достигать 10 см.

Экспериментально эти структуры наблюдают у нас на кафедре профессор Александр Александрович Булычев и к.б.н. Александр Александрович Черкашин. Работа ведется в сотрудничестве с Магдебургским университетом, лаб. проф. Штефана Мюллера (Германия).

Мы занимаемся моделированием этих процессов с помощью нелинейных уравнений, переменными в которых являются потенциал на клеточной мембране и концентрации протонов снаружи и внутри клетки. Эксперимент и модели направлены на изучение свойств проводимости ионных каналов, взаимодействия процессов на уровне хлоропластов (фотосинтез) и клетки -  ионные потоки, диффузия протонов, циклозис, динамика потенциала на клеточной мембране,  регуляторная роль Ca.

Иллюстрации:

Схема строения клетки водоросли Chara corallina.

После включения освещения вблизи клеток Chara corallina происходит формирование кольцевых зон рН. Окрашивание феноловым красным; рН среды 6.5, рН щелочных зон ~8.5.

Схема процессов вблизи клеточной мембраны водоросли Chara corallina.
0) Свет инициирует процессы фотосинтеза, рН тилакоида понижается
1) рН в строме хлоропласта повышается
2) Повышение рН в строме хлоропластов инициирует поток протонов из цитоплазмы
3) Поток протонов из цитоплазмы приводит к повышению рН цитоплазмы и деполяризации мембранного потенциала
4) Увеличение потока протонов через каналы на плазматической мембране
5) Увеличение потока протонов через каналы приводит к понижению рН цитоплазмы
6) Увеличение протонного потока через АТФ-азу
7) Увеличение потока протонов через АТФ-азу приводит к понижению рН снаружи клетки и гиперполяризации мембранного потенциала
8) Увеличение протонного потока через каналы. Цикл повторяется (со стадии 5)

Основные уровнения математической модели процессов, приводящих к формированию зон с различным pH.

Фазовый портрет системы показывает существование устойчивого и неусточивого предельных циклов  в модели мембранных процессов  в клетке водоросли Chara corallina.

Работы ведут доцент к.ф.-м.н. Татьяна Юрьевна Плюснина, к.б.н. Анастасия Игоревна Лаврова в сотрудничестве с МФТИ (проф. Алексей Иванович Лобанов) и Институтом физики РАН (д.ф.м.н. Андрей Александрович Полежаев, к.ф.-м.н. Андрей Александрович Колобов).

Сектор информатики и биофизики сложных систем