тут * і * – константи.
З врахуванням (5, 6, 10) маємо:
* * (11)
* ** (12)
* (13)
Розв'язуючи (11, 12), при умові, що αо≠0 одержали:
* (14)
* (15)
Розв'язавши (9) з врахуванням (14, 15), одержали:
*
Далі був проведений математичний опис розвитку ембріональної системи за період від 6 до 20 години розвитку після запліднення.
В цьому випадку також використовували рівняння виду (5-10), але тут у=у(τ), а
* (16)
* (17)
* (18)
Підставляючи значення (16) в (17) та (18), одержали:
Коли зробили заміну x=my, то отримали:
*, де *
* (19)
Допустимо, що * Оскільки * то
*
Запишемо:
*
тоді (19) перепишемо у вигляді:
* або *
Ми отримали лінійне диференційне рівняння типу (Корн, Корн, 1984):
* тут *
Розв'язавши його одержали:
*
де * *
Тоді * Аналогічно можна знайти c, f, M і F.
На основі цих моделей можна робити оцінку балансу регуляторних субстратів у бластомерах на протязі інтервалу часу розвитку, який розглядається. Порівняння цих процесів згідно розглянутих моделей у періоди синхронного поділу бластомерів (модель I – до 6 години розвитку), а також, бластуляції і гаструляції (модель II – до 20 години розвитку), вказують на суттєву відмінність їх значення в регуляції раннього ембріогенезу в'юна. Зміна величини у в даній моделі відображає вплив виснаження системи на її продуктивність.
Отримані моделі описують загальні принципи синтезу та використання регуляторних субстратів у процесі раннього ембріогенезу (Санагурський і співавт., 1998).
В останній частині роботи проведено узагальнений структурно-функціональний аналіз зв’язків між процесами на різних рівнях організації біосистем з використанням тріадних взаємодій, оскільки вивчення біологічних систем з позицій їх організації є одним із способів пояснення більшості явищ, що відбуваються в живих організмах на різних рівнях їх існування.
Для опису біологічних структур вибрано підхід, коли відоме число елементів та їх характеристики. Як спосіб ідентифікації були застосовані кореляційні функції (Санагурський, 1998). Таким чином, з певного набору елементів отримували ряд структур (рис. 17), у побудові яких відображаються попарні взаємодії між різними елементами, що включаються в дану систему.
У даній роботі об'єктом дослідження була відкрита система, що розвивається, в розумінні сприйняття, трансформації та генерації постійно діючих збурень. Вона описує абстрактну структурно-функціональну подібність логічній системі, побудовану на теоретичних уявленнях про її організацію. Головною позицією служить поняття про тріадні взаємодії між елементами, що відносяться до системи, яку розглядають на даному рівні організації, оскільки більшість складних явищ можна привести до випадку тріадних взаємодій і до їх результату. Схематично взаємодію на рівні однієї тріади показано на рисунку 17.
У випадку (а) – система є однонаправленою, а у випадку (б) система може приймати різні стани: однонаправлений, рівноважний, або зворотний. Це все залежить від значень Кi і Ki-.
Взаємодії між елементами А, В і С (а) та А1, В1 і С1 (б) (див. рис. 17) можна представити диференціальними рівняннями виду:
для структури (а) для структури (б)
Нестаціонарна поведінка тріадної системи (див. рис.17 (а), (б)) здійснюється за рахунок властивостей її елементів і за рахунок констант взаємодій між ними. Елементи А1, B1 і С1 є матеріальними чи ідеальними носіями існування тріадної системи.
У системі рівнянь (16) і (17) константи Кі відповідають таким, які можна назвати константами взаємодії між елементами Аі, Ві, і Сі. При існуванні певних початкових умов для розв'язання системи рівнянь (16) і (17) можна використати процедуру численного інтегрування, що було реалізовано в роботах (Цимбрик, Санагурський, 2000, 2001). Для того, щоб тріадна структура (див. рис. 17 (а), (6)) виступала позитивною ланкою у складній багаторівневій системі (рис. 18) та, щоб ця структура “працювала” у всіх напрямках і досягала певної мети, у даному випадку необхідне виконання принаймні таких умов:
Кі > 0, Ki – Кі- > 0, УFi ≠ УQi.
На рисунку 18 показана схема, де розглянуто реалізацію взаємодій на молекулярному рівні та інтеграцію їх в структуру вищої організації, яка може бути характерною для біологічних систем.
Елемент 1 на рисунку 18 представляє собою одну тріаду, аналог якої показано на рис. 17 (а) і (б). Невідповідність між F і Q якраз і є головною умовою функціонування системи в розумінні досягнення мети. У загальному випадку структуру, яка показана на рис. 18, можна також описати і дослідити аналогічно системі диференціальних рівнянь (16) і (17), використовуючи ланцюг розв'язків для кожної тріади, розглянутої на попередніх рівнях.
Таку систему можна представити і для вищих рівнів організації (рис. 19). У даному випадку тріада І і II на рис. 19 являє собою узагальнення взаємодій, представлених на рис. 18.
Треба відмітити, що живі системи мають велику множину елементів, а взаємодіють вони між собою у визначені часові інтервали, у певній послідовності та кількісних співвідношеннях. Питання попарного “розпізнавання” елементів між собою, а також, часової організації їх є не вивченим. Проводиться пошук коливних аналогів, які є “зручними” часовими маркерами при реалізації певної процедури чи процедур одночасно на різних рівнях організації живої системи. На рис. 20 представлений графічний аналог біологічної системи з маркерними зонами:
На цьому рисунку (див. рис. 20) показано динамічні характеристики Хn+2 біологічної системи, яка включає Еn+2 елементи на проміжку часу tn+2. Точки А1 та А2, В1 та В2 є маркерними зонами для елементів Е2 та Е5 і відповідно Е1 та Е3. Ці зони є сигналом для взаємного розпізнавання (А1ЛА2), (В1ЛВ2) і подальшої попарної взаємодії із утворенням відповідно нових елементів Et та Eti+n з новими властивостями.
Отже, можна вважати, що такі попарні взаємодії відбуваються з певним набором елементів в різні проміжки часу з утворенням нових компонентів з новими властивостями, які в свою чергу далі шукають своїх “партнерів” на основі маркерного принципу і т. д. Схематично це представлено на рис. 21.
Треба зазначити, що маркерами можуть бути або певні часові інтервали, або певні частотні характеристики коливного процесу, або резонансні взаємодії між компонентами, або певна сукупність факторів, які зумовлюють попарну взаємодію вибраних компонентів у певний час.
Розглянутий в даній роботі підхід (Санагурський, 1997) дає змогу досліджувати відомі у біології феномени, які частково вивчені експериментально, наприклад, ферментативний каталіз чи екологічні системи, й давати їм аналітичну оцінку.
ВИСНОВКИ
У дисертації подано теоретичне узагальнення і нове розв’язання наукової проблеми, що виявляється в з’ясуванні фізико-хімічних механізмів генерації трансмембранного біоелектрогенезу в зародкових об’єктах та механізмів збудження у кишковопорожнинних, у вивченні впливу катіонів важких металів на ці процеси, у кількісній оцінці взаємозв’язків між процесами біоелектрогенезу та енергозабезпечувальними процесами в ранньому розвитку зародкових об’єктів, на підставі чого запропоновано математичні моделі зазначених процесів та проведено структурно-функціональний аналіз поведінки біосистем на різних рівнях їх організації.
1. Встановлено, що катіони важких металів (нікель, кобальт, цинк, олово, марганець та кадмій у концентраціях 10-6 –10-4 М) спричиняють деполяризацію мембран зародкових клітин на 10-30 мВ у зародків в’юна протягом періоду дроблення. При цьому найсуттєвіше зменшення в 1,5-3 рази активності Na+, K+-АТФ-ази виявлено при дії катіонів нікелю та кадмію, що може бути однією з причин зміни мембранного потенціалу. На основі розрахунку коефіцієнтів інгібування І0,5 показано, що чутливість Na+, K+-АТФ-ази до впливу катіонів різних металів зростає від ранніх стадій дроблення бластомерів до більш пізніх.
2. Виявлено зміни параметрів коливної динаміки ТМП зародків в’юна за умов впливу досліджуваних катіонів важких металів, а саме – збільшення періоду коливань в 1,3-2 рази та суттєве зменшення їх амплітуди, що супроводжується відповідним сповільненням клітинних поділів бластомерів. Найбільше період коливань потенціалу змінюється внаслідок впливу катіонів нікелю та кадмію, найменше – при дії катіонів кобальту. Сповільнення розвитку зародків підтверджене дослідженням особливостей морфогенезу личинок в’юна.
3. Електронно-мікроскопічне дослідження ультраструктури бластомерів зародків в’юна показало суттєві структурні пошкодження органел та мембран бластомерів при дії катіонів важких металів.
4. Виявлено ГАМК-рецептори на постсинаптичній мембрані епітеліально-м'язових клітин ектодерми прісноводної гідри. Існування синаптичних контактів між нервовими та епітеліально-м'язовими клітинами гідри підтвердили електронно-мікроскопічні дослідження. Дозозалежне зменшення величини міжпачкового інтервалу та повна його відсутність за впливу бікукуліну в концентрації 15 мкмоль/л свідчить, ймовірно, про гальмівну роль ГАМК-рецепторів у генерації ПЕА епітеліально-м'язовими клітинами гідри.
5. Виявлено АМРА- та NMDA- рецептори в мембрані епітеліально-м'язових клітин прісноводної гідри. Вони відповідають за процеси збудження цих клітин. З'ясовано, що CNQX спричинює повне блокування генерації ПД епітеліально-м'язових клітин, a Dl-APV - часткове. Отже, в мембрані епітеліально-м'язових клітин переважають АМРА-рецептори.
6. Встановлено, що катіони Рb2+ та Hg2+ інгібують спонтанну електричну активність клітин ектодерми гідри. Таке пригнічення, очевидно, пов'язане із здатністю катіонів даних металів порушувати провідність Na+ і К+ та роботу іонної помпи плазматичної мембрани, що беруть участь у генерації ПД. Катіони Mg2+ викликають гіперполяризацію мембрани та пригнічення спонтанної електричної активності.
7. Виявлено достовірні причинно-наслідкові залежності між аперіодичними змінами біоелектричних, енергозабезпечувальних і мембрано-транспортних характеристик у зародків в’юна та шпорцевої жаби, які, очевидно, опосередковуються морфофізіологічними процесами, що відбуваються під час ранніх клітинних циклів у зародках тварин.
8. Співставлення динаміки клітинних процесів у зародків костистої риби в’юна та шпорцевої жаби на стадії дроблення дозволило виявити аналогію часових співвідношень між змінами перерозподілу вмісту K+ і Na+, співвідношенням K+/Na+ у зародках і динамікою ТМП, а також, між змінами деяких характеристик енергетичного метаболізму та змінами біоелектричних характеристик. Ці дані свідчать про те, що динаміка названих процесів у ранньому ембріогенезі тварин не залежить від типу їх дроблення та будови зародків.
9. Математична оцінка параметрів коливної динаміки біоелектричних і метаболічних характеристик зародків в’юна на стадії дроблення показала: близькість періодів коливань (25-35 хв) внутрішньоклітинного Ca2+, ТМП, pHц, активності ізоцитратдегідрогенази та вдвічі зростання періоду коливань активності α-кетоглутаратдегідрогенази в порівнянні з зазначеним періодом. Аналіз даних свідчить про відсутність чіткої синхронності між коливаннями біоелектричних і метаболічних процесів під час розвитку зародків в’юна (в умовах температурного оптимуму 16-21°С), що достовірно (p<0.01) відрізняється від їх динаміки за екстремальних умов розвитку (24° С).
10. Вперше проведено математичне моделювання автоколивних процесів трансмембранного біоелектрогенезу на ранніх стадіях розвитку тварин за допомогою диференціальних рівнянь, які описують згасаючі власні коливання.
11. Запропоновано математичну модель процесів раннього ембріогенезу тварин, яка базується на новому класі динамічних моделей. За використанням цієї моделі описано найбільш важливі процеси розвитку зародків в’юна на основі виявлених достовірних причинно-наслідкових залежностей між динамікою біоелектричних та метаболічних параметрів ембріональних об’єктів. Наведена модель описує загальні принципи синтезу та використання регуляторних субстратів у процесі раннього ембріогенезу.
12. Використання тріадних структур дозволило узагальнити функціональні взаємодії між процесами на молекулярному та вищих рівнях організації біосистем.
СПИСОК ДРУКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Медына И.Р., Стельмах Н.С., Санагурский Д.И., Гойда Е.А. Влияние внеклеточного кальция на уровень и динамику трансмембранного потенциала в раннем развитии вьюна // Онтогенез. – 1987. – Т.18, № 1. – С.91-95.
Тизьо Р.В., Санагурський Д.І., Проць I.О., Баштовий Д.Ю. Роль іонтранспортних систем у генерації спонтанної електричної активності клітинами ектодерми прісноводної гідри Hydra oligactis // Наук. Вісник. Пробл.та персп. розв. ліс.господ. – Вип.9.1. – 1988. – С.77-80.
Гойда Е.А., Медына И.Р., Санагурский Д.И., Стельмах Н.С. Характеристики электрофизиологических параметров мембран эмбриональных клеток вьюна при ингибировании Na+, К+-АТФ-азы // Онтогенез. – 1989. – Т. 20, №2. – С. 164-170.
Санагурський Д.И., Гойда Е.А. Спектральный анализ, как метод идентификации состояния биосистем // В сб. докл. МОИП. – М., 1989. – С.121-127.
Goida Ye.A., Oshchapovskii V.V. and Sanagurskii D.I. A new approach to the evaluation of the relationship of different parameters influencing the dynamics of the transmembrane potential in developing loach embryos // Биофизика. – 1996. – Т.41, №2. – С. 386-389.
Санагурський Д.І. Тріадні взаємодії структурно-функціональний аналог поведінки біологічних систем на різних рівнях їх організації // Актуальні проблеми мед., біол., вет. і с.г. Кн. наук.статей. – Львів, 1997. – Кн.3. – С.78-82.
Тизьо Р.В., Санагурський Д.І., Проць I.О., Баштовий Д.Ю. Зміни параметрів електричної активності клітин ектодерми прісноводної гідри під впливом інгібіторів іонтранспортних систем // Експериментальна фізіологія та біохімія. – 1998. – №2(6). – С.7-10.
Санагурський Д.І. Оцінка динаміки біологічних параметрів за допомогою кореляційних функцій // Актуальні проблеми мед., біол., вет. і с.г. Кн. наук.статей. – Львів, 1998. – Кн.4. – С.237-240.
Санагурський Д.І., Маслій І.В., Гойда О.А., Петрух А.В. Опис деяких процесів раннього ембріогенезу тварин з позицій нового класу динамічних моделей // Актуальні проблеми мед., біол, вет. та с.г. Кн. наук.статей. – Львів, 1998. – Кн.4. – С.240-244.
Бойко Н.М., Санагурський Д.І. Вплив іонів важких металів на динаміку трансмембранного потенціалу зародків риб // Вісн. Харк. ун-ту. Сер. Біофізичний вісник. – 2000. – Вип. 2 (7). – С. 42-46.
Цимбрик А.Є., Санагурський Д.І. Моделювання біосинтезу рибофлавіну та його похідних дріжджами при різних внутрішніх параметрах системи // Вісн. Харк. ун-ту. Сер. Біофізичний вісник. – 2000. – №497. – Т. 2(7). – С.60-65.
Проць I.О., Тизьо Р.В., Санагурський Д.І. Роль глутаматних та ГАМК рецепторів у регуляції електричної активності епітеліально-м’язових клітин Hydra oligactis Pallas // Вісн. Харк. ун-ту. Сер. Біофізичний вісник. – 2000. – №488. – Т. 6 (1). – С.82-85.
Бойко Н.М., Санагурський Д.І. Динаміка трансмембранного потенціалу зародків в’юна в умовах впливу іонів важких металів // Вісн. Львів. ун-ту, Сер. Біол. – 2000. – Вип.25. – С. 3-7.
Цимбрик А., Санагурський Д. Комп'ютерне моделювання та числова оптимізація метаболічних процесів: застосування до біосинтезу флавінових коферментів у дріжджів // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. біологічна. – 2000.– Вип.26. – С.6-14.
Івашків Л., Градюк М., Санагурський Д. Аналіз крос-кореляцій у часових змінах фізико-хімічних показників розвитку зародків в'юна // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. біологічна. – 2001. – №27. – С.3-11.
Маслій І.В., Санагурський Д.І. Математична модель автоколивних мембранозв’язаних процесів на ранніх стадіях ембріогенезу в’юна // Актуальні проблеми мед., біол., вет. і с.г. Сер. Медицина і біологія – Львів, 2001. – С.74-76.
Івашків Л.Я., Градюк М.Б., Санагурський Д.І. Особливості часової організації мембранозв'язаних процесів у ранньому ембріогенезі тварин // Вісн. Харк. ун-ту. Сер. Біофізичний вісник. – 2001. – Т. 1(8), №525. – С.42-50.
Санагурський Д. Інформаційний обмін у системі “біологічний об’єкт – середовище // Форум . – Львів. – 2001.– №1(3). – С. 35-39.
Івашків Л.Я., Гумецький Р.Я., Санагурський Д.І. Дослідження змін фізико-хімічних показників розвитку зародків в'юна методами кореляційного та спектрального аналізів // Вісн. Харк. ун-ту. Сер. Біофізичний вісник. – 2001. – №528. – Т. 2 (9). – С.51-57.
Бойко Н.М., Целевич М.В., Санагурський Д.И. Зміна активності Na+, K+-АТФ-ази мембран зародків в’юна під впливом катіонів важких металів // Зб. наук. праць: Проблеми екол. та мед. генет. і кліт. імунології. – 2002. – Вип. 2 (41). – С. 17-23.
Тарновська А.В., Санагурський Д.І. Вплив іонів кальцію, магнію та високомолекулярних сполук на виживання зародків риб // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. біол. – 2002. – №.31. – С.3-15.
Бойко Н., Целевич М., Санагурський Д. Вплив йонів важких металів на активність Na+, K+-АТФ-ази та динаміку трансмембранного потенціалу зародків в’юна // Вісн. Львів. ун-ту, Сер. Біол. – 2002. – Вип. 29. – С. 25-31.
Івашків Л., Гумецький Р., Санагурський Д. Часові співвідношення динаміки метаболічних та біоелектричних характеристик раннього ембріогенезу в’юна та шпорцевої жаби // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. біол. – 2002. – №.29. – С.15-24.
Хороший П., Стефанків Ю., Санагурський Д. Окислення сукцинату та
α-кетаглутарату в мітохондріях зародків в’юна Misgurnus fossilis на ранніх стадіях розвитку // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. біол. – 2002. – Вип.28. – С.62-69.
Бойко Н.М., Кулачковський О.Р., Ковалишин І.В., Целевич М.В., Санагурський Д.І. Вплив катіонів нікелю та марганцю на ультраструктуру бластомерів зародків в’юна // Вісн. Харк. ун-ту. Сер. Біофізичний вісник. – 2002. – Вип. 1 (10). – С. 62-67.
Маслій І., Санагурський Д. Системний підхід до аналізу мембранопов’язаних процесів у період раннього ембріогенезу риб // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. біол. – 2002. – Вип. 31. – С.16-21.
Івашків Л.Я., Санагурський Д.І., Рибальченко Т.В. Дослідження крос-кореляцій між змінами фізико-хімічних показників розвитку зародків X. laevis у період синхронних дроблень // Вісн. КНУ ім. Т. Шевченка. Проблеми регуляції фізіологічних функцій. – 2002. – №.8. – С.24-28.
Маслій І.В., Санагурський Д.І. Особливості формування трансмембранного потенціалу в період раннього ембріогенезу в’юна // Фізика живого (Біофізика і далі). – Т.11. – №1. – 2003. – С. 72-79.
Гойда Е.А., Санагурский Д.И., Медына И.Р., Стельмах Н.С. Влияние оуабаина на динамику трансмембранного потенциала у развивающихся зародышей вьюна // Материалы VII Всесоюзн. совещ. эмбриологов. – Ленинград. – М.: Наука, 1986. – Сб. МОИП. – С.52.
Медына И.Р., Гойда Е.А., Санагурский Д.И., Стельмах Н.С. Проводимость мембран зародышей вьюна в период дробления // Материалы VII Всесоюзн. совещ. эмбриологов. – Ленинград. – М.: Наука, 1986. – Сб. МОИП. – С.61.
Медына И.Р., Санагурский Д.И., Стельмах Н.С., Гойда Е.А. Влияние внеклеточного кальция на ионную проводимость мембран в раннем развитии вьюна // Сб. Структурные особенности и функциональные свойства биологических систем М.: Наука, 1987. – C.70-72.
Тизьо Р.В. Баштовий Д.Ю. Демчук В.Л., Санагурський Д.І. Генерація спонтанної електричної активності клітинами ектодерми прісноводної гідри // Збірник тез доповідей II з’їзду Українського біофізичного товариства. – Харків. – 1998. – С.73.
Гойда О.А., Маслій І.В., Санагурський Д.І. Опис процесів раннього ембріогенезу з позицій нового класу динамічних моделей // Збірник тез доповідей II з’їзду Українського біофізичного товариства. – Харків. – 1998. – С.168.
Ivashkiv L., Humetskyi R., Sanagurskyi D. Analysis of the dynamics of the physical-chemical characteristics during early embryogenesis of loach under cytostatic and temperature influence // 4th Parnas Conference “Molecular mechanisms of cell activation: biological signals and their target enzymes”. – Wroclaw. – 2002. – P.63.
Бойко Н.М., Санагурський Д.І. Вплив катіонів важких металів на електрофізіологічні параметри мембран зародків в’юна // Збірник тез доповідей IIІ з’їзду Українського біофізичного товариства. – Львів. – 2002. – С. 248.
Івашків Л.Я., Гумецький Р.Я., Санагурський Д.І. Аналіз динаміки фізико-хімічних характеристик раннього ембріогенезу в’юна при цитостатичних та температурних впливах // Збірник тез доповідей IIІ з’їзду Українського біофізичного товариства. – Львів. – 2002. – C.153.
Маслій І.В., Санагурський Д.І. Системний аналіз коливних процесів в період раннього ембріогенезу риб // Збірник тез доповідей IIІ з’їзду Українського біофізичного товариства. – Львів. – 2002. – С.164.
Тарновська А.В., Санагурський Д.І. Особливості зміни фракційного складу ліпідів зародків в’юна під впливом іонів кальцію та магнію // Збірник тез доповідей IIІ з’їзду Українського біофізичного товариства. – Львів. – 2002. – C.149.
Цимбрик А., Санагурський Д. Математичне моделювання біосинтезу рибофлавіну та флавінових коферментів: відтворення IN MODEL динаміки процесу у дріжджів Pichia Guilliermondi // Збірник тез доповідей IIІ з’їзду Українського біофізичного товариства. – Львів. – 2002. – С.161.
Бойко Н.М., Целевич М.В., Кулачковський О.Р., Ковалишин І.В., Санагурський Д.І. Ультраструктура бластомерів зародків в’юна за умов впливу катіонів важких металів // Матеріали міжнародної конференції пам’яті Шостаковської І.В. – Львів, 2002. – С.13.
АНОТАЦІЇ
Санагурський Д.І. Трансмембранний біоелектрогенез: модифікуючі впливи на нього, структурно-функціональний аналіз і моделі. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.02 – біофізика. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2003.
Дисертацію присвячено проблемі з’ясування механізмів трансмембранного біоелектрогенезу зародкових клітин та епітеліально-м’язових клітин ектодерми гідри. Встановлено, що за умов впливу катіонів важких металів у концентраціях від 10-6 до 10-4 М на ранній ембріогенез в’юна відбуваються дозозалежні зміни електрофізіологічних та фізико-хімічних параметрів (деполяризація, зниження активності Na+, K+-АТФ-ази) мембран бластомерів в’юна та значні ультраструктурні зміни органел цих клітин. Зменшення амплітуди та частоти коливань ТМП супроводжується сповільненням розвитку зародків, що підтверджено морфогенетичним аналізом личинок в’юна.
Одержано електрофізіологічні докази наявності ГАМК- та глютаматних рецепторів на плазматичній мембрані епітеліально-м'язових клітин ектодерми прісноводної гідри та з’ясовано їх роль у процесах збудження досліджуваних клітин. Виявлено, що катіони Pb2+ та Hg2+ інгібують спонтанну електричну активність клітин ектодерми гідри, а під дією катіонів Mg2+ відбувається гіперполяризація мембрани та збільшення амплітуди потенціалу дії.
Встановлено подібність часових взаємозв’язків між динамікою біоелектричних, енергозабезпечувальних і мембрано-транспортних процесів у ранньому ембріогенезі в’юна та шпорцевої жаби та їх незалежність від типу дроблення й будови зародків цих тварин. Отримано нові дані про принципи часової організації клітинних процесів у період дроблення зародків холоднокровних тварин.
Запропоновано різні підходи до моделювання трансмембранного біоелектрогенезу на ранніх стадіях розвитку тварин. Запропоновано математичні моделі змін мембранного потенціалу на ранніх стадіях ембріогенезу в’юна, розвитку ембріональної системи та узагальнено функціональні взаємодії між процесами на різних рівнях організації біосистем з використанням тріадних структур.
Ключові слова: в’юн, шпорцева жаба, гідра, дроблення, трансмембранний потенціал, активність Na+, K+-АТФ-ази, глютаматні та ГАМК- рецептори, іони важких металів, ультраструктура, часова динаміка, моделі.
Санагурский Д.И. Трансмембранный биоэлектрогенез: модификационные влияния на него, структурно-функциональный анализ и модели. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени доктора биологических наук по специальности 03.00.02 – биофизика. – Киевский национальный университет имени Тараса Шевченка, Киев, 2003.
Диссертация посвящена проблеме исследования трансмембранного биоэлектрогенеза эмбриональных клеток (вьюна) и эпителиально-мышечных клеток эктодермы гидры: модификационным влияниям на него, структурно-функциональному анализу и моделям. Установлено, что в условиях влияния катионов тяжелых металлов (никеля, кобальта, цинка, олова, марганца и кадмия в концентрациях 10-6 и 10-4 М) на ранний эмбриогенез вьюна происходит зависимая от концентрации тяжелых металлов деполяризация мембраны бластомеров на 10-30 мВ. При этом амплитуда колебаний мембранного потенциала уменьшается, а период колебаний – увеличивается, что свидетельствует о замедлении развития зародышей. Больше всего период колебаний потенциала изменяется вследствие влияния ионов никеля и кадмия, меньше всего – при действии ионов кобальта. В этих же условиях выявлено снижение активности Na+, K+-АТФ-азы мембран зародышей вьюна в 1,5-3 раза, которое может быть одной из причин изменений мембранного потенциала. Эти изменения электрофизиологических и физико-химических показателей существенней наблюдаются, зависимо от концентрации, при действии катионов никеля и кадмия – по сравнению с контрольными параметрами. Показано, что влияние катионов тяжелых металлов приводит к значительным ультраструктурным изменениям органелл бластомеров зародышей вьюна, а также, к значительному отставанию в развитии и появлению разных аномалий у личинок вьюна. Замедление развития установлено также при исследовании морфогенеза личинок вьюна.
Выявлены ГАМКA-рецепторы на постсинаптической мембране эпителиально-мышечных клеток эктодермы гидры. Это подтверждено полученными электронно-микроскопическими доказательствами существования синаптических контактов между нервными и эпителиально-мышечными клетками гидры. Дозозависимое уменьшение величины интервала между пачками электрической активности эпителиально-мышечных клеток гидры и полное его отсутствие при влиянии бикукулина в концентрации 15 мкмоль/л свидетельствует, вероятно, о тормозной роли ГАМКА-рецепторов в генерации электрической активности эпителиально-мышечных клеток гидры.
Выявлены АМРА- и NMDA- рецепторы в мембране эпителиально-мышечных клеток гидры и выяснено, что они отвечают за процессы возбуждения в этих клетках. Показано, что CNQX вызывает полное блокирование генерации потенциалов действия эпителиально-мышечных клеток, a Dl-APV - частичное. Полученные результаты свидетельствуют, что в мембране эпителиально-мышечных клеток преобладают АМРА-рецепторы.
Установлено, что катионы Рb2+ и Hg2+ ингибируют спонтанную электрическую активность клеток эктодермы гидры. Катионы Mg2+ вызывают гиперполяризацию мембраны и увеличение амплитуды потенциала действия мембран клеток эктодермы гидры.
Выявлены достоверные причинно-следственные зависимости между апериодическими изменениями биоэлектрических, энергообеспечиваемых и мембрано-транспортных характеристик у зародышей вьюна и шпорцевой лягушки, которые, очевидно, опосредствуются морфофизиологическими процессами, что происходят во время ранних клеточных циклов в зародышах животных.
Сравнительным анализом временных соотношений между изменениями биоэлектрических, энергообеспечиваемых и мембрано-транспортных процессов на стадии дробления у зародышей вьюна и шпорцевой лягушки установлено сходство временной организации названных процессов в раннем эмбриогенезе животных разных систематических групп. То есть, динамика этих процессов не зависит от типа дробления и строения зародышей исследованных животных. Получены новые данные о принципах временной организации клеточных процессов в период дробления зародышей холоднокровных животных.
Проведено математическое моделирование автоколебательных процессов трансмембранного биоэлектрогенеза на ранних стадиях развития животных при помощи дифференциальных уравнений, которые описывают затухающие собственные колебания.
Предложена математическая модель процессов раннего эмбриогенеза животных исходя из позиций нового класса динамических моделей, с помощью которой сделана попытка представить описание наиболее существенных процессов развития зародышей вьюна на основе выявленных достоверных причинно-следственных зависимостей между динамикой биоэлектрических и метаболических параметров эмбриональных объектов. Полученные модели описывают общие принципы синтеза и использования регуляторных субстратов в процессе раннего эмбриогенеза. Проведены обобщения функциональных взаимодействий между процессами на молекулярном и высших уровнях организации биосистем с использованием триадных структур.
Ключевые слова: вьюн, шпорцевая лягушка, гидра, дробление, трансмембранный потенциал, активность Na+, K+-АТФ-азы, глутаматные и ГАМК- рецепторы, ионы тяжелых металлов, ультраструктура, временная динамика, математические модели.
Sanagurskyi D.I. The transmembane bioelectrogenesis: modifying influences on it, structurally functional analysis and models. - Manuscript.
Thesis for a scientific degree of the Doctor of Biological Sciences by speciality 03.00.02 - biophysics. – Taras Shevchenko National University of Kiev, Kiev, 2003.
The dissertation is devoted to a problem of the transmembane bioelectrogenesis: modifying influences on it, structurally functional analysis and models.
It is shown, that presence in the incubatory environment of bivalent ions of heavy metals: nickel, cobalt, tin, zinc, manganese and cadmium in concentration 10-6 - 10-4 M conduct to occurrence of changes in dynamics of transmembrane potential of loach embryos. It is established, that depolarization of membrane of loach embryo under the conditions of influence of heavy metal ions is caused by decrease of activity of Na+, K+-АТPase owing to action of these ions. It is shown, that influence of heavy metal ions causes occurrence of ultrastructural changes in loach embryos. Significant damages of organelles of blastomers, in particular, a hypostasis of mitochondria, a hypertrophy of Golgy complex, rarefaction of hyaloplasm, loosening and breaks of mitochondria and plasmatic membranes are revealed.
Analysis of dynamics of electrical parameters of Hydra ectoderm cells the influence of heavy metal ions was carried out. Electrophysiological confirmation of presence of GABA and glutamate receptor on the postsynaptic membrane of epithelial-muscle cells of Hydra oligactis P. Ectoderm was achieved. The GABA receptors participate in the inhibition of electrical activity, while AMPA and NMDA – in excitation processes.
The new data on principles of cells processes temporary organization under normal and extreme conditions of development during cleavage of embryos animals are received. The similarity of this organization during the early embryogenesis of different animals regular groups (fishes and amphibians) and its independence from a type of cleavage and structure of these animal embryos is established.
The mathematical model of autooscillatory processes at early stages of embryogenesis of loach with use the differential equations, which describe fading own fluctuations. The mathematical model of processes of early animal embryogenesis from positions of a new class of dynamic models for the first time is offered, with which help the attempt is made to present the description of the most essential processes of development of embryo, which can be used in biophysical and physiological researches. The triad model is offered, which describe behavior of biosystems at different levels of their organization.
Key words: loach, Xenopus laevis, hydra, cleavage, transmembrane potential, activity of Na+, K+-АТPase, glutamate receptors, GABA receptors, ions of heavy metals, ultrastructure, temporal dynamics and mathematical model.
| 
