Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Математическая модель энзимопатий эритроцитов человека

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Плотников, Андрей Георгиевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Общие сведения об эритроците человека.

2. Ионный транспорт в эритроцитах человека.

3. Энергетический метаболизм эритроцита и его регуляция.

4. Аденилатный метаболизм.

5. Наследственные гемолитические анемии, обусловленные дефицитами 17 ферментов эритроцитов человека.

6. 2,3 ДФГ и его физиологическое значение.

7. Обзор известных математических моделей метаболизма эритроцитов. 25 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

1. Ионный баланс и объем эритроцита.

2. Энергетический метаболизм.

3. Метаболизм аденилатов.

4. Расчет средней активности в случае нестабильности фермента

5. Влияние 2,3 ДФГ на связывание гемоглобина с кислородом. 42 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ. 43 РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Динамическое поведение модели.

2. Моделирование экспериментальных данных полученых при исследо- 44 вании энергетического и аденилатного метаболизмов эритроцита.

3. Анализ связи дефицитов ферментов гликолиза с наследственными 51 гемолитическими анемиями.

4. Роль 2,3 ДФГ в энергетическом метаболизме эритроцита.

5. Механизм увеличения количества 2,3 ДФГ в условиях гипоксии.

6. Дефициты ферментов 2,3 ДФГ шунта и их влияние на 67 жизнеспособность организма.

ОБСУЖДЕНИЕ.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Математическая модель энзимопатий эритроцитов человека"

Актуальность темы.

Гемолитические анемии, обусловленные дефицитами ферментов энергетического и редокс метаболизма гликолиза в эритроцитах, являются широко распространенными заболеваниями. Так, среди курдских евреев дефицит глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы встречается с частотой 60%, среди •американских негров с частотой 16%, среди азербайджанцев с частотой 11%. По данным Всемирной Организации Здравоохранения недостаточностью глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы страдают, по меньшей мере, 400 млн. человек [50].

Дефициты других ферментов встречаются реже, но тоже достаточно часто. Естественно полагать, и это общепринятая точка зрения, что нехватка фермента нарушает нормальное функционирование метаболического пути, в который он входит. Однако во многих случаях дефицитов не ключевых ферментов снижение активности кажется явно недостаточным, чтобы нарушить нормальный метаболизм. Рассмотрим, например дефицит триозофосфатизомеразы.

В норме активность триозофосфатизомеразы превышает скорость гликолитического потока более, чем в 1000 раз. У больных с дефектным ферментом активность триозофосфатизомеразы снижается не более чем в 20 раз. Очевидно, что 20 кратное снижение активности этого фермента не должны серьезно влиять на гликолиз, так как активность фермента остается все еще примерно в 50-100 раз выше скорости гликолитического потока. В связи с этим возникает вопрос, насколько вероятно, что наблюдаемый дефицит действительно является причиной анемии.

Поэтому для правильного понимания патогенеза в случае гемолитических анемий, обусловленных дефицитами ферментов гликолиза, необходима математическая модель, описывающая основные метаболические системы эритроцита: ионный гомеостаз, энергетический и аденилатный метаболизм.

Для анализа нарушений метаболизма эритроцита в случае дефицитов ферментов дифосфоглицератного шунта необходимо правильное понимание физиологической функции дифосфоглицератного шунта. В настоящее время существуют две гипотезы о функции дифосфоглицератного шунта в эритроцитах человека. Первая гипотеза самая распространенная [13]. Согласно этой гипотезе функцией дифосфоглицератного шунта является увеличение 5 уровня 2.3 дифосфоглицерата при адаптации к гипоксии. Согласно второй гипотезе функцией дифосфоглицератного шунта является стабилизация энергетического метаболизма эритроцита в случае сильных энергетических и окислительных нагрузок [1,80,81]. Обе эти гипотезы требуют тщательного исследования. К тому же, механизм роста 2,ЗДФГ в условиях адаптации к гипоксии в высокогорье до настоящего времени известен не был [13].

Таким образом, актуальность темы исследования определяется необходимостью правильной интерпретации данных о степени тяжести патологического процесса в случае гемолитических анемий, сопряженных с дефицитами ферментов гликолиза и дифосфоглицератного шунта. 6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Дели работы.

1. Построение математической модели энзимопатий эритроцитов человека и исследование с ее помощью связи дефицитов ферментов гликолиза с наследственными гемолитическими анемиями человека.

2. Выяснение с помощью математической модели роли 2,3 дифосфоглицератного шунта в регуляции метаболизма эритроцита и адапатации организма к условиям гипоксии.

Задачи работы.

1). Построение математической модели, описывающей ионный обмен, энергетический, аденилатный метаболизм в эритроцитах человека, а так же процессы взаимодействия гемоглобина с 2,3 дифосфоглицератом и кислородом.

2). Расчет граничных значений активностей ферментов гликолиза. Сопоставление расчетных значений с клиническими данными.

3). Изучение роли 2,3 дифосфоглицератного шунта в адаптации организма к условиям гипоксии и в регуляции метаболизма эритроцита.

Научная новизна.

1). Впервые построена математическая модель, описывающая ионный обмен, энергетический, аденилатный метаболизм в эритроцитах человека с учетом процесса взаимодействия гемоглобина с 2,3 дифосфоглицератом и кислородом.

2). Рассчитаны граничные значения активностей ферментов гликолиза эритроцитов с дефицитом фермента. Полученные данные использованы для анализа роли дефицитов ферментов при гемолитических анемиях. Показано, что в случае дефицитов фосфогексоизомеразы, фосфофруктокиназы, триозофосфат-изомеразы и фосфоглицераткиназы причиной гемолиза является не снижение активности фермента, а нестабильность мутантного фермента.

3) Показано, что 2,3 дифосфоглицератный шунт играет важную роль в энергетическом метаболизме эритроцита. Роль этого шунта проявляется более значительно при сильных кратковременных энергетических и окислительных нагрузках.

4) Предложен механизм увеличения количества 2,3 дифосфоглицерата в эритроцитах человека при адаптации к гипоксии. Согласно предложенному механизму при снижении концентрации кислорода в крови увеличивается доля Т - формы гемоглобина, которая имеет более высокое сродство к дифосфоглицератам. Связывание 2,3 дифосфоглицерата Т- формой гемоглобина приводит к уменьшению концентрации свободного 2,3 дифосфоглицерата. Это приводит в свою очередь к активации дифосфоглицерат-мутазы и росту суммарной концентрации 2,3 дифосфоглицерата.

5) Рассчитана величина эффекта увеличения количества кислорода, переносимого с кровью, обусловленного увеличением количества 2,3 дифосфоглицерата при адаптации к гипоксии. Она составляет 7% при снижении парциального давления кислорода в воздухе вдвое.

Практическая ценность работы.

Проведенное исследование позволяет лучше понять причины и ход болезни в случае дефицитов ферментов гликолиза в эритроцитах человека. Кроме того, построенная модель позволяет прогнозировать кинетику изменения концентрации 2,3 дифосфоглицерата при снижении концентрации кислорода в крови. Результаты работы найдут применение в биофизике, биохимии и клеточной физиологии, а так же в практической медицине.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Плотников, Андрей Георгиевич

ВЫВОДЫ

1. Построена количественная математическая модель метаболизма эритроцита человека, включающая в себя описание взаимодействия гемоглобина с кислородом и дифосфоглицератом, энергетический, аденилатный, ионный обмены. Рассчитаны граничные значения активностей ферментов гликолиза. Показано, что в случае дефицитов гексокиназы, альдолазы, енолазы и пируваткиназы причиной анемии является снижение активности мутантного фермента до граничного значения, а в случае дефицитов фосфогексоизомеразы, фосфофруктокиназы, триозофосфат-изомеразы и фосфоглицераткиназы причиной гемолиза является нестабильность мутантного фермента.

2. Рассмотрена кинетика 2.3 дифосфоглицерата в эритроцитах человека в норме и при адаптации к гипоксии. Модель хорошо описывает увеличение концентрации 2,3 дифосфоглицерата при адаптации к гипоксии. Модель показывет, что при снижении парциального давления кислорода в воздухе вдвое, увеличение эффективности транспорта кислорода за счет дифосфоглицератного шунта составляет 7%.

3. При помощи модели показано, что 2,3 дифосфоглицератный шунт играет важную роль в энергетическом метаболизме эритроцита. Особенно заметно роль дифосфоглицератного шунта проявляется при сильных кратковременных энергетических и окислительных нагрузках.

Выражаю признательность Атауллаханову Ф.И. и Витвицкому В.М. за интересную работу и научное руководство, Мартынову М.В. за многолетнее сотрудничество и помощь.

Я так же глубоко благодарен моим родным, без поддержки которых эта работа не могла бы быть завершена.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Плотников, Андрей Георгиевич, Москва

1. Атауллаханов Ф.И., (1982). Регуляция метаболизма в эритроцитах. Докторская диссертация. М.

2. Атауллаханов Ф.И., Буравцев В.Н., Витвицкий В.М., Дибров Б.Ф., Жаботинский A.M., Пичугин А.В., Холоденко Б.Н., Эрлих Л.И. (1980). Биохимия 45, 817-820.

3. Атауллаханов Ф.И., Витвицкий В.М., Жаботинский A.M., Пичугин А.В., Платонова О.В., Холоденко Б.Н., Эрлих Л.И. (1978). Биофизика, 23, 1029-1033.

4. Атауллаханов Ф.И., Витвицкий В.М., Жаботинский A.M., Холоденко Б.Н., Эрлих Л.И. (1977). Биофизика 22, 483-488.

5. Атауллаханов Ф.И., Витвицкий В-М., Комарова C.B., Мошаров Е.В. (1996). Биохимия 61, 197-203.

6. Атауллаханов Ф.И., Витвицкий В.М., Лисовская И.Л., Тужилова Е.Г. (1994). Биофизика 39, 672-680.

7. Агаджанян Н.А., Елфимов А.И. (1986) Функции организма в условиях гипоксии и гиперкапнии, М., Медицина.

8. Бадальян Л.О., Бондаренко Е.С., Емельченко Г.В., Идельсон Л.И, Ситников В.Ф., КрафтИ.О., Клиническая медицина 48, 8 (1970) 156-163.

9. Лисовская И.Л, Атаулаханов Ф.И., Тужилова Е.Г., Витвицкий В.М. (1994). Биофизика 39, 893-901.

10. Мартынов М.В.(1999) Математическая модель стабилизации объема в эритроцитах человека. Канд. дис., М.

11. Мороз И.А., Атауллаханов Ф.И., Кияткин А. Б., Пичугин А.В., Витвицкий В.М. (1989) Биолог. Мембр. 6, 409-419.

12. Орлов С.Н., Покудин Н.И., Аль-Раби Л.С., Брусованик В.И., Кубатиев А. А. (1993). Биохимия 58, 866-873.

13. Страйер Л. (1984), Биохимия, М.,Мир.

14. Уайт А., Хендлер Р, Смит Е. Л., Хилл Р., Леман И. (1981), Основы биохимии, Мир, Москва.

15. Эрлих Л.И., Атауллаханов Ф.И., Витвицкий В.М., Жаботинский А.М., Пичугин A.B., Холоденко Б.Н., Изв.АН СССР, (1985), 5, сер.биол.,М., 754-766

16. Ataullakhanov F.I., Vitvitsky V.M., Zhabotinsky A.M., Pichugin A.V., Platonova O.V., Kholodenko B.N., Ehrlich L.I., (1981), Eur. J. Biochem., 115, 359-365.

17. Ataullakhanov, F.I., Komarova, S.V. & Vitvitsky, V.M. (1996). JTB, 179, 75-86.

18. Atkinson DE (1968). Biochemistry, 7, 4030-4034.

19. Benos D.J., TostesonD.C. (1980). BBA, 601, 167-179.

20. Brewer G.J.Q974) in Red Blood Cell, N.Y., Acad.press., 387-433.

21. Beutler E. (1975). Red Cell Metabolism. Grune & Stratton, New York.

22. Beutler E., Carson D., Dannawi H., Forman L (1983), J. Clin. Invest. 72 648-655.

23. Beutler E., Dymen P.G., MatsumotoF., (1978), Blood 51 935-940.

24. Beutler E., Hemolytic anemia in disorders of red cell metabolism, Plenum Medical Book Company, New York, 1978.

25. Bianchi M., Magnani M.(1995). Blood Cells Mol. Dis., 21(1), 2-8.

26. Bonting, S.L. (1970). In: Membranes and Ion transport. Ed. E.E. Bittar. London: Wiley Interscience. 1, 257-363.

27. BrumenM, Heinrich R.(1984). Biosystems 17, 155-169.

28. Canham P.B., Burton A.C. (1968). Circ. Res. 22, 405-422.

29. Canham, P.B. (1969). Circ. Res. 25, 39-48.

30. Cartier P., Leroux J.-P., Balsan S., Rover P., Clin. Chim. Acta 29 (1970) 261-271.

31. Cera Di (1987), Biochemistry 26, p.4003-4008.

32. Cooney D.O. (1976). In: Biomedical Engeneering Principles. Marcel Dekker, Inc; NewYork; Basel

33. Dean, B. M. & Perrett, D. (1976). Biochim. Biophys. Acta 437, 1-15.

34. Eber S.W., Pekrun A., Bardosi A., Gahr M„ Krietsch W.K.G., Kruger J., Matthei R., Schröter W., Eur. J. Pediatr. 150 (1991) 761-766.

35. Ericsson F., Calmark B., Eliasson K. (1981). Acta Med. Scand. 209, 439-444.

36. Etiemble J., Kahn A., Boivin P. Bernard J.F., Goudemand M., Hum. Genet. 31 (1976) 83-91.

37. Funder, J.O. Wieth, Scand. J. Clin. Lab. Invest. 18 (1966) 167-180.

38. Galanello R., Cipollina M.D., Carboni G., Perseu L., Barella S., Corrias A., Cao A.(1999) Eur J Pediatr., 158(11), 914-6.

39. Galanello R„ Loi D., Sollaino C, Dessi S., Cao A., Melis M.(1998) Hum. Mutat. 12(1), 72-3.

40. Garby L., Meldon J.(1977), The respiratory Functions of Blood, Plenum.

41. Ghidini A., Korker V.L., Bianchi M., Crinelli R., Serafini G., Giammarini C., Magnani M.(1997). Biochim. Biophys Acta 1360(3), 211-21.

42. Gear C.W., Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1971.

43. Goryanin I., Dbsolve: BioThermoKinetics of the Living Cell (Proceedings of the 7-th international meeting on Biothermokinetics, August 22-26, 1996, Louvain-la-Neuve, Belgium) BioThermoKinetics Press, Amsterdam, 1996, pp. 252-253.

44. Guyton A.C. (1971). In: Textbook of Medical Physiology, Philadelphia PA, Saunders.

45. Halperin J.A., Brugnara C., Kopin A.S., Ingwall J., Tosteson D.C., J. Clin. Invest. 80 (1987) 128-137.

46. Hollan S., Fujii H., Hirono A., Hirono K., Karro H., Miwa S., Harsanyi V., Gyodi E., Inselt-Kovacs M., Hum. Genet. 92 (1993) 486-490.

47. Holzhutter H.G., JacobashG, Bisdorff A. (1985) Eur. J. Biochem. 149(1), 101-11.

48. Iiiner, H. & Shires, G. T. (1982). Circ. Shock. 9, 259-267.

49. Jacobasch G., Minakami S., Rapoport S.M.; University of Tokyo Press, Tokyo, 1974, 55-92.

50. Jacobash G.S., Rapoport S.M.(1996) Mol. Aspects Med. 17(2), 143-70.

51. Jacobsson E. (1980). Am. J. Physiol. 238(Cell Physiol. 7), C196-C206.

52. Joshi A., Palsson B.O, J. theor. Biol. 141 (1989) 515-528.

53. Joshi A., Palsson B.O., J. theor. Biol. 142 (1990) 41-68.

54. Joshi, A. & Palsson, B.O. (1989). J. Theor. Biol. 141, 515-528.

55. Joshi, A. & Palsson, B.O. (1990). J. Theor. Biol. 142, 41-85.

56. Kanno H. (1999) Nippon Rinsho, 57, 418-21.

57. Keitt A.S., J. Clin. Invest. 48, (1969) 1997-2007.

58. Lenfant et al. (1971) J. Appl. Physiol. 30, 625.

59. Lew, V.L. & Bookchin, R.M. (1986). J.Membr. Biol. 92, 57-74.

60. Lew V.L. & Beauge L.A. (1979). In: Membrane transport in biology (Giebish, Tosteson, Ussing, eds), Berlin: Springer-Verlag, 81-115.

61. Lew, V.L., Raftos, J.E., Sorette, M., Bookchin, R.M. & Mohandas, N. (1995). Blood, 86, 334341.

62. Leite A.A., Barretto O.C. (1998) Braz. J. Med. Biol. Res. 31(12),1533-5.

63. Lindercamp, O. & Meiselman, H. (1982). Blood 59, 1121-1127.

64. Lohr G.W., Waller H.D., Anschutz F., Knopp A., Humangenetik 1 (1965) 383-387.

65. Martinov M.V., Plotnikov A.G., Vitvitsky V.M., Ataullakhanov F. I. (2000).Deficiencies of glycolytic enzymes as a possible cause of hemolytic anemia, BBA 1474, 75-78.

66. Magnani M., Stocchi V., Cucchiarini L., Novelli G., Lodi S., Isa L., Fornaini G., Blood 66 (1985) 690-697.

67. Mairbaurl H., Schobersberger W., Oelz O., Bartsch P., Eckardt K.U.(1990) J. Appl. Physiol. 68/3, 1186-1194.

68. Mairbaurl H., Oelz O., Bartsch P. (1993) J. Appl. Physiol 74(1), 40-8.

69. Mairbaurl H.(1994) Int. J. Sports Med. 15, 51-63.

70. Minakami S., Suzuki C., Saito T., Yoshikawa A. (1965). J. Biochem.58, 543-550.

71. Minakami S., Yoshikawa A. (1966). J. Biochem (Tokyo). 59,139-149.

72. Mir M.A., BobinskiH. (1975). Clin. Sei. Mol, Med. 48, 213-218.

73. McMullin M.F. (1999) J. Clin. Patol. 52(4), 241-4.

74. Moser K., Wien. Klin. Wochenschr. 81 (1969) 249-258.

75. Nakashima K., Ogawa H., Oda S., Miwa S. (1973). Clin. Chim. Acta, 49, 455-460.

76. Nash, G.B. & Wyard, S.J. (1980). Biorheology 17, 479-489.

77. Necheles T.F., Rai U.S., Cameron D., J. Lab. Clin. Med. 76 (1970) 593-602.

78. Omine M. (1.996) Nippon Rinsho, 54 (9), 2460-6.

79. OroszF., Vertessy B.G., Hollan S., Horanyi M., Ovadi J., J. theor. Biol. 182 (1996) 437-447.

80. Plotnikov AG., Martinov M. V., Vitvitsky V.M., Ataullakhanov F.I., 11-th Meeting of the European Association for Red Cell Research, 1997, Gozd Martuljek, Slovenia, 1997, P55.

81. Plotnikov AG., Ataullakhanov F.I., Vitvitsky V.M. (2000) Proceedings of the 9th International meeting on Biothermokinetics, Stellenbosh, South Africa, 87-91.

82. Plotnikov AG., Vitvitsky V.M., Martinov M. V., Ataullakhanov F.I.(1998) Proceedings of the 8-th international meeting on Biothermokinetics, July 2-5, 1998, Sweden 360-364.

83. Poyart C., Wajcman H. (1996), Mol. Aspects Med. 7, 129-143.

84. Rapoport I., Berger H., Eisner R, Rapoport S, Eur. J. Biochem. 73 (1977) 421-427.

85. Rapoport TA, Heinrich R, Jacobash G, Rapoport S. (1974). Eur. J. Biochem 42, 107-120.

86. Reinhardt, W.H., Huang, C., Vayo, M., Norwich, G., Chien, S. & Skalak, S. (1991). Biorheology 28, 537-549.

87. Rijksen G., Akkerman J.W.N., Van den Wall Bake A.W.L., Hofstede D. Pott, Staal G.E.J., Blood 61 (1983) 12-18.

88. Rijksen G., Staal G.E.J., J. Clin. Invest. 62, (1978) 294-301.

89. Richalet J.R., Souberbielle J.C., Antezana A.M., Dechaux M., Le Trong J.L., Bienvenu A., Daniel F., Blanchot C, Zittoun J. (1994) Am. J. Physiol., 266 (3Pt2), 756-64.

90. Robinson, J.D. (1975). FEBS Let, 47: 352-355.

91. Robert Ch. (1988), Biochemistry 27, p.6837.

92. Rosa R., George C., Fardeau M., Calvin M.-C., Rapin M., Rosa J, Blood 60 (1982) 84-91.

93. Rosa R., Prehu M.-O., Calvin M.-C., Badoual J., Alix D., Girod R, Hum. Genet. 71 (1985) 235-240.

94. SamajaM., BrennaL., Allibardi S., Cerretelli P.(1993) J. Appl. Physiol. Oct. 75(4), 1696-701.

95. Schuster R., Holzhutter H.-G., Eur. J. Biochem. 229 (1995) 403-418.

96. Schuster R., Jacobasch G., Holzhutter H. (1989) 1, 182 (3), 605-12.

97. Segel G.B., Feig S.A., Glader B.E., Muller A., Dutcher P., Nathan D.G., Blood 46 (1975) 271278.

98. SelkovE.E. (1972). Studia biophysica, 33, 167-176.

99. Selkov E.E. (1975). Eur. J. Biochem., 59, 151-157.

100. Shauer M, Heinrich R, Rapoport S (1981). Acta Biol. Med. German. 40, 1659-1697.

101. Tanaka K.R., Zerez C.R., Sem. Hematol. 27 (1990) 165-185.

102. Tosteson DC, Hoffman JF (1960). J. Gen. Physiol. 44, 169-194.

103. Valentine W.N., Oski FA., Paglia D.E., Baughan M.A., Schneider A.S., Naiman J.L., New Engl. J. Med. 276 (1967) 1-11.

104. Valentine W.N., Paglia D.E., Blood 64 (1984) 583-591.

105. Waugh R., Mohandas N. Jackson C., Mueller T., Suzuki T. (1992). Blood, 79, 1351-1358.

106. Waller H.D., Benohr H.C., Metabolic disorders in red blood cells, in Cellular and molecular biology of erythrocytes, University of Tokyo Press, Tokyo, 1974, pp. 377-407.

107. Waterbury L., Frenkel E.P., Blood 39 (1972) 4.15-425.

108. Werner A, Heinrich R. (1985). Biomed. Biochim .Acta, 44, 185-212.

109. Zarza R. et al. (2000) Haematologica 85(3), 227-232,

110. Zarsa R. et. al. (1999) Med. Clin. (Bare). 8, 112(16), 606-9.