Математическое моделирование процесса фототрансдукции в палочках сетчатки

Юнусов, Руслан Рауфович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Математическое моделирование процесса фототрансдукции в палочках сетчатки
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование процесса фототрансдукции в палочках сетчатки"

На правах рукописи

ЮНУСОВ Руслан Рауфович

Математическое моделирование процесса

фототрансдукции в палочках сетчатки

(Специальность: 03.00.02. - биофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Институте биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН

Научный руководитель:

Доктор биологических наук

Каламкаров Григорий Рафаэльевич

Официальные оппоненты

Доктор химических наук, профессор

Комиссаров Геннадий Германович

Кандидат физико-математических наук,

Яковенко Леонид Владимирович

Ведущая организация: Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Защита состоится «21» ноября 2006 года в 16-00 часов на заседании Диссертационного Совета К 501.001.08 Физического факультета Московского Государственного Университета им. Ломоносова по адресу 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория 5-19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Хомутов Г. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Изучение механизмов сенсорной рецепции обнаружило сходный характер процессов протекающих при преобразовании сигналов различной модальности. Оказалось, что механизмы трансдукции (усиления и десенситизации сигнала) в процессах сенсорной, гормональной и синаптической рецепции в принципе близки.

Во всех этих случаях принимают участие белок-рецептор (белок из семейства С-белков), передающий сигнал на фермент-мишень, белки, осуществляющие десенситизацию (киназы, фосфорилирующие белок-рецептор) и белки из семейства арестинов.

Зрительный пигмент родопсин является классическим белком-рецептором, типичным представителем большого семейства О-белок-связывающих рецепторов. Родопсин явился первым типичным интегральным мембранным белком, первичная, вторичная и третичная структура которого была установлена. Его топография в фоторецепторной мембране (семь трансмембранных столбов) явилась прототипом всех известных в настоящее время О-белок-связывающих рецепторов. Принципиальным отличием родопсина от рецепторов других модальностей является то, что вместо сигнальной молекулы (гормон, нейромедиатор, одорант) в этом случае выступает квант света. Однако общие молекулярные механизмы рецепций различных модальностей достаточно близки. Поэтому успехи в понимании молекулярных механизмов взаимодействия ключевых белков фототрансдукции - родопсина, С-белка, родопсиновой киназы и арестина - открывают реальную возможность для подобного рода исследований в отношении молекулярных механизмов трансдукции других модальностей.

Важно отметить что, при описании сложных биохимических систем, начиная с некоторого момента описание лишь отдельных этапов перестает быть информативным для понимания общей картины. Учитывая то, что в последние годы накопилось большое количество новых данных относительно детальных молекулярных механизмов, обеспечивающих процесс фототрансдукции, представляется весьма актуальным их обобщение в рамках кинетической математической модели. С одной стороны это может позволить получить более глубокое понимание системы взаимосвязей в процессах сигнальной трансдукции. С другой стороны математическая модель позволяет свести воедино экспериментальные данные, полученные различными методами и проверить их на противоречивость друг другу.

Целью работы являлось изучение вопроса о том, позволяют ли известные экспериментальные данные адекватно описать как процесс фототрансдукции, так и процесс световой адапатации в палочках сетчатки.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

^ по возможности наиболее полно обобщить имеющиеся на сегодняшний день представления о молекулярных механизмах, обеспечивающих процесс фототрансдукции в палочках сетчатки;

найти критические этапы, оказывающие наиболее существенное влияние на кинетику одиночных фотоответов темноадаптированной палочки; рассмотреть вопрос о том, вписываются ли новые экспериментальные данные о скорости активации трансдуцина в сложившуюся ранее молекулярную схему каскада фототрансдукции;

рассмотреть вопрос о возможности адекватного описания на основе сложившейся биохимической картины фототрансдукции, не только одиночных фотоответов, но и адаптационных процессов, протекающих при включении фонового освещения; выявить молекулярные процессы, имеющие определяющее значение для формирования световой адаптации в палочках сетчатки.

Научная новизна результатов исследования

1. На основе последних экспериментальных данных построена наиболее полная математическая модель, описывающая кинетику каскада фототрансдукции.

2. Впервые в модельных экспериментах показано, что в регуляции активности гуанилатциклазы участвуют оба кальций связывающих центра СгСАР-белков и проведена оценка значений неизвестных констант скоростей реакций каскада фототрансдукции.

3. Показана определяющая роль кальциевой регуляции активности родопсина в процессе обеспечения световой адаптации.

Научно-практическая значимость результатов работы

Полученная в работе математическая модель позволяет изучать поведение палочки сетчатки в широком интервале освещенностей: от одиночных вспышек в темноте, до процессов при ярком фоновом освещении. Полученные в работе результаты (в том числе

определение критических этапов процесса трансдукции) могут быть применены при изучении процессов рецепции других модальностей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Построена математическая модель, позволившая обобщить современные представления о молекулярных механизмах фототрансдукции.

2. Определены критические этапы, определяющие кинетику одиночных фотоответов темноадаптированной палочки.

3. Показано, что учет в математической модели последних экспериментальных данных о скорости активации трансдуцина, не требует пересмотра общей схемы каскада трансдукции.

4. Показано что определяющую роль в обеспечении адаптационных процессов играют механизмы кальциевой регуляции активности родопсина.

Апробация работы

Результаты исследований доложены на VIII Всероссийской школе молодых ученых «Актуальные проблемы нейробиологии» прошедшей в 2001 году в Казани и на ежегодной молодежной конференции ИБХФ РАН-ВУЗы "Биохимическая физика" в 2002 году. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи и 1 тезис.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов, списка литературы и трех приложений. Работа изложена на 140 страницах и включает 23 рисунка. Список литературы включает 127 источников, в том числе 122 источника опубликованных в зарубежных изданиях.

Во введении кратко изложено сравнение фоторецепции со схожими механизмами передачи сигналов других модальностей и обоснована актуальность темы диссертации.

В главе «Литературный обзор» содержится анализ научных работ по теме диссертации. В первой части литературного обзора обобщены современные представления о процессе фототрансдукции: описаны молекулярные механизмы обеспечивающие усиление первичного сигнала, а также изложены механизмы обратной регуляции, позволяющие вернуть рецепторную клетку в начальное состояние.

Во второй части литературного обзора рассмотрены известные на сегодняшний день математические модели, описывающие кинетику молекулярных процессов фототрансдукции.

В главе «Постановка задачи» на основе анализа современных литературных источников показано, что в последние годы, с одной стороны были обнаружены новые дополнительные механизмы молекулярной регуляции процесса фототрансдукции, кинетика которых пока не была исследована в рамках математических моделей, а с другой стороны альтернативными методами были получены новые данные о кинетике одного из ключевых этапов фототрансдукции (активации трансдуцина), сильно расходящиеся с предыдущими результатами. В свете этих данных построение математической кинетической модели, обобщающей наиболее полным образом все современные данные о молекулярных механизмах фототрансдукции, представляется весьма актуальной задачей. В соответствие с выше сказанным, в данной главе были поставленные цели проведенного научного исследования.

Моделирование процесса фототрансдукции темноадаптированной палочки при предъявлении одиночных вспышек

Данная глава посвящена построению математической модели описывающей кинетику одиночных фотоответов адаптированной к темноте палочки сетчатки. В силу кинетических особенностей рассматриваемой системы, а именно сильного различия во временах активации (занимает десятки миллисекунд) и восстановления фотоответа (длится несколько секунд), теоретическое рассмотрение фототрансдукции допустимо проводить последовательно. Поэтому на первом этапе было проведено построение модели описывающей только процесс генерации фототоответа, а затем первоначальная система была дополнена реакциями, обеспечивающими восстановительные процессы.

Активация

Фототрансдукция - это процесс передачи и усиления сигнала, который обеспечивается каскадом внутриклеточных реакций (рис. 1).

Первым звеном в цепочке передачи зрительного сигнала является пигментный белок родопсин, который при поглощении кванта света переходит в активную форму. Конформационно измененный родопсин активирует следующий белок цепи - трансдуцин, данный процесс включает пять реакций. В результате каталитического характера

активации трансдуцина на данном этапе фототрансдукции достигается многократное - в сотни раз - усиление исходного сигнала. На следующем этапе активированный трансдуцин связываясь с фосфодиэстеразой образует комплекс, который обладает способностью к ферментативному гидролизу циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) до гуанозинмонофосфата (ГМФ). В результате внутриклеточная концентрация цГМФ быстро падает. На данном этапе также обеспечивается дополнительное (до 1000 раз) усиление сигнала. Уменьшение внутриклеточной концентрации цГМФ приводит к закрытию цГМФ чувствительных ионных каналов, локализованных в клеточной мембране. Это приводит к гиперполяризации клеточной мембраны, что и является фазой активации фотоответа.

Канал открыт

*-£ —4Ма*

Г } Обменник

* > Са2'. К*

ШЗ

Т*а-Ф*

Т*а-Ф* 1 |Т*а[

ЩЩ

прав ™ V

гтЬч. ГДФ

Рис. 1. Схема каскада фототрансдукции. Обозначения: Р — родопсин, Т — трансдуцин, Ф -фосфодиэстераза, ГЦ - гуанилатциклаза, РК - родопсинкиназа, Ар - арестин, Рек -рековерин.

Фаза восстановления фототоответа

После генерации фотоответа зрительный рецептор должен вернуться к исходному темновому состоянию. Для этого необходимо, чтобы цГМФ-чувствительные каналы перешли обратно в открытое состояние, что в свою очередь требует восстановления темнового значения концентрации цГМФ.

Это обеспечивается, с одной стороны, за счет кальций-зависимого усиления работы гуанилатциклазы. Закрытие цГМФ-зависимых каналов не позволяет поступать кальцию в клетку, что приводит к снижению его концентрации в цитоплазме, и соответственно к ускорению работы гуанилатциклазы.

С другой стороны, необходимо «выключить» активные формы фосфодиэстеразы и родопсина.

Первый процесс обеспечивается ГТФ-азной активностью трансдуцина: Та • ГТФ • ФДЭ —• ГДФ + ФДЭ + Ф; Та-ГТФ-ФДЭ-Та-ГТФ—>Та • ГТФ • ФДЭ + Та • ГДФ + Ф;

Второй процесс обеспечивается кальций-зависимой инактивацией метародопсина П. Активный родопсин последовательно фосфорилируется родопсинкиназой, причем активность родопсинкиназы регулируется внутриклеточной концентрацией кальция: при уменьшении [Са2+] процесс фосфорилирования родопсина ускоряется. Далее фосфорилированная форма родопсина связывается с белком арестином, который при этом блокирует каталитические центры родопсина. Мд+Ф, "гРК >МП-Ф! Мд'Ф>+Ар )Мц-Ф^Ар

Построение математической модели

Хотя сами реакции активации фотоответа определены, константы скоростей для некоторых из них неизвестны (кг, к«, кв - три этапа взаимодействия родопсина с трансдуцином, к7, кв - взаимодействие трансдуцина с фосфодиэстеразой). Для оценки значений неизвестных констант в работе использовался следующий подход. Представленные в литературе данные, полученные методом светорассеяния в реконструированных системах («сигнал диссоциации» и «сигнал ФДЭ»), позволяют наблюдать кинетику двух промежуточных продуктов фототрансдукции. Используя эти данные, в диссертационной работе была проведена оценка неизвестных констант:

V на основе «сигнала диссоциации» были определены константы кг, к», кб ;

У на основе «сигнала ФДЭ» были определены константы к7, кв.

Дальнейшее упрощение модели касалось фазы восстановления фотоответа. Так, экспериментальное изучение кинетики фототоков показало, что фазу восстановления фотоответа можно довольно точно описать одноэкспоненциальной кривой /(0 =е~г/г. Параметр х в показателе экспоненты был назван «временной доминантой». Одноэкспоненциальная кинетика характерна для химических реакций первого порядка. Таким образом, форма фазы восстановления фотоответа определяется одной лимитирующей реакцией. По литературным данным, ключевым этапом, определяющим фазу восстановления фотоответа, является процесс инактивации родопсина. Причем, связывание родопсина с арестином протекает намного быстрее, чем его фосфорилирование. Таким образом, можно считать, что «временная доминанта» характеризует процесс фосфорилирования родопсина и соответствует значению константы к}Р=1/т. Рассмотрение экспериментальных кривых фазы восстановления фотоответа позволило получить значение т=2.4 сек.

•о

ф |

0.5

о в

О Ю 20 30 40

Время после засветки, мс

Рис.2. Моделирование фазы активации фотоответа палочки сетчатки. Сплошные линии - экспериментально измеренные фототоки (по данным работы (Pugh and Lamb, 1990)), штриховые линии - теоретически рассчитанные кривые фототоков. Стрелкой обозначен момент световой вспышки. Засветка вызывает активацию: 10"1 (1), 10" (2), 10"4 (3) молекул родопсина.

Теоретическое решение получено на основе данных по светорассеянию.

1 -

«ö

a£

E о

£ 0.5E о E о

о -

-1-1-1-1—

о 10 20 30

Время после засветки, с

Рис.3. Моделирование фазы восстановления фотоответа палочки сетчатки. Сплошные линии - экспериментально измеренные фототоки (по данным работы (Schleicher et. al., 1989)), штриховые линии - теоретически рассчитанные кривые фототоков. Стрелкой обозначен момент световой вспышки. Засветка вызывает активацию: 2.5-10-6 (1), 8-10-6 (2), 2.5-10-5 (3) молекул родопсина. Теоретическое решение получено на основе данных по светорассеянию.

Таким образом, после оценки значений всех неизвестных параметров в диссертационной работе была построена система дифференциальных уравнений описывающая как активацию, так и восстановление фотоответа. Решение данной системы было получено численно с использованием метода Эйлера.

Теоретически рассчитанное решение обеспечило близкое совпадение с экспериментальными фототоками в широком интервале засветок (рис. 2 и 3). Таким образом, построенная модель (с константами, полученными на основе сигналов светорассеяния) позволяет в целом адекватно описать кинетику процесса фототрансдукции темно адаптированной палочки в ответ на одиночные вспышки.

Определение критических этапов кинетики процесса фототрансдукции

В данной главе было проведено исследование процесса активации фотоответа на предмет выявления критических реакций. Активация фотоответа в палочках сетчатки

представляет собой сложную последовательность биохимических реакций, в которой сочетаются как линейные этапы, так и процессы усилительного характера: У во-первых, каждая молекула возбужденного родопсина каталитически активирует

некоторое количество молекул трансдуцина; У во-вторых, активная форма фосфодиэстеразы также каталитически гидролизует молекулы циклического ГМФ.

В рамках данного исследования было проведено несколько серий теоретических расчетов. Внутри каждой серии варьировалось значение одной из кинетических констант, характеризующих скорость протекания соответствующей реакции, и наблюдалось расхождение получаемых кривых фототока от рассчитанных изначально. В качестве количественного параметра, характеризующего различие между двумя кривыми, использовалось время достижения полумаксимальной амплитуды фототока (время на половине высоты кривой (Т1/2)).

Сводные результаты по влиянию рассмотренных кинетических параметров на общую кинетику фототрансдукции представлены на рис.4-5. Как видно из представленных данных, построенная модель оказалась наиболее чувствительной к изменению скорости реакций:

МП-Т + ГТФ и )МП-Т-ГТФ

Т-ГТФ—"-»Та-ГТФ + Трт Та • ГТФ + ФДЭ—>Та • ГТФ • ФДЭ Та • ГТФ • ФДЭ + цГМФ—>Та • ГТФ • ФДЭ + ГМФ Некоторое влияние на общую кинетику оказывают изменения скоростей реакций: М,—и—>МП

М п + Т • ГДФ —М п • Т • ГДФ причем, влияние этих реакций несимметрично. Варьируя данные константы можно добиться лишь замедления кинетики фототока, но не ее ускорения. Это свидетельствует о том, что скорость протекания данных реакций достаточно высока, чтобы не вносить заметных задержек в процесс активации фотоответа.

Остальные реакции, составляющие фазу активации фотоответа, не оказывают значимого влияния на общие кинетические параметры системы фототрансдукции.

к1 к2 к4 кб к7 к8 к9 кЮ КМ

Рис.4. Уменьшение времени на «полувысоте» фототока (по отношению к стандартному), при увеличении значений констант скоростей реакций в 10 раз (константа Км была уменьшена в 10 раз, т.к. ее действие имеет обратное направление влияния).

Рис. 5. Увеличение времени на «полувысоте» фототока (по отношению к стандартному), при уменьшении значений констант скоростей реакций в 10 раз (константа Км была увеличена в 10 раз, т.к. ее действие имеет обратное направление влияния).

Построение модели при использовании констант, полученных альтернативными методами

В последние годы появились данные о кинетике фототрансдукции, полученные в экспериментах с использованием радиоактивного негидролизуемого аналога ГТФ

(ITOyS), при этом скорость активации трансдуцина полученная таким способом (150 сек"1 на 1 молекулу возбужденного родопсина) сильно отличалась от результатов экспериментов по светорассеянию (~ 1000 сек'1). Таким образом, возник вопрос -насколько критично такое сильное снижение скорости активации трансдуцина для адекватного описания фототока? Для ответа на данный вопрос в диссертационной работе было проведено варьирование констант скоростей реакций в физиологически допустимых пределах, таким образом, чтобы скорость активации трансдуцина была равна 150 сек"1, но кинетика фототока оставалась такой же, как и ранее, т.е. удовлетворяла электрофизиологическим наблюдениям.

Первая часть задачи - понижение скорости активации трансдуцина - сводится к рассмотрению последовательности пяти реакций взаимодействия родопсина с трансдуцином. Проведенный анализ показал, что замедление активации трансдуцина до 150 сек'1 можно обеспечить за счет изменения значений констант кг и (два этапа каталитической активации трансдуцина родопсином). Для этого необходимо, чтобы либо ¿2=0.22 (сек-ijM)'1, либо 4.2-10"2 (секцМ)"1, вместо значений к2=69 (сек-цМ)"1, к4= 1.1 (сек-цМ)"1, полученных на основе данных по светорассеянию.

Вторым этапом было проведено рассмотрение возможности компенсации снижения скорости активации трансдуцина. Проведенный анализ показал, что такую компенсацию можно обеспечить за счет увеличения скорости работы фосфодиэстеразы. Исследование модели обнаружило, что увеличение констант скоростей реакций ¿7 и ks (реакции взаимодействия трансдуцина и фосфодиэстеразы) не позволяет добиться необходимого результата. Поэтому увеличить скорость гидролиза цГМФ можно только за счет увеличения частоты оборота фосфодиэстеразы или за счет уменьшения значения константы Михаэлиса. При этом частота оборота фосфодиэстеразы, использованная в первой модели (к9 = 2600 сек"1, kjo = 2900 сек"1), и так является очень высокой для ферментов этого семейства, поэтому ее увеличение в модели представляется нефизиологичным. С другой стороны, экспериментальные данные имеют достаточно широкий разброс значений при оценке константы Михаэлиса. Проведенное варьирование константы Михаэлиса показало, что необходимое значение К„ равно 1 цМ (вместо Км=40 цМ в первоначальной модели), которое укладывается в представленные в литературе оценки.

Кроме представленного выше, существует еще один путь увеличения эффективности гидролиза - это изменение буферной силы цитоплазмы для цГМФ. В предыдущем рассмотрении значение буферной силы было равно 2. Очевидно, что уменьшение буферной силы будет эквивалентно некоторому увеличению скорости гидролиза цГМФ

фосфодиэстеразой. Минимальное физиологическое значение буферной силы равно единице. Однако даже этот минимум не способен сам по себе компенсировать уменьшение скорости активации трансдуцина. Проведенное моделирование показало, что для ВР=1 значение константы Михаэлиса должно быть равно 5 цМ (что все равно существенно меньше 40 |хМ - значения, использовавшегося в первоначальной модели).

На рис.6 проведено сравнение двух теоретических кривых. Сплошной линией представлена кривая, полученная в первой модели (на основе экспериментов по светорассеянию), штриховая кривая соответствует второй модели (исходя из скорости активации трансдуцина на основе исследований с использованием ГТФуЗ).

Таким образом, проведенные теоретические расчеты показали, что даже если принять, что скорость активации трансдуцина на порядок меньше, чем предполагалось ранее, это не ставит под сомнение всю кинетическую схему процесса фототрансдукции. Более низкое значение Км для фосфодиэстеразы вполне может компенсировать предполагаемое замедление скорости предыдущих реакций. При этом такое значение Км не выходит из пределов экспериментально полученных значений.

о *

Е о

ас" о

Е о

Е о Ф

1 п

0.5-

0-"

-1-1-г

—I—I—I-1—I—I-1—I—г

5 10

—I—

Время после засветки, с

Рис. 6. Сравнение двух альтернативных решений кинетической модели. 1 — теоретический фототок, полученный на основе экспериментов с применением радиоактивного ГТФуБ, 2 — теоретический фототок, рассчитанный на основе экспериментов по светорассеянию. Стрелкой обозначен момент световой вспышки. Засветка вызывает активацию 10"7 молекул родопсина.

Моделирование адаптационных процессов

В данной главе было проведено исследование адаптационных процессов проходящих в палочке сетчатки при включении фонового освещения. К адаптационным относятся биохимические реакции, обеспечивающие снижение чувствительности при повышении уровня освещения. На сегодняшний день точно установлено, что основным регулятором адаптационных процессов является внутриклеточная концентрация кальция. Однако при этом дискуссионным остается вопрос - можно ли только на основе известных механизмов адекватно описать как одиночные фотоответы, так и процесс световой адаптации. Часть авторов дает положительный ответ на данный вопрос, тогда как другие считают необходимым введение дополнительных неизвестных сегодня механизмов.

Для ответа на данный вопрос, в диссертационной работе первоначальная математическая модель была дополнена с учетом последних экспериментальных данных о калькциевой регуляции в палочках сетчатки. Кроме того, в данной главе был рассмотрен вклад отдельных стадий каскада фототрансдукции в обеспечение световой адаптации.

Восстановление темнового фототока определяется в палочке тремя этапами -дезактивацией родопсина и фосфодиэстеразы, а также ускорением синтеза цГМФ гуанилатциклазой. Однако из литературных данных известно, что дезактивация фосфодиэстеразы протекает достаточно быстро, и поэтому не оказывает заметного влияния на общую кинетику фототрансдукции. Таким образом, для моделирования процессов световой адаптации были учтены молекулярные процессы, обеспечивающие дезактивацию родопсина и ускорение работы гуанилатциклазы.

Деактивация родопсина.

Процесс деактивации родопсина в палочках сетчатки носит многоступенчатый характер, который протекает с участием трех белков: родопсинкиназы, рековерина и арестина, причем рековерин играет роль кальций чувствительного сенсора.

Для учета кальций зависимого процесса инактивации родопсина, в первоначальную математическую модель были внесены следующие изменения:

Мц+Ф! >МП-Ф{

реакции:

+ Ар >МП-Ф; -Ар

Рек + Са —Рек • Са Рек • Са + Са —> Рек • (Са)2

К<1_ре*

были заменены на реакции:

Рек (Са)2+РК о Рек-(Са)2-РК МП+РК "" >МП-РК МП-РК + Ф;—>МП-Ф; +РК

Мп-Ф; + Ар "» >МД-Ф1 -Ар

Регуля1\ия активности гуанилатциклазы

Первоначально скорость синтеза цГМФ учитывалась известной из литературы эмпирической зависимостью:

При рассмотрении видно, что эта формула обладает рядом существенных недостатков.

экспериментальных данных следует, что при повышении концентрации кальция скорость синтеза стремится к некоторому отличному от нуля значению (рис. 20);

V во-вторых, представленная зависимость не учитывает опосредованный характер активации гуанилатциклазы;

V в-третьих, в данном представлении реакции регулирующие скорость работы гуанилатциклазы учитываются как мгновенные.

В силу этого, в данной главе был осуществлен переход от эмпирической зависимости к моделированию детальных молекулярных механизмов.

Молекула гуанилатциклазы представляет собой трансмембранный белок, локализованный в виде димеров в фоторецепторных дисках. Скорость работы гуанилатциклазы регулируется концентрацией внутриклеточного кальция, опосредованно через модуляторные белки (СгСАР1 и (ЗСАР2). Каждая молекула (ЗСАР-белка имеет по два центра связывания ионов кальция, причем до конца неясно оба ли из них задействованы в процесс регуляции каталитической активности гуанилатциклазы. В диссертационной работе были смоделированы оба из этих вариантов. Сравнение с экспериментальными данными (рис. 7) четко указывает на то, что в регуляторном процессе участвуют оба кальций связывающих центра.

У во-первых, при [Са2+]->оо скорость синтеза цГМФ стремится к нулю. Но из

£ п

а-

£0-5

<0 3

\Л

0.5

—а

Ь.....—о

СИ

10 102 1С? и? [Са++1 (нМ)

к?

10 101 703 1& [Са++] (нМ)

1С?

0.5

10 102 10* 1СС ю5 [Са++] (НМ)

,2+

Рис.7. Активность гуанилатциклазы в зависимости от концентрации Са а — экспериментальные данные активности гуанилатциклазы в присутствии (1) и в отсутствие (2) (ЗСАР-белков (ЕНгИоог е^ а1., 1998); активность гуанилатциклазы, теоретически рассчитанная в рамках модели, учитывающей регуляцию посредством одного (б) и двух (в) кальций-связывающих центров ССАР-белков.

Дополненная детальными биохимическими процессами кальциевой регуляции модель тестировалась как в условиях одиночных вспышек, так и при включении фонового освещения. Сравнение теоретических и экспериментальных кривых показало, что за счет известных механизмов кальциевой регуляции можно адекватно описать процессы фототрансдукции (в том числе и при фоновом свете), не используя при этом искусственные подгоночные механизмы.

Роль 'отдельных механизмов в обеспечении адаптационных процессов

Для изучения вопроса об относительном вкладе рассмотренных выше механизмов, было проведено раздельное моделирование регуляции активностей родопсина и гуанилатциклазы. Проведенный анализ показал, что вклад двух основных процессов, обеспечивающих восстановление фотоответов, далеко не равнозначен (рис. ). Так учет молекулярных процессов регуляции активности гуанилатциклазы, практически не изменил кинетических характеристик первоначальной математической модели, и соответственно не позволил правильно описать основные качественные характеристики кинетики адаптационных процессов. Учет в модели кальций зависимой регуляции времени жизни активного родопсина привел к кардинальным изменениям поведения всей системы в целом, причем обнаруженные изменения совпадали с наблюдающимися экспериментально процессами световой адаптации. Таким образом, построенная модель позволила считать основным механизмом, обеспечивающим световую адаптацию, процесс опосредованной рековерином кальций зависимой регуляции активности родопсина.

\ I I \

0.5-

10 20 30 40 50 60 70 ерам (CMC)

10 10 too 110

Рис.8. Фотоответы адаптированной к темноте (а) палочки сетчатки и при включении фонового освещения (б).

Сплошные линии соответствуют экспериментально измеренным фототокам (Fain et. al., 2001), штриховые представляют собой теоретически рассчитанные фототоки. Стрелками обозначены моменты предъявления световых вспышек, ступенькой обозначен момент включения фонового освещения (только для б). Интенсивность вспышек последовательно возрастала: 1.1 фотон/мкм2; 4.7 фотон/мкм2; 15.5 фотон/мкм2; 53.7 фотон/мкм2. Интенсивность фонового освещения составляла 1.7 фотон/(мкм2-сек).

Заключение

В представленной работе было произведено обобщение известных на сегодняшний день экспериментальных данных о механизмах фототрансдукции в рамках математической кинетической модели.

л.

1-1-1-1-1-1-1-1-г

О 10 го 30 40 50 во то ю трллш (сц)

—I-1-1-1-1-1-1-г

10 20 30 40 50 СО /0 60 шртла

в »0 20 30 40 50 СО 70 ВО арам

20 30 40 50 60 70 60 тремя {елк)

Рис.9. Моделирование адаптационных процессов с учетом молекулярных механизмов регуляции времени жизни родопсина и активности гуанилатциклазы. а — эмпирическое описание как регуляции активности родопсина, так и гуанилатциклазы; б — учет молекулярных механизмов регуляции активности родопсина, активность гуанилатциклазы в виде эмпирической зависимости; в - активность родопсина в виде эмпирической зависимости и учет молекулярных механизмов регуляции активности гуанилатциклазы; г - учет молекулярных механизмов регуляции активности родопсина и гуанилатциклазы.

Стрелкой обозначен момент предъявления световых вспышек, ступенькой обозначен момент включения фонового освещения. Вспышки вызывали активацию: 2-10"8 от общего количества родопсина. Фоновое освещение вызывало активацию 5.3-10"9 от общего количества родопсина в секунду.

получить адекватное описание кинетики одиночных фотоответов темноадаптированной палочки сетчатки в широком интервале интенсивностей засветок.

Проведенный анализ построенной модели позволил выделить критические реакции, скорость протекания которых определяет кинетическое поведение системы в целом. Так для фазы активации фотоответа определяющими оказались реакции: МД-Т + ГТФ и >МП-Т-ГТФ Т-ГТФ—"-»Та-ГТФ + Трт

Та-ГТФ + ФДЭ—>Та • ГТФ • ФДЭ

Та • ГТФ • Ф ДЭ + цГМФ —Та • ГТФ • ФДЭ + ГМФ

Кинетика фазы восстановления фотоответа определяется в основном временем выключения родопсина.

В представленной работе также был рассмотрен вопрос о достаточности известных на сегодня механизмов фототрансдукции для описания не только одиночных фотоответоов, но и обеспечения адаптационных процессов. Проведенное рассмотрение позволило дать положительный ответ на данный вопрос. Изучение вклада отдельных процессов в обеспечение световой адаптации позволило считать, что определяющим процессом здесь является кальций зависимая инактивация родопсина.

Кроме того, в представленной модели был рассмотрен вопрос о противоречивых оценках скорости активации трансдуцина родопсином, полученных различными методами. Проведенный анализ показал, что, несмотря на сильное отличие новых оценок от предыдущих, их учет в общей кинетической модели позволяет также получить адекватное описание наблюдаемых экспериментально фотоответов. Таким образом, каким бы ни оказалось реальное значение скорости активации трансдуцина, это не потребует пересмотра сложившихся представлений о молекулярных процессах, обеспечивающих процесс фототрансдукции.

ВЫВОДЫ

1. Построенная с учетом последних экспериментальных данных математическая модель, позволила адекватно описать кинетику фотоответов темновой адаптированной палочки при предъявлении одиночных вспышек.

2. Проведенный анализ модели позволил выявить отдельные этапы, имеющие определяющее значение для кинетики всего процесса фототрансдукции.

3. Проведенный учет в математической модели экспериментальных кинетических параметров, полученных альтернативными методами, показал, что результаты биохимических оценок, несмотря на сильное расхождение со значениями, полученными методом светорассеяния, не требуют пересмотра самой схемы каскада фототрансдукции.

4. Учет в математической модели современных представлений о молекулярных механизмах кальциевой регуляции фототрансдукции позволил получить адекватное описание не только одиночных фотоответов, но и адаптационных процессов, протекающих при включении фонового освещения.

5. Анализ построенной модели обнаружил, что определяющую роль в обеспечении адаптационных процессов в палочке сетчатки играет регулируемый кальцием процесс выключения активности родопсина.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Юнусов P.P., Каламкаров Г.Р. Моделирование процесса генерации фототока на мембране зрительной клетки // Биологические мембраны, 2004, т. 21, № 4, с. 343-352

2. Каламкаров Г. Р., Островский М. А., Юнусов Р. Р., ШевченкоТ.Ф. Молекулярные механизмы взаимодействия белков, участвующих в трансдукции фоторецепторного сигнала // Сенсорные системы, 2004, т. 18, №4, с. 275-285

3. Юнусов P.P., Каламкаров Г.Р. Математическое моделирование адаптационных процессов в палочках сетчатки // Сенсорные системы. 2004, т. 18, №4, с. 339-349

4. Юнусов P.P., Каламкаров Г.Р. Моделирование фазы нарастания фотоответа в палочках сетчатки// VIII Всероссийская школа молодых ученых «Актуальные проблемы нейробиологии». Казань. 2001. С. 60-61.

Подписано к печати Тираж Заказ , /¿У

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Юнусов, Руслан Рауфович

1. Введение.

2. Литературный обзор.

2.1. Молекулярные механизмы фоторецепции.

2.2. Описание кинетики фототрансдукции в рамках математического моделирования.

3. Постановка задачи.

4. Моделирование процесса фототрансдукции темноадаптированной палочки при предъявлении одиночных вспышек.

4.1. Фаза активации фотоответа.

4.2. Фаза восстановления фототоответа.

4.3. Система уравнений, описывающих процесс фототрансдукции.

5. Определение критических этапов кинетики процесса фототрансдукции.

5.1. Влияние отдельных стадий на кинетику фазы активации фотоответа.

5.2. Активация родопсина.

5.3. Взаимодействие родопсина с трансдуцином.

5.4. Взаимодействие трансдуцина с фосфодиэстеразой и гидролиз цГМФ.

5.5. Регуляция активности цГМФ чувствительных каналов.

5.6. Результаты.

6. Построение модели при использовании констант, полученных альтернативными методами.

7. Моделирование адаптационных процессов.

7.1. Деактивация родопсина.

7.2. Регуляция активности гуанилатциклазы.

7.3. Результаты.

7.4. Роль отдельных механизмов в обеспечении адаптационных процессов.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Математическое моделирование процесса фототрансдукции в палочках сетчатки"

Во всех этих случаях принимают участие белок-рецептор (белок из семейства G-белков), передающий сигнал на фермент-мишень, белки, осуществляющие десенситизацию (киназы, фосфорилирующие белок-рецептор) и белки из семейства арестинов.

Зрительный пигмент родопсин является классическим белком-рецептором, типичным представителем большого семейства G-белок-связывающих рецепторов. Его принципиальным отличием является то, что вместо сигнальной молекулы (гормон, нейромедиатор, одорант) в этом случае выступает квант света. Если химическое вещество как сигнал взаимодействует с рецепторным сайтом белка-рецептора, локализованным на N-концевой части полипептидной цепи или петель, экспонированных во внеклеточное пространство, то свет поглощается хромофорной группой, находящейся в гидрофобном ядре молекулы родопсина. Иными словами, информационный сигнал в родопсине передается изнутри наружу, а именно на С-концевую часть молекулы и гидрофильные петли на цитоплазматической стороне мембраны, а во всех остальных случаях - с N-концевого фрагмента и петель на С-концевой, внутриклеточный участок полипептидной цепи. Следует подчеркнуть, что в случае родопсина N-концевой фрагмент в палочке экспонирован во внутридисковое пространство и не несёт никакой функциональной нагрузки с точки зрения внутримолекулярной передачи сенсорного сигнала. С другой стороны, С-концевой фрагмент и петли на цитоплазматической поверхности мембраны во всех случаях, включая фоторецепцию, являются ключевыми для взаимодействия белка-рецептора с G-белками, киназами и арестинами. Естественно предположить, что молекулярные механизмы такого взаимодействия близки. Только в случае фоторецепции эти молекулярные механизмы описаны достаточно подробно. Действительно, родопсин явился первым типичным интегральным мембранным белком, первичная, вторичная и третичная структура которого была установлена. Его топография в фоторецепторной мембране (семь трансмембранных столбов) явилась прототипом всех известных в настоящее время G-белок-связывающих рецепторов. Арестин также впервые был обнаружен в зрительной клетке, и его роль в десенситизации белка-рецептора была установлена. До недавнего времени считалось, что он является уникальным фоторецепторным белком. Выяснилось, однако, что он лишь представитель семейства подобных белков.

Становится очевидным, что успехи в понимании молекулярных механизмов взаимодействия ключевых белков фототрансдукции -родопсина, G-белка, родопсиновой киназы и арестина - открывают реальную возможность для подобного рода исследований в отношении молекулярных механизмов трансдукции других модальностей.

При описании сложных биохимических систем, начиная с некоторого момента описание лишь отдельных этапов перестает быть информативным для понимания общей картины. Учитывая то, что в последние годы накопилось большое количество новых данных относительно детальных молекулярных механизмов, обеспечивающих процесс фототрансдукции, представляется весьма актуальным их обобщение в рамках кинетической математической модели. С одной стороны это может позволить получить более глубокое понимание системы взаимосвязей в процессе сигнальной трансдукции. С другой стороны математическая модель позволяет свести воедино экспериментальные данные, полученные различными методами и проверить их на противоречивость друг другу.

Целью представленной работы было: во-первых, обобщить современные представления о молекулярных механизмах фототрансдукции в рамках математической кинетической модели. Во-вторых, проверить на противоречивость друг другу ряд экспериментальных данных, полученных различными методами.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Юнусов, Руслан Рауфович

9. ВЫВОДЫ

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору биологических наук Г.Р. Каламкарову за предложенную тему и руководство работой, а также кандидату биологических наук Т.Ф. Шевченко за ценные замечания и помощь в подготовке публикаций .

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последние годы были уточнены детальные механизмы процесса фототрансдукции. Так, были обнаружены конкретные белки, осуществляющие кальциевую регуляцию в палочках сетчатки (рековерин, GCАР-белки). Их учет в математичской модели позволил получить адекватное описание кинетики одиночных фотоответов темноадаптированной палочки сетчатки в широком интервале интенсивностей засветок.

Проведенный анализ построенной модели позволил выделить критические реакции, скорость протекания которых определяет кинетическое поведение системы в целом. Так для фазы активации фотоответа определяющими оказались реакции: МП-Т + ГТФ—и-^Мп-Т-ГТФ Т • ГТФ —Та • ГТФ + тРу Та • ГТФ + ФДЭ —Та ■ ГТФ ■ ФДЭ Та • ГТФ • ФДЭ + цГМФ —^^ Та • ГТФ • ФДЭ + ГМФ

Кинетика фазы восстановления фотоответа определяется в основном временем выключения родопсина.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Юнусов, Руслан Рауфович, Москва

1. Абдулаев Н.Г. и Артамонов И.Д. Биоорганическая химия зрительного процесса. //Биол. мембраны. 1984,1, 775-793.

2. Каламкаров Г.Р. и Островский М.А. Молекулярные механизмы зрительной рецепции. // Москва: Наука. 2002.

3. Дижур A.M., Аршавский В.Ю., Шестакова И.К. и Филаппов П.П. Влияние фосфорилирования родопсина на светозависимую активацию фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов из наружных сегментов палочек сетчатки быка.// Биологич. мембраны. 1984, 10, 1051-1056.

4. Кузьмин Д.Г. Обмен кальция и кальциевая обратная связь в палочках сетчатки амфибий.// Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук. 2004

5. Филипов П.П., Аршавский В.Ю., Дижур A.M. (1987). Биохимия зрительной рецепции.// Итоги науки и техники. ВИНИТИ, т.26.

6. Langlois G, Chen СК, Palczewski К, Hurley JB, Vuong TM. Responses of the phototransduction cascade to dim light. // Proc Natl Acad Sci USA. 1996 May 14;93(10):4677-82

7. Ames J.B., Porumb Т., Tanaka Т., Ikura M. and Stryer L. Amino-terminal myristoylation induces cooprerative binding to recoverin.// J. Biol. Chem. 1995. V. 270. P. 4526-4533.

8. Arshavsky VY, Dizhoor AM, Shestakova IK, Philippov P. The effect of rhodopsin phosphorylation on the light-dependent activation of phosphodiesterase from bovine rod outer segments.// FEBS Lett. 1985 Feb 25;181(2):264-6.

9. Arshavsky VY. Rhodopsin phosphorylation: from terminating single photon responses to photoreceptor dark adaptation.// Trends Neurosci. 2002 Mar;25(3):124-6.

10. Artemyev NO, Surendran R, Lee JC, Hamm HE. Subunit structure of rod cGMP-phosphodiesterase.// J Biol Chem. 1996 Oct 11;271(41):25382~8.

11. Baehr W, Morita EA, Swanson RJ, Applebury ML. Characterization of bovine rod outer segment G-protein.// J Biol Chem. 1982 Jun 10;257(ll):6452-60.

12. Baehr, W., Delvin, M.J. and Applebury, M.L. Isolation and characterization of cGMP phosphodiesterase from bovine ROS.// J. Biol. Chem. 1979, 254,11669-11677.

13. Baumann Ch. The equilibrium between metarhodopsin I and metarhodopsin II in the isolated frog retina.// J. Physiol. 1978. V. 279. P. 71-80.

14. Baylor DA, Hodgkin AL, Lamb TD. Reconstruction of the electrical responses of turtle cones to flashes and steps of light.// J Physiol. 1974a Nov;242(3):759-91.

15. Baylor DA, Hodgkin AL, Lamb TD. The electrical response of turtle cones to flashes and steps of light.// J Physiol. 1974b Nov;242(3):685-727.

16. Baylor DA, Hodgkin AL. Changes in time scale and sensitivity in turtle photoreceptors.// J Physiol. 1974 Nov;242(3):729-58.

17. Bennett N, Dupont Y. The G-protein of retinal rod outer segments (transducin). Mechanism of interaction with rhodopsin and nucleotides. // J Biol Chem. 1985 Apr 10;260(7):4156-68.

18. Bennett N, Sitaramayya A. Inactivation of photoexcited rhodopsin in retinal rods: the roles of rhodopsin kinase and 48-kDa protein (arrestin). // Biochemistry. 1988 Mar 8;27(5):1710-5.

19. Berger AL, Cerione RA, Erickson JW. Real time conformational changes in the retinal phosphodiesterase gamma subunit monitored by resonance energy transfer. // J Biol Chem. 1997 Jan 31 ;272(5):2714-21.

20. Blazynski C, Cohen Al. Rapid declines in cyclic GMP of rod outer segments of intact frog photoreceptors after illumination. // J Biol Chem. 1986 Oct 25;261(30): 14142-7.

21. Bruckert F., Catty P., Deterre P., Pfister C. Activation of phosphodiesterase by transducin in bovine rod outer segments: characteristics of the successive binding of two transducins.// Biochemistry. 1994. V. 33. P. 12625-12634.

22. Buczylko J, Gutmann C, Palczewski K. Regulation of rhodopsin kinase by autophosphorylation. // Proc Natl Acad Sci U S A. 1991 Mar 15;88(6):2568-72.

23. Burns M.E. and Baylor D.A. Activation, deactivation, and adaptation in vertebrate photoreceptor cells.// Annu. Rev. Neurosci. 2001. V. 24. P. 779805.

24. Calvert P.D, Govardovskii V.I, Arshavsky V.Y, Makino C.L. Two temporal phases of light adaptation in retinal rods.// J. Gen. Physiol. 2002. V. 119. №2. P. 129-145.

25. Calvert P.D, Ho T.W, LeFebvre Y.M. and Arshavsky V.Y. Onset of feedback reactions underlying vertebrate rod photoreceptor light adaptation.// J. Gen. Physiol. 1998. V. 111. P. 39-51.

26. Catty P, Pfister C, Bruckert F. and Deterre P. The cGMP Phosphodiesterase-Transducin Complex of Retinal Rods. Membrane binding and subunits interactions.// J Biol Chem, 1992 267;271(25): 19489-93.

27. Cervetto L, Lagnado L, Perry RJ, Robinson DW, McNaughton PA. Extrusion of calcium from rod outer segments is driven by both sodium and potassium gradients. //Nature. 1989 Feb 23;337(6209):740-3.

28. Chabre M. Trigger and amplification mechanisms in visual phototransduction. // Annu Rev Biophys Biophys Chem. 1985;14:331-60.

29. Chen CK, Inglese J, Lefkowitz RJ, Hurley JB. Ca(2+)-dependent interaction of recoverin with rhodopsin kinase. // J Biol Chem. 1995 Jul 28;270(30): 18060-6.

30. Cobbs WH, Pugh EN Jr. Kinetics and components of the flash photocurrent of isolated retinal rods of the larval salamander, Ambystoma tigrinum. // J Physiol. 1987 Dec;394:529-72.

31. Cuenca N, Lopez S, Howes K, Kolb H. The localization of guanylyl cyclase-activating proteins in the mammalian retina. // Invest Ophthalmol Vis Sci. 1998 Jun;39(7):1243-50.

32. Dawis SM, Graeff RM, Heyman RA, Walseth TF, Goldberg ND. Regulation of cyclic GMP metabolism in toad photoreceptors. Definition of the metabolic events subserving photoexcited and attenuated states. // J Biol Chem. 1988 Jun 25;263(18):8771-85.

33. Detwiler PB, Gray-Keller MP. Measurement of light-evoked changes in cytoplasmic calcium in functionally intact isolated rod outer segments. // Methods Enzymol. 2000;316:133-46.

34. Dizhoor A.M., Boikov S.G., Olshevskaya E.V. Constitutive activation of photoreceptor guanylate cyclase by Y99C mutant of GCAP-1. Possible role in causing human autosomal dominant cone degeneration.// J Biol. Chem. 1998.V. 273 P. 17311-17314.

35. Dizhoor A.M., Hurley J.B. Regulation of photoreceptor membrane guanylyl cyclases by guanylyl cyclase activator proteins.// Methods. 1999. V. 19. P. 521-531.

36. Dizhoor AM, Hurley JB. Inactivation of EF-hands makes GCAP-2 (p24) a constitutive activator of photoreceptor guanylyl cyclase by preventing a

37. Ca2+~induced "activator-to-inhibitor" transition. // J Biol Chem. 1996 Aug 9;271(32):19346~50.

38. Dizhoor AM, Lowe DG, Olshevskaya EV, Laura RP, Hurley JB. The human photoreceptor membrane guanylyl cyclase, RetGC, is present in outer segments and is regulated by calcium and a soluble activator. // Neuron. 1994 Jun;12(6):1345-52.

39. Dratz, E.A. and Hargrave, P.A. The structure of rhodopsin and the rod outer segment disk membrane. // Trends Biochem. Sci. 1983, 8,128-131.

40. Erickson MA, Lagnado L, Zozulya S, Neubert TA, Stryer L, Baylor DA. The effect of recombinant recoverin on the photoresponse of truncated rod photoreceptors. // Proc Natl Acad Sci USA. 1998 May 26;95(11):6474-9.

41. Ernst OP, Bieri C, Vogel H, Hofmann KP. Intrinsic biophysical monitors of transducin activation: fluorescence, UV-visible spectroscopy, light scattering, and evanescent field techniques. // Methods Enzymol. 2000;315:471-89.

42. Fain G.L, Matthews H.R, Cornwall M.C, Koutalos Y. Adaptation in vertebrate photoreceptors.//Physiol. Rev. 2001. V. 81. P. 117-151.

43. Fain GL, Matthews HR. Calcium and the mechanism of light adaptation in vertebrate photoreceptors. // Trends Neurosci. 1990 Sep;13(9):378-84.

44. Fain GL. Sensitivity of toad rods: Dependence on wave-length and background illumination. //J Physiol. 1976 Sep;261(l):71-101.

45. Fesenko E.E., Kolesnikov S.S., Lyubarsky A.L. Induction by cyclic GMP of cationic conductance in plasma membrane of retinal rod outer segment.//Nature. 1985. V. 313. № 6000. P. 310-313.

46. Flaherty K.M., Zozulya S., Stryer L., McKay D.B. Three-dimensional structure of recoverin, a calcium sensor in vision.// Cell. 1993 V. 75. № 4. P. 709-716.

47. Frins S, Bonigk W, Muller F, Kellner R, Koch KW. Functional characterization of a guanylyl cyclase-activating protein from vertebrate rods. Cloning, heterologous expression, and localization. // J Biol Chem. 1996 Apr 5;271(14):8022-7.

48. Gorczyca W.A., Gray-Keller M.P., Detwiler P.B., Palczewski K. Purification and physiological evaluation of a guanylate cyclase activating protein from retinal rods.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1994. V.91. P.4014-4018.

49. Gorczyca WA, Polans AS, Surgucheva IG, Subbaraya I, Baehr W, Palczewski K. Guanylyl cyclase activating protein. A calcium-sensitive regulator of phototransduction. // J Biol Chem. 1995 Sep 15;270(37):22029-36.

50. Gorodovikova EN, Gimelbrant AA, Senin II, Philippov PP. Recoverin mediates the calcium effect upon rhodopsin phosphorylation and cGMP hydrolysis in bovine retina rod cells.//FEBS Lett. 1994a Aug 1 ;349(2): 187-90.

51. Gorodovikova EN, Philippov PP. The presence of a calcium-sensitive p26-containing complex in bovine retina rod cells. // FEBS Lett. 1993 Dec 6;335(2):277-9.

52. Gorodovikova EN, Senin II, Philippov PP. Calcium-sensitive control of rhodopsin phosphorylation in the reconstituted system consisting of photoreceptor membranes, rhodopsin kinase and recoverin. // FEBS Lett. 1994b Oct 17;353(2): 171-2.

53. Gray-Keller M.P. and Detwiler P.B. The calcium feedback signal in the phototransduction cascade of vertebrate rods.// Neuron. 1994. V.13. P. 849-861.

54. Gurevich VV, Benovic JL. Cell-free expression of visual arrestin. Truncation mutagenesis identifies multiple domains involved in rhodopsin interaction. // J Biol Chem. 1992 Oct 25;267(30):21919-23.

55. Hamer RD. Computational analysis of vertebrate phototransduction: combined quantitative and qualitative modeling of dark- and light-adapted responses in amphibian rods. // Vis Neurosci. 2000 Sep-Oct;17(5):679-99.

56. Hargrave PA, McDowell JH. Rhodopsin and phototransduction: a model system for G protein-linked receptors.// FASEB J. 1992 Mar;6(6):2323-31.

57. Harley, J.B. and Stryer, L. Purification and characterization of the gamma regulatory subunit of the cGMP phosphodiesterase from retinal rod outer segments. // J. Biol. Chem. 1982, 257,11094-11099.

58. Harley, J.B. Signal transduction enzymes of vertebrate photoreceptors. // J. Bioenerg. andBiomemb. 1992, 24, 219-226.

59. Неск М, Hofmann КР. G-protein-effector coupling: a real-time light-scattering assay for transducin-phosphodiesterase interaction. // Biochemistry. 1993 Aug 17;32(32):8220-7.

60. Heck M, Pulvermuller A, Hofmann KP. Light scattering methods to monitor interactions between rhodopsin-containing membranes and soluble proteins. // Methods Enzymol. 2000;315:329-47.

61. Kawamura S, Hisatomi 0, Kayada S, Tokunaga F, Kuo CH. Recoverin has S-modulin activity in frog rods. // J Biol Chem. 1993 Jul 15;268(20): 14579-82.

62. Kawamura S. Rhodopsin phosphorylation as a mechanism of cyclic GMP phosphodiesterase regulation by S-modulin. // Nature. 1993 Apr 29;362(6423):855-7.

63. Kelleher DJ, Johnson GL. Characterization of rhodopsin kinase purified from bovine rod outer segments. I I J Biol Chem. 1990 Feb 15;265(5):2632-9.

64. Kisselev OG, Meyer CK, Heck M, Ernst OP, Hofmann KP. Signal transfer from rhodopsin to the G-protein: evidence for a two-site sequential fit mechanism. // Proc Natl Acad Sci USA. 1999 Apr 27;96(9):4898-903.

65. Klenchin V.A., Calvert P.D. and Bownds M.D. Inhibition of rhodopsin kinase by recoverin. Further evidence for a negative feedback system in phototransduction.//J. Biol. Chem. 1995. V.270. P. 16147-16152.

66. Koch KW, Stryer L. Highly cooperative feedback control of retinal rod guanylate cyclase by calcium ions. // Nature. 1988 Jul 7;334(6177):64-6.

67. Koch KW. Calcium as modulator of phototransduction in vertebrate photoreceptor cells. // Rev Physiol Biochem Pharmacol. 1994;125:149-92.

68. Koch KW. Purification and identification of photoreceptor guanylate cyclase. // J Biol Chem. 1991 May 5;266(13):8634-7.

69. Wilden U And Kuhn H. Light-dependent phosphorylation of rhodopsin: number of phosphorylation sites.//Biochemistry 1982 21: 3014-3022.

70. Kuhn H, Wilden U. Deactivation of photoactivated rhodopsin by rhodopsin-kinase and arrestin. // J Recept Res. 1987;7(l-4):283~98.

71. Kuhn H. Light- and GTP-regulated interaction of GTPase and other proteins with bovine photoreceptor membranes. // Nature. 1980 Feb 7;283(5747):587-9.

72. Kuhn H, Bennet N. Michel-Villaz M., Chabre M. Interactions between photoexcited rhodopsin and GTP-binding protein: kinetic and stoichiometric analyses from light-scattering changes // Proc. Nat.Acad. Sci. USA. 1981. V. 78. P. 6873-6877.

73. Laitko U, Hofmann KP. A model for the recovery kinetics of rod phototransduction, based on the enzymatic deactivation of rhodopsin. // Biophys J. 1998 Feb;74(2 Pt 1):803-15.

74. Lamb T.D. and Pugh Jr E.N. A quantitative account of the activation steps involved in phototransduction in amphibian photoreceptors// J. Physiol. 1992. V. 449. P. 719-758.

75. Leskov IB, Klenchin VA, Handy JW, Whitlock GG, Govardovskii VI, Bownds MD, Lamb TD, Pugh EN Jr, Arshavsky VY. The gain of rod phototransduction: reconciliation of biochemical and electrophysiological measurements. //Neuron. 2000 Sep;27(3):525-37.

76. Liebman P.A., Parker K.R. and Dratz E.A. The molecular mechanism of visual excitation and its relation to the structure and composition of the rod outer segment.//Ann. Rev. Physiol. 1987. V. 49. P. 765-791.

77. Lipkin VM, Dumler IL, Muradov KG, Artemyev NO, Etingof RN. Active sites of the cyclic GMP phosphodiesterase gamma-subunit of retinal rod outer segments. //FEBS Lett. 1988 Jul 18;234(2):287-90.

78. Lyubarsky A., Nikonov S., Pugh E.N. Jr. The kinetics of inactivation of the rod phototransduction cascade with constant Ca2+i// J. Gen. Physiol. 1996. V.107. № 1. P. 19-34.

79. Matthews H.R. Actions of Ca2+ on an early stage in phototransduction revealed by the dynamic fall in Ca2+ concentration during the bright flash response.//J. Gen. Physiol. 1997. V. 109. P. 141-146.

80. Matthews HR, Murphy RL, Fain GL, Lamb TD. Photoreceptor light adaptation is mediated by cytoplasmic calcium concentration. // Nature. 1988 Jul 7;334(6177):67-9.

81. Matthews HR. Effects of lowered cytoplasmic calcium concentration and light on the responses of salamander rod photoreceptors. // J Physiol. 1995 Apr 15;484 (Pt 2):267-86.

82. McNaughton PA. Light response of vertebrate photoreceptors. // Physiol Rev. 1990 Jul;70(3):847-83,

83. Mendez A, Burns ME, Sokal I, Dizhoor AM, Baehr W, Palczewski K, Baylor DA, Chen J. Role of guanylate cyclase-activating proteins (GCAPs) in setting the flash sensitivity of rod photoreceptors. // Proc Natl Acad Sci USA. 2001 Aug 14;98(17):9948-53.

84. Mullen, E. and Akhtar, M. Topographic and active site studies on bovine rhodopsin. // FEBS Lett. 1982,132, 261-264.

85. Nakatani K, Yau KW. Calcium and light adaptation in retinal rods and cones. //Nature. 1988 Jul7;334(6177):69-71.

86. Nikonov S, Engheta N, and Pugh Jr E.N. Kinetics of recovery of the dark-adapted salamander rod photoresponse.// J.Gen.Physiol. 1998. V. 111. P. 7-37.

87. Palczewski K, Buczylko J, Kaplan MW, Polans AS, Crabb JW. Mechanism of rhodopsin kinase activation. // J Biol Chem. 1991 Jul 15;266(20): 12949-55.

88. Palczewski K, Buczylko J, Lebioda L, Crabb JW, Polans AS. Identification of the N-terminal region in rhodopsin kinase involved in its interaction with rhodopsin. // J Biol Chem. 1993 Mar 15;268(8):6004-13.

89. Palczewski К, Buczylko J, Van Hooser P, Carr SA, Huddleston MJ, Crabb JW. Identification of the autophosphorylation sites in rhodopsin kinase. // J Biol Chem. 1992 Sep 15;267(26):18991-8.

90. Pepe IM. Rhodopsin and phototransduction. // J Photochem Photobiol B. 1999 Jan;48(l):l-10.

91. Pepperberg D.R, Cornwall M.C, Kahlert M, Hofmann K.P, Jin J, Jones G.J, Ripps H. Light-dependent delay in the falling phase of the retinal rod photoresponse.// Vis. Neurosci. 1992. V. 8. P. 9-18.

92. Pfister C, Chabre M, Plouet J, Tuyen VV, De Kozak Y, Faure JP, Kuhn H. Retinal S antigen identified as the 48K protein regulating light-dependent phosphodiesterase in rods. // Science. 1985 May 17;228(4701):891-3.

93. Philippov PP. Phototransduction and calcium. // Membr Cell Biol. 2000;13(2):195-206.

94. Pugh E, Altaian J. Phototransduction. A role for calcium in adaptation. //Nature. 1988 Jul7;334(6177):16-7.

95. Pugh EN Jr. Cobbs WH. Visual transduction in vertebrate rods and cones: a tale of two transmitters, calcium and cyclic GMP. // Vision Res. 1986;26(10):1613-43.

96. Pugh EN Jr. Variability in single photon responses: a cut in the Gordian knot of rod phototransduction? // Neuron. 1999 Jun;23(2):205-8.

97. Pugh Jr. E.N. and Lamb T.D. Amplification and kinetics of the activation steps in phototransduction//BBA. 1993. V. 1141. P. 111-149.

98. Pugh Jr. E.N. and Lamb T.D. Cyclic GMP and calcium: the internal messengers of excitation and adaptation in vertebrate photoreceptors// Vision Res. 1990. V. 30. P. 1923-1948.

99. Pugh Jr. E.N., Nikonov S. and Lamb T.D. Molecular mechanisms of vertebrate photoreceptor light adaptation// Curr. Opin. Neurobiol. 1999. V. 9. P. 410-418.

100. Pulvermuller A, Palczewski K, Hofmann KP. Interaction between photoactivated rhodopsin and its kinase: stability and kinetics of complex formation. //Biochemistry. 1993 Dec28;32(51):14082-8.

101. Ratto GM, Payne R, Owen WG, Tsien RY. The concentration of cytosolic free calcium in vertebrate rod outer segments measured with fura-2. //JNeurosci. 1988 Sep;8(9):3240-6.

102. Rayer B, Naynert M, Stieve H. Phototransduction: different mechanisms in vertebrates and invertebrates. // J Photochem Photobiol B. 1990 Nov;7(2-4):107-48.

103. Rieke F., Baylor D.A. Origin of reproducibility in the responses of retinal rods to single photons// Biophys. J. 1998. V. 75. P. 1836-1857.

104. Schleicher A, Hofmann KP. Kinetic study on the equilibrium between membrane-bound and free photoreceptor G-protein. // J Membr Biol. 1987;95(3):271-81.

105. Schleicher A., Kuhn H. and Hofmann K. P. Kinetics, binding constant, and activation energy of the 48-kDa protein-rhodopsin complex by extra-metarhodopsin II.// Biochemistry. 1989. V. 28. P. 1770 -1775.

106. Schnetkamp PP, Szerencsei RT, Basu DK. Unidirectional Na+, Ca2+, and K+ fluxes through the bovine rod outer segment Na-Ca-K exchanger. //J Biol Chem. 1991 Jan 5;266(1): 198-206.

107. Schwartz EA. First events in vision: the generation of responses in vertebrate rods. // J Cell Biol. 1981 Aug;90(2):271-8.

108. Senin I.I., Fischer Т., Komolov K.E., Zinchenko D.V., Philippov P.P., Koch K.W. Ca2+-myristoyl switch in the neuronal calcium sensor recoverin requires different functions of Ca2+-binding sites.// J. Biol. Chem. 2002 V. 277. № 52. P. 50365-50372.

109. Senin II, Koch KW, Akhtar M, Philippov PP. Ca2+-dependent control of rhodopsin phosphorylation: recoverin and rhodopsin kinase. // Adv Exp Med Biol. 2002;514:69-99.

110. Stryer L, Bourne ER. G proteins: a family of signal transducers. // Annu Rev Cell Biol. 1986;2:391-419.

111. Stryer L. Cyclic GMP cascade of vision. // Annu Rev Neurosci. 1986;9:87-119.

112. Stryer L. Molecular design of an amplification cascade in vision. // Biopolymers. 1985 Jan;24(l):29-47.

113. Stryer L. Visual excitation and recovery. // J Biol Chem. 1991 Jun 15;266(17):10711-4.

114. Stryer, L., Hurley, J.B. and Fung, B.K. First stage of amplification in the cyclic nucleotide cascade of vision. // Trends Biochem. Sci. 1981, 6, 245-247.

115. Yamazaki A, Hayashi F, Tatsumi M, Bitensky MW, George JS. Interactions between the subunits of transducin and cyclic GMP phosphodiesterase in Rana catesbiana rod photoreceptors. // J Biol Chem. 1990 Jul 15;265(20): 11539-48.

116. Yang CS, Skiba NP, Mazzoni MR, Hamm HE. Conformational changes at the carboxyl terminus of Galpha occur during G protein activation. // J Biol Chem. 1999 Jan 22;274(4):2379-85.

117. Yau K.W., Baylor D.A. Cyclic GMP-activated conductance of retinal photoreceptor cells.// Annu. Rev. Neurosci. 1989. V. 12 P. 289-327.

118. Yu H., Olshevskaya E., Duda Т., Seno K., Hayashi F„ Sharma R.K., Dizhoor A.M., Yamazaki A. Activation of retinal guanylyl cyclase-1 by Ca2+-binding proteins involves its dimerization.// J. Biol. Chem. 1999. V. 274. P.15547-15555.

119. Zhao X, Huang J, Khani SC, Palczewski K. Molecular forms of human rhodopsin kinase (GRK1). // J Biol Chem. 1998 Feb 27;273(9):5124-31.

Информация о работе

Юнусов, Руслан Рауфович
кандидата физико-математических наук
Москва, 2006
ВАК 03.00.02

Диссертация

Математическое моделирование процесса фототрансдукции в палочках сетчатки - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы