耦合肝細(xì)胞中鈣信號(hào)的同步性研究.pdf

1、細(xì)胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，鈣離子(Ca2+)則是細(xì)胞內(nèi)廣泛存在的最重要的胞內(nèi)信使之一，幾乎所有的生命活動(dòng)(如細(xì)胞的分裂、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等)均與胞內(nèi)Ca2+信號(hào)有關(guān)。而且細(xì)胞質(zhì)中Ca2+振蕩是代表細(xì)胞水平上周期行為的最普遍的例子，具有重要的的生理學(xué)意義。近年來，用非平衡統(tǒng)計(jì)物理研究細(xì)胞鈣離子信號(hào)已成為目前國際生物物理學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)的前沿課題之一。本文正是利用非線性隨機(jī)動(dòng)力學(xué)的理論和方法研究了耦合細(xì)胞中Ca2+振蕩的機(jī)制和同步行為

2、。 為了解釋肝細(xì)胞中的Ca2+振蕩的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，人們提出了一些關(guān)于耦合肝細(xì)胞中Ca2+動(dòng)力學(xué)的理論模型。雖然這些模型能較好地解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但也有其局限性。如忽略了三磷酸肌醇(inositol1，4，5-trisphosphate，簡稱IP3，一種重要的第二信使，能結(jié)合并激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Ca2+通道)的效應(yīng)；忽略了噪聲強(qiáng)度對(duì)同步的影響；較少考慮多細(xì)胞耦合的組織等。因此，在已有的關(guān)于耦合肝細(xì)胞中Ca2+振蕩的研究基礎(chǔ)上，按照從確定論

3、層次到隨機(jī)層次、從單細(xì)胞到多細(xì)胞的研究思路，本文較深入地研究了耦合強(qiáng)度、IP3水平、噪聲等因素對(duì)耦合肝細(xì)胞中的Ca2+振蕩的同步性的影響。 首先，在確定論層次上，本文研究了一對(duì)耦合細(xì)胞中Ca2+振蕩的同步性與耦合強(qiáng)度和IP3水平的關(guān)系。理論模擬結(jié)果驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)論—足夠大和持續(xù)的IP3水平對(duì)于耦合細(xì)胞中IP3誘導(dǎo)的Ca2+振蕩達(dá)到同步是必要條件；發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)Ca2+和IP3分別作為間隙耦合因子對(duì)于耦合細(xì)胞中Ca2+振蕩達(dá)到同步都是十分

4、有效的；耦合肝細(xì)胞中Ca2+振蕩的相鎖定比率與耦合強(qiáng)度和IP3水平的關(guān)系表現(xiàn)出的“魔鬼階梯”的構(gòu)像說明系統(tǒng)中不僅存在1：1的相鎖定，還存在多樣的諧波鎖定；給出了以耦合強(qiáng)度和IP3水平為二維參數(shù)平面上的同步性的相圖；通過計(jì)算不同細(xì)胞中Ca2+濃度的交叉關(guān)聯(lián)時(shí)間發(fā)現(xiàn)存在最佳的耦合強(qiáng)度和IP3刺激水平，此時(shí)系統(tǒng)獲得最佳的同步性。 其次，在隨機(jī)層次上，利用朗之萬方法描繪Ca2+通道的隨機(jī)門控動(dòng)力學(xué)，分別研究了噪聲對(duì)兩和三個(gè)耦合細(xì)胞中Ca

5、2+隨機(jī)振蕩的同步性的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著耦合強(qiáng)度的變化，每個(gè)細(xì)胞中的Ca2+振蕩信號(hào)的峰間間隔直方圖ISIH、相差△φ、相對(duì)相差φ及其分布等物理量均存在從非同步到同步的相變過程；在耦合強(qiáng)度和Ca2+通道數(shù)目(反應(yīng)噪聲強(qiáng)度的參量)的參數(shù)空間中，發(fā)現(xiàn)存在相干共振的區(qū)域。 最后，首次利用平均場耦合方法，研究了大量的細(xì)胞耦合著的生物學(xué)組織中Ca2+振蕩的同步性。分別計(jì)算了量度系統(tǒng)有序度的序參量O、刻畫系統(tǒng)相同步程度的有序度S、量度