Котов Н.В., Волченко А.М., Давыдов Д.А., Костылева Е.К., Садыков И.Х., Платов К.В.
Казанский государственный университет, физический факультет, кафедра радиоэлектроники, лаб. бионики, 420008, Казань, Кремлевская 18, Россия
Paramecium - это род одноклеточных организмов, ведущих активный образ жизни. Несмотря на то, что прошло уже около 100 лет со дня опубликования первых работ, в которых дается описание некоторых двигательных реакций Paramecium, механизмы их формирования во многом остаются непонятными. В последние двадцать лет большой группой исследователей накоплен громадный материал по структуре различных клеточных элементов, свойствам электровозбудимой цитоплазматической мембраны, белковому составу и свойствам отдельных белков, входящих в систему управления двигательной активностью парамеций и получено большое количество мутантов с нарушениями двигательной активности. Кроме того, сегодня уже есть определенные представления о работе ряда модулей, входящих в структуру механизма двигательной активности. Все это позволяет проводить системные исследования механизма формирования двигательной активности парамеций.
Результаты, которые при этом получаются, относятся не только к парамециям. Они могут быть использованы для анализа молекулярных систем многих клеток эукариот, поскольку механизм формирования двигательной активности парамеций базируется на свойствах элементов и модулей, входящих в структуру систем, формирующих активность самых различных клеток.
В данной работе приводятся результаты наших системных исследований двигательной активности Paramecium caudatum. Дается количественное описание различных двигательных реакций парамеций, строятся морфологические и функциональные схемы системы, управляющей движением, и анализируются их молекулярные механизмы. Этот анализ нами проводится на основе построения математической модели, включающей в себя модели трех типов: модели, представляющие свойства отдельных белков и белковых модулей, входящих в контуры управления двигательной активностью, модели электровозбудимой мембраны и модели, описывающие механику движения клетки. Верификация этих моделей происходит на основе экспериментальной проверки различных следствий, которые получаются из анализа этих моделей. Все это позволяет связать события, происходящие на молекулярном уровне, с двигательной активностью клетки, с тем, что делает клетка.
Нами показано, что молекулярная система, состоящая из нескольких типов потенциало- и лиганд-зависимых каналов (калиевых и кальциевых), кальмодулина, аденилатциклаз, гуанилатциклазы, фосфодиэстераз, Са2+-кальмодулин, cAMP-, cGMP-зависимых протеинкиназ, фосфопротеинфосфатаз и т.д., (показано, что все это у парамеций есть) обладает свойствами, обеспечивающими управление несколькими двигательными реакциями. И даже можно сказать, что в свойствах этой системы заложено автоматическое решение определенных двигательных задач, требующих достаточно сложного маневрирования. К этим задачам можно отнести: задачи маневрирования в среде с различными препятствиями, задачи поиска пищи или полового партнера, двигательные задачи защиты и т.д.
Полученные результаты могут быть использованы для разработки методик диагностики и лечения, репроектирования, проектирования, определения оптимальных режимов эксплуатации различных молекулярных систем, управляющих клеточной активностью эукариот. Кроме того, полученные результаты могут быть использованы при разработке методик биотестирования биологически активных соединений, скрининга мутантов.