
Как математика помогает понять, что происходит в наших кровяных клетках
Исследователи из Института цитологии (ИНЦ) РАН разработали математическую модель, которая позволяет анализировать ионный транспорт в эритроцитах — красных кровяных клетках, отвечающих за перенос кислорода и других важных веществ в организме. Эта модель может помочь выявить причины и последствия нарушений в этом процессе, а также быть применима для изучения других типов клеток.
Эритроциты — один из трех основных типов клеток крови, которые образуются в костном мозге и живут около 120 дней. Они имеют дискоидную форму и не содержат ядра, что позволяет им легко проникать в узкие сосуды и обеспечивать транспорт кислорода от легких ко всем тканям организма. Кроме того, эритроциты участвуют в свертывании крови, переносе ферментов, витаминов и аминокислот.
Для выполнения своих функций эритроциты используют специальные белки — ионные каналы и переносчики, которые расположены на поверхности клеточной мембраны. Эти белки позволяют эритроцитам поддерживать динамическое равновесие с окружающей средой и проникать в клетку необходимые для организма ионы натрия, калия и хлора. Эти ионы регулируют объем клетки, электрический потенциал мембраны, активность ферментов и другие процессы.
Нарушение работы ионных каналов и переносчиков может привести к серьезным проблемам для организма. Например, известно, что при некоторых наследственных заболеваниях, таких как сфероцитоз или эллиптоцитоз, происходят деформации формы эритроцитов из-за дефектов мембраны. Это уменьшает способность этих клеток переносить кислород и увеличивает риск анемии, тромбоза и инфаркта.
Математическая модель, разработанная в ИНЦ РАН, представляет собой систему уравнений, которые описывают перенос ионов калия, натрия и хлора через мембрану эритроцитов. С помощью изменения коэффициентов этих уравнений можно оценить, как эти процессы влияют на функционирование клетки.
Модель, используя минимальный набор экспериментальных данных, позволяет описать процесс переноса ионов в эритроцитах, определять причины нарушений этого процесса, а также прогнозировать динамику этих нарушений
— старший научный сотрудник группы моделирования нейродегенеративных заболеваний ИНЦ РАН Валентина Юринская.

Результаты применения матмодели, изложенные в виде графиков.
Модель использует минимальный набор экспериментальных данных, таких как концентрации ионов внутри и снаружи клетки, потенциал мембраны, скорость потока ионов через каналы и переносчики. На основе этих данных модель позволяет выявить причины нарушений в ионном транспорте и предсказать их последующую динамику.
Кроме того, исследование показало, что такая модель может быть применима и для изучения других типов клеток, таких как нейроны, мышечные клетки или эпителиальные клетки. Для этого достаточно изменить набор ионных каналов и переносчиков, участвующих в транспорте ионов.
Разработанная в ИНЦ РАН математическая модель может быть полезна для обнаружения нарушений в работе ионного транспорта в эритроцитах, которые могут быть связаны с различными заболеваниями или факторами окружающей среды. Например, модель может помочь изучить, как изменяется транспорт ионов в клетках во время апоптоза — процесса гибели клеток, которым организм регулирует свои запасы клеток. Апоптоз может быть вызван различными причинами, такими как стресс, инфекции, радиация или химические вещества.
Использование математических методов позволяет получить результаты, которые не достижимы другими методами изучения клеточных процессов. Например, модель позволяет учитывать нелинейность и сложность системы, а также уменьшить количество необходимых экспериментов.
— Валентина Юринская.
Исследование было поддержано Минобрнауки России, оно является частью большой работы сотрудников ИНЦ РАН по исследованию различных аспектов ионного гомеостаза в клетках. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Plos One.
Как работают эритроциты
Эритроциты — один из трех основных типов клеток крови, которые образуются в костном мозге и живут около 120 дней. Они имеют дискоидную форму и не содержат ядра, что позволяет им легко проникать в узкие сосуды и обеспечивать транспорт кислорода от легких ко всем тканям организма. Кроме того, эритроциты участвуют в свертывании крови, переносе ферментов, витаминов и аминокислот.
Для выполнения своих функций эритроциты используют специальные белки — ионные каналы и переносчики, которые расположены на поверхности клеточной мембраны. Эти белки позволяют эритроцитам поддерживать динамическое равновесие с окружающей средой и проникать в клетку необходимые для организма ионы натрия, калия и хлора. Эти ионы регулируют объем клетки, электрический потенциал мембраны, активность ферментов и другие процессы.
Нарушение работы ионных каналов и переносчиков может привести к серьезным проблемам для организма. Например, известно, что при некоторых наследственных заболеваниях, таких как сфероцитоз или эллиптоцитоз, происходят деформации формы эритроцитов из-за дефектов мембраны. Это уменьшает способность этих клеток переносить кислород и увеличивает риск анемии, тромбоза и инфаркта.
Что делает математическая модель
Математическая модель, разработанная в ИНЦ РАН, представляет собой систему уравнений, которые описывают перенос ионов калия, натрия и хлора через мембрану эритроцитов. С помощью изменения коэффициентов этих уравнений можно оценить, как эти процессы влияют на функционирование клетки.
Модель, используя минимальный набор экспериментальных данных, позволяет описать процесс переноса ионов в эритроцитах, определять причины нарушений этого процесса, а также прогнозировать динамику этих нарушений
— старший научный сотрудник группы моделирования нейродегенеративных заболеваний ИНЦ РАН Валентина Юринская.

Результаты применения матмодели, изложенные в виде графиков.
Модель использует минимальный набор экспериментальных данных, таких как концентрации ионов внутри и снаружи клетки, потенциал мембраны, скорость потока ионов через каналы и переносчики. На основе этих данных модель позволяет выявить причины нарушений в ионном транспорте и предсказать их последующую динамику.
Кроме того, исследование показало, что такая модель может быть применима и для изучения других типов клеток, таких как нейроны, мышечные клетки или эпителиальные клетки. Для этого достаточно изменить набор ионных каналов и переносчиков, участвующих в транспорте ионов.
Зачем это нужно
Разработанная в ИНЦ РАН математическая модель может быть полезна для обнаружения нарушений в работе ионного транспорта в эритроцитах, которые могут быть связаны с различными заболеваниями или факторами окружающей среды. Например, модель может помочь изучить, как изменяется транспорт ионов в клетках во время апоптоза — процесса гибели клеток, которым организм регулирует свои запасы клеток. Апоптоз может быть вызван различными причинами, такими как стресс, инфекции, радиация или химические вещества.
Использование математических методов позволяет получить результаты, которые не достижимы другими методами изучения клеточных процессов. Например, модель позволяет учитывать нелинейность и сложность системы, а также уменьшить количество необходимых экспериментов.
Наша разработка может быть использована для выявления нарушений в работе ионного транспорта в эритроцитах. Кроме того, мы обнаружили, что эту модель можно использовать и для изучения различных типов клеток. Использование математических методов позволяет получить результаты, которые недостижимы другими методами изучения клеточных процессов
— Валентина Юринская.
Исследование было поддержано Минобрнауки России, оно является частью большой работы сотрудников ИНЦ РАН по исследованию различных аспектов ионного гомеостаза в клетках. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Plos One.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас

«Инопланетяне» на Земле? Древние 8-метровые «грибы» оказались совершенно неизвестной формой жизни
Вот уже 180 лет подряд живые «башни» ставят в тупик всю науку....

Скрытые миллиарды: население Земли оказалось гораздо больше, чем считалось
Новые исследования бросают вызов официальным демографическим данным....

«Шерстистый дьявол» обнаружен в пустыне, на границе Мексики и США
Ученые говорят: такой уникальной находки не было последние полвека....

Американские спецслужбы скрывают правду о самой древней из библейских реликвий?
Экстрасенс ЦРУ предупредил: Ковчег Завета убьет каждого, кто к нему прикоснется....

Похоже, что проблема космического мусора в скором времени будет решена раз и навсегда
Новая технология не только очистит космос, но и поможет спутникам работать втрое дольше....

Почему мы не помним себя младенцами? Новое исследование дало ответы
Возможно, помним, но «ларчик» заперт....

Археологи ликуют: в Испании нашли рисунки, которые старше человечества!
200 000-летняя находка заставит пересмотреть учебники....

iPhone, давай до свидания! Илон Маск презентовал инновационный смартфон PhoneX
Это устройство слишком прекрасно для нашей реальности....

Ученые рассказали и показали, как выглядит Антарктида без льда
Высокие горы, глубочайшие каньоны, 58 метров до Апокалипсиса и множество других тайн....

Самые массовые и дикие розыгрыши на 1 апреля в мировой истории
Это вам не просто «вся спина белая»....

Кислород устарел! Ученые нашли новый ключ к внеземной жизни
Гицеанические миры могут стать новой надеждой астрофизиков....

Ученые поражены: мыши, как спасатели, оживляют своих сородичей, попавших в беду
Открытие, от которого дрогнет даже самое черствое сердце....

На 100 000 лет раньше людей: ученые рассказали, кто устроил первые похороны на планете
Загадочные карлики Homo naledi, чей мозг был размером с апельсин, оказались не глупее нас с вами....

Секретная мутация гена: оказалось, ее имеют все обитатели Марианской впадины
Поразительное открытие китайских ученых может изменить всю теорию эволюции....

10 лет за 48 часов: ИИ полностью переиграл ученых в поисках секрета супербактерий
Однако эксперты предупреждают: нейросети не только ускоряют науку, они запросто могут столкнуть нас в пропасть....

Ученый рассказал, как использовались загадочные артефакты из гробницы Тутанхамона
Это было как в фильме «Мумия»: «Фараон должен воскреснуть!»...