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
Секрет 14-го моря России: куда оно пропало и почему о нем снова заговорили?
Эксперты напоминают: Кроме Печорского, у России есть и 15-е «забытое» море, и оно тоже возвращается на карты...
Главная тайна Черного моря разгадана: Ученые рассказали, почему там на дне очень прозрачная пресная вода
Чтобы найти ответ, исследователям пришлось заглянуть на 8 тысяч лет назад...
Золотой колокольчик из Эрмитажа: почему Владимир Путин запретил выставлять этот артефакт за границей?
Сколько сокровищ потеряла Россия в последнее время, пока не поняла, что договоры с Западом не стоят даже бумаги, на которой написаны?...
Мегамонстры с 7-го этажа: в древних океанах шла такая война хищников, где у современных косаток не было бы ни единого шанса
Ученые рассказали, куда исчезли «боги» мезозойских морей и почему сейчас их существование было бы невозможно...
Мощнее леса в десятки раз: в ЮАР нашли «живые камни», которые выкачивают CO₂ с бешеной скоростью
Микробиалиты могли бы спасти Землю от потепления, но у этих «каменных насосов» есть один нюанс...
3500-летние рисунки на камнях российского острова Вайгач грозят переписать древнюю историю Арктики
Ученые рассказали, кем были мореходы из забытой цивилизации Русского Севера...
Грядет научный прорыв: Зачем в последние годы ученые по всему миру создают очень странные компьютеры?
Новые аппараты… не просто живые: они стирают различия между ЭВМ и человеческим мозгом...
20-летнее наблюдение со спутников «сломало климат»: Теперь ученым придется полностью менять все теории
Зато теперь понятно, почему в двух близких городах могут быть... разные времена года...
Ученые рассказали, какой фрукт подчинил себе весь Китай
Как продукт с очень специфическим запахом стал управлять дипломатией и экономикой Юго-Восточной Азии?...
Она нам больше не праматерь! Почему легендарную Люси могут «изгнать» из числа наших предков?
Ведущие антропологи мира схлестнулись в настоящей войне. Кто же окажется победителем?...
Американский авиалайнер резко рухнул на 7000 метров: эксперты считают виновником сбоя космические лучи из глубин Галактики
В этот раз катастрофа не произошла, но под угрозой электроника самолетов, космических аппаратов и даже автомобилей. Почему так происходит?...
Забытые истории: где искать потерянные русские города?
Последний языческий город, почему Тмутаракань — головная боль археологов и что не так со Старой Рязанью...