Механізми пасивної проникності до неелектролітів та індекс сферичності еритроцитів людини

Аналіз результатів дослідження впливу температури на проникність мембран еритроцитів для 1,2-пропандіолу та диметилсульфоксиду свідчить про існування термоіндукованих змін енергії активації проникності еритроцитарних мембран при температурах 8-12оС, 18-20оС та 25-30оС для обох досліджених речовин. Зміни енергії активації для 1,2-ПД є більш вираженими, але вірогідність різниці енергій активації для всіх пар суміжних діапазонів температур для обох речовин становить 0,99. Задовільно збігаються також температури зламів ареніусових залежностей для всіх донорів (табл.3.). Визначені температури зламів ареніусових залежностей лежать в інтервалах температур, відомих як критичні, в яких відбуваються зміни швидкостей багатьох біологічних процесів, пов'язаних з мембранами еритроцитів. Слід зазначити, що залежність величини видимої енергії активації від температури в інтервалі 25-30-37оС є більш пологою, ніж в інших точках зламів, що свідчить про безперервні поступові зміни у стані мембрани.

Отримані температурні залежності пасивної проникності мембран еритроцитів людини до неелектролітів можна інтерпретувати таким чином. При зниженні температури середовища від фізіологічного (тобто від 37оС) текучість мембрани поступово зменшується, що викликає поступове збільшення енергії активації пасивного проникання неелектролітів крізь ліпідний бішар. Енергія активації набуває при цьому найбільшого значення в інтервалі температур 25-20оС. Очевидно, що при температурі 20оС цей процес переходить з кількісної фази в якісну. Різке зменшення енергії активації пасивного проникання неелектролітів при цій температурі може бути наслідком розділення фаз в багатокомпонентній фосфоліпідній системі, на яку вказують в роботі (Minetti M. et al. 1984). Цей процес приводить до появи дефектів упаковки ліпідних молекул на границях розділу фаз, а, отже, і до збільшення проникності. Енергія активації в діапазоні 20-12оС набуває низьких значень. Повторне ж різке збільшення енергії активації пасивного проникання електронейтральних молекул при температурах 12-8оС пов'язано з глобальним структурним переходом в мембранах еритроцитів, в який залучені всі компоненти мембрани як ліпідні, так і білкові. При цьому структурний перехід торкається як периферійних білків цитоскелетного комплексу, так і інтегральних білків мембрани, зокрема білка смуги 3. Залучення до структурного переходу, що відбувається в інтервалі температур 12-8оС інтегрального білка смуги 3 призводить, очевидно, до різкого зменшення проникності по білкових каналах, або зовсім усуває цей шлях проникання малих електронейтральних молекул.

Таблиця 2 - Енергії активації проникання 1,2-ПД та ДМСО крізь мембрани еритроцитів людини в різних температурних діапазонах.

Отримані температурні залежності пасивної проникності мембран еритроцитів людини до неелектролітів можна інтерпретувати таким чином. При зниженні температури середовища від фізіологічного (тобто від 37оС) текучість мембрани поступово зменшується, що викликає поступове збільшення енергії активації пасивного проникання неелектролітів крізь ліпідний бішар. Енергія активації набуває при цьому найбільшого значення в інтервалі температур 25-20оС. Очевидно, що при температурі 20оС цей процес переходить з кількісної фази в якісну. Різке зменшення енергії активації пасивного проникання неелектролітів при цій температурі може бути наслідком розділення фаз в багатокомпонентній фосфоліпідній системі, на яку вказують в роботі (Minetti M. et al. 1984). Цей процес приводить до появи дефектів упаковки ліпідних молекул на границях розділу фаз, а, отже, і до збільшення проникності. Енергія активації в діапазоні 20-12оС набуває низьких значень. Повторне ж різке збільшення енергії активації пасивного проникання електронейтральних молекул при температурах 12-8оС пов'язано з глобальним структурним переходом в мембранах еритроцитів, в який залучені всі компоненти мембрани як ліпідні, так і білкові. При цьому структурний перехід торкається як периферійних білків цитоскелетного комплексу, так і інтегральних білків мембрани, зокрема білка смуги 3. Залучення до структурного переходу, що відбувається в інтервалі температур 12-8оС інтегрального білка смуги 3 призводить, очевидно, до різкого зменшення проникності по білкових каналах, або зовсім усуває цей шлях проникання малих електронейтральних молекул.

Отримані результати підтвердили високу чутливість розробленого методу визначення коефіцієнтів проникності еритроцитів для електрично нейтральних речовин, який забезпечує адекватну оцінку досліджуваного параметра, реєструючи тонкі зміни в перебігу складних процесів проникання молекул крізь біологічні мембрани.

РОЗДІЛ 6 присвячений методу визначення та дослідженню розподілу еритроцитів у популяції за індексом сферичності. На підставі фізико-математичної моделі процесів масопереносу через мембрани клітин, вміщених в гіпотонічний розчин непроникаючої речовини, та експериментальних кривих осмотичної крихкості розроблено метод визначення щільності розподілу еритроцитів за індексом сферичності. З простих геометричних міркувань випливає, що відносний об'єм ys, при якому еритроцит перетворюється у сферу, визначається рівністю

, (28)

де Р0 ми називаємо індексом сферичності еритроцита в первісному стані.

З експериментальних залежностей осмотичної крихкості (тобто залежності частки еритроцитів, що не зазнали гемолізу, від осмотичного тиску позаклітинного середовища) отримуємо функцію розподілу параметра ys в популяції еритроцитів даного донора

, (29)

Диференціюючи по ys, отримуємо відповідні щільності розподілу параметра ys в популяції еритроцитів відповідного донора.

Розробленим методом нами було досліджено розподіл еритроцитів за індексом сферичності в популяціях здорових дорослих донорів, людей з ендокринною патологією та в пуповинній крові людини. Показано, що розподіл еритроцитів в популяціях здорових дорослих донорів за індексом сферичності має вигляд, близький до гаусового і характеризується гладким перебігом кривої з одним максимумом (рис.3).

Максимальну питому вагу мають клітини з індексом сферичності в інтервалі від 1.38 до 1.58. Одержані чисельні значення індексів сферичності центрів розподілів відповідають відомим з літератури величинам об'єму та площі поверхні мембран еритроцитів.

Відомо, що розподіл еритроцитів за різними характеристиками суттєво змінюється в онтогенезі людини. Результати показали, що запропонована характеристика також виявляє значну неоднорідність цих популяцій. Індивідуальні криві розподілу еритроцитів пуповинної крові за індексом сферичності мають, як правило, полімодальний характер і є сумою нормальних розподілів кількох субпопуляцій. Значну питому вагу мають еритроцити, близькі до сферичних (з індексом сферичності 1.05-1.25): від 11.5% до 18%, порівняно з 4% в середньому для здорових дорослих донорів. В той же час відсоток сплощених клітин з індексом сферичності в діапазоні 1.6-2.3 (~14%) також значно перевищує такий для здорових дорослих донорів (~8%).

Виявлено, що характерною рисою розподілу еритроцитів за індексом сферичності для груп хворих з ендокринною патологією є бі- та тримодальний вигляд кривих, як при гіпер-, так і при гіпотиреозі. У випадку гіпертиреозу серед клітин з нестандартним індексом сферичності більшу питому вагу (біля 25%) мають клітини з меншим індексом сферичності в діапазоні 1,07-1,22, і тільки 10% клітин мали індекс сферичності в діапазоні 1,73-1,9. Це добре видно на індивідуальних кривих розподілу.

У випадку гіпотиреозу криві частіше мають тримодальний вигляд (рис.5) з більшою питомою вагою (біля 30%) сплощених клітин в діапазоні індексів сферичності 1,65-2,46, ніж близьких до сферичних (біля 3%) в діапазоні 1,015-1,3.

До того ж індекс сферичності сплощених клітин значно перевищує індекс сферичності молодих дискоїдних клітин в контрольних зразках в яких дуже незначний відсоток клітин перевищував значення 1,9.

В роботі досліджено вплив температури на розподіл еритроцитів за індексом сферичності. Розташування та зсув центру головного максимуму розподілів подано в наведених даних видно, що зниження температури від 37 до 3оС приводить до зсуву максимумів розподілів в область менших індексів сферичності і значного збільшення кількості клітин, що мають низький індекс сферичності, тобто більш наближених до сферичних. Цей результат цілком узгоджується з існуючими наразі уявленнями щодо впливу температури на геометричні параметри еритроцитів та їх осмотичну крихкість.

Таблиця 3 - Вплив температури на розташування та зсув максимуму щільності розподілу еритроцитів за індексом сферичності

З отриманих експериментальних даних можна оцінити величину коефіцієнта теплового розширення площі поверхні мембран еритроцитів в інтервалі температур від 3 до 370С. Враховуючи, що , де k- коефіцієнт теплового розширення площі поверхні мембрани еритроцита, та з визначення індексу сферичності отримуємо

, (30)

Підставляючи у отримане співвідношення одержані експериментальні дані для усередненої кривої, тобто Р0=1.48, Р=0,18 для інтервалу температур від 3 до 37оС (тобто для Т=34), отримуємо значення коефіцієнта теплового розширення площі поверхні мембрани еритроцита k=2,410-3/оC, яке задовільно узгоджується з виміряним мікропіпетковим методом (Ивенс И., Скейлак Р., 1982).

Отже, розроблений метод визначення щільності розподілу еритроцитів за індексом сферичності є чутливим інформативним тестом для кількісної оцінки стану популяції еритроцитів при різних патологіях, а також за дії зовнішніх чинників, наприклад, температури.

У ПІДСУМКУ узагальнені отримані теоретичні та експериментальні результати. Зроблено висновок, що проведене в роботі теоретичне дослідження процесів масопереносу крізь біологічні мембрани, побудова фізико-математичних моделей гіпотонічного гемолізу дозволили розробити адекватні методи вивчення біофізичних характеристик еритроцитів та їх мембран. За допомогою цих методів з'ясовані механізми проникання низки речовин крізь еритроцитарні мембрани, досліджено вплив температури на стан мембран та їх проникність. Показано, що еритроцитарна популяція є неоднорідною і характеризується розкидом геометричних параметрів еритроцитів. Розподіл еритроцитів за індексом сферичності тісно пов'язаний зі станом здоров'я людини.

ВИСНОВКИ

3. За розробленим методом визначено коефіцієнти проникності мембран немодифікованих та оброблених блокатором білкових каналів (pCMBS) еритроцитів людини для діолів, амідів, гліцерину та його моноалкілових ефірів (18 речовин).

4. Встановлено, що досліджені речовини проникають в клітини як крізь білкові гідрофільні канали сталого розміру, утворені інтегральним білком смуги 3, так і безпосередньо крізь ліпідний бішар.

5. На підставі аналізу отриманих експериментальних даних показано, що проникання молекул досліджених речовин крізь білкові канали здійснюється разом з молекулами води, що утворюють їх гідратну оболонку.

6. Проникання молекул низки досліджених речовин крізь білкові гідрофільні канали різко зменшується через стеричні обмеження, якщо діаметр молекул проникаючої в клітини речовини перевищує 4.

7. Проникання молекул низки досліджених речовин безпосередньо крізь ліпідний бішар сильно корелює (r=0,94-0,99) з коефіцієнтами їх розподілу в системі “n-октанол - вода“ та обернено пропорційно залежить від об'єму проникаючих молекул.

8. Шляхом дослідження впливу температури на коефіцієнти проникності мембран еритроцитів людини для 1,2-пропандіолу та диметилсульфоксиду встановлено існування термоіндукованих структурно-фазових перетворень в мембранах цих клітин за температур 8-12oС, 18-20oС та 28-30єС.

9. За допомогою розробленого нами методу показано, що розподіл за індексом сферичності здорових дорослих донорів є близьким до гаусового з максимумом за середніх значень індексу сферичності 1,48.

10. Для хворих з ендокринною патологією розподіл еритроцитів за індексом сферичності є бі- або тримодальним, як при гіпер-, так і при гіпотиреозі.

11. При гіпертиреозі біля 25% еритроцитів мають аномально малий індекс сферичності (1,07-1,22), тоді як при гіпотиреозі біля 30% клітин мають збільшений (1,65-2,46).

12. Зниження температури від 37оС до 3оС приводить до зсуву розподілу еритроцитів за індексом сферичності в область менших значень за рахунок теплового стискання їх мембран. Розрахований за експериментальними даними коефіцієнт теплового стискання площі поверхні мембран еритроцитів становить 2,4·10-3/єС.

13. Вперше отримані співвідношення між транспортними характеристиками клітинних мембран (коефіцієнт фільтрації, коефіцієнт проникності та коефіцієнт відбиття для електронейтральної розчиненої речовини) та коефіцієнтами тертя між окремими компонентами для рухомої мембрани довільної форми.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гордиенко Е.А., Гордиенко О.И., Иткин Ю.А. Термодинамическая модель пассивного переноса многокомпоненотной жидкости через замкнутую избирательно проницаемую мембрану//Криобиология и криомедицина.-1981.-9.-С.29-36.

2. Гордиенко О.И., Емец Б.Г., Жилякова Т.А., Шейкин В.И. Температурная зависимость водной диффузионной проницаемости мембран эритроцитов в средах с различной ионной силой//Биол.мембраны.-1985.-2, N3.-С.310-314.

3. Гордиенко Е.А., Гордиенко О.И. О механизме осмотического лизиса эритроцитов //Криобиология.-1986.-2.-С.23-25.

4. Гордиенко О.И., Гордиенко Е.А. Влияние температуры и состава среды на пассивную проницаемость мембран эритроцитов для ионов калия//Биол. мембраны.-1986.-3,№8.-С.869-872.

5. Стусь Л.К., Лоевский М.М., Липина О.В., Гордиенко О.И., Куракса В.М. Функциональная неравнозначность эритроцитов донорской крови в связи с их различной кислотной резистентностью//Гематол. и трансфузиол.-1988.-2.-С.49-52.

6. Стусь Л.К., Куракса В.М., Гордиенко О.И., Лоевский М.М. Прогнозирование степени повреждения эритроцитов при гипотермическом хранении крови по исходным показателям эритроцитарной суспензии//Гематол. и трансфузиол.-1988.-4.-С.44-48.

7. Гордиенко Е.А., Гордиенко О.И., Коваленко И.Ф., Смольянинова Е.И. К вопросу о механизме осмотического лизиса//Биол.мембраны.-1993.-10.-С.627-631.

8. Гордиенко Е.А., Гордиенко О.И., Коваленко И.Ф., Розанов Л.Ф. Экспериментальное изучение кинетики гипотонического и кислотного гемолиза эритроцитов человека методом малоуглового рассеяния// Пробл. криобиол.-1994.-1.-С.32-39.

9. Розанов Л.Ф., Смольянинова Е.И., Гордиенко О.И. К вопросу о роли мембраны и цитоматрикса в развитии криоповреждений клеток//Пробл. криобиол.-1994.-3.-С.12-18.

10. Гордиенко О.И., Панина Ю.Е., Коваленко И.Ф. Определение коеффициентов проницаемости мембран эритроцитов для криопротекторов//Вісник Харк. ун-ту.- 1998. -422. -Біофіз. вісник, вип.2.-С.59-63.

11. Гордієнко О.І. Коваленко І.Ф., Паніна Ю.Є. Фізико-математична модель та експериментальне визначення явища гіпотонічного гемолізу//Доповіді НАНУ.-1998.-11.-С.173-176.

12. Гордієнко Є.О., Гордієнко О.І., Коваленко І.Ф., Паніна Ю.Є., Алексєєв О.О. Фізико-математичний аналіз та експериментальне визначення щільності розподілу еритроцитів донорської і пуповинної крові людини за індексом сферичності//Вісник Харк.ун-ту.-2000.-488.-Біофіз.вісник, вип.1(6).-С.75-78.

13. Гордієнко Є.О., Гордієнко О.І., Васильченко Л.І., Коваленко І.Ф., Паніна Ю.Є. Проникність мембран еритроцитів донорської та пуповинної крові людини для молекул 1.2-пропандіолу і диметилсульфоксиду в діапазоні позитивних температур//Пробл. криобиол.-2001.-1.-С.25-27.

14. Грищенко В.И., Гордиенко О.И., Гончарук Е.И. Влияние перфторана на осмотическую хрупкость эритроцитов человека //Пробл.криобиол.-2001.-4.-С.12-16.

15. Гордієнко О.І., Македонська В.О., Коваленко І.Ф., Алексєєва Л.І. Щільність імовірності розподілу клітин за індексом сферичності в популяціях еритроцитів хворих на гіпо- та гіпертиреоз//Вісн.Харк.ун-ту.-2001.-528.-Біофіз.вісник, вип.2(9).-С.67-70.

16. Gordienko E.A., Gordienko O.I., Rozanov L.F. et al. The effect of nanosecond ultrawideband electromagnetic radiation on xenogeneic erythrocytes//Вопр. атомной науки и техники.-2001.-№5.-Серия:Ядерно-физические исследования (39).-С.194-196.

17. Гордієнко О.І., Гордієнко Є.О., Алексєєва Л.І., Коваленко І.Ф. Оцінка стану популяції еритроцитів людини по їх розподілу за індексом сферичності//Доповіді НАНУ.-2002.-10.-С.172-177.

18. Гордієнко О.І., Ліннік Т.П. Механізми проникання неелектролітів низки діолів крізь мембрани еритроцитів//Вісн.Харк.ун-ту.-2002.-568.- Біофіз.вісник, вип.2(11), С.43-47.

19. Гордієнко О.І. Фізико-математична модель дифузії малих електронейтральних молекул крізь білкові мембранні пори//Фізика живого.-2002.-2.-С.88-94.

20. Гордієнко О.І., Гордієнко Є.О., Ліннік Т.П., Компанієць А.М. Механізми проникання кріопротекторів крізь мембрани еритроцитів// Прбл.криобиол.-2002.-4.-С.9-15.

21. Гордієнко О.І., Ліннік Т.П. Проникність мембран еритроцитів людини до неелектролітів низки амідів//Вісн.Харк.ун-ту.-2003.-№593.-Біофіз.вісник.-вип.1(12).-С.92-96.

22. Гордієнко О.І., Гордієнко Є.О. Джерело ентропії і рівняння руху багатокомпонентного розчину//Вісн.Харк.ун-ту.-2003.-№593.-Біофіз. вісник.-вип.1(12).-С.74-78.

23. Гордієнко О.І. Вплив температури на проникність мембран еритроцитів до 1.2-пропандіолу та диметилсульфоксиду//Пробл.криобиол.-2003.-1.-С. 38-45.

24. Gordienko E.A., Gordienko Yu.E., Gordienko O.I. The physico-mathematical theory of human erythrocyte hypotonic hemolysis phenomenon//Cryo Letters. 2003.-24, 4.-Р.229-244.

Гордієнко О.І., Кощій С.В., Ліннік Т.П. Проникність мембран еритроцитів людини для гліцерину та його ефірних похідних// Фізика живого.-2003.-2.-С.29-37.

Гордієнко О.І. Оцінка коефіцієнта теплового розширення площі поверхні мембран еритроцитів за зсувом кривої розподілу еритроцитів за індексом сферичності//Вісн.Харк.ун-ту.-2003.-№606.-Біофіз. вісник.-вип.2(13).-С.78-81.

Гордієнко О.І., Гордієнко Є.О. Фізична інтерпретація коефіцієнтів пасивного масопереносу як коефіцієнтів тертя//Вісн.Харк.ун-ту.-2003.-№606.-Біофіз. вісник.-вип.2(13).-С.86-91.

28. Gordienko O.I., Linnik T.P., Gordienko E.O. Erythrocyte membrane permeability for a series of diols//Bioelectrochemistry.-2004.-62.-2.-P.115-118.

29. Gordienko O.I., Gordienko Yu.E, Makedonska V.O. Estimation of erythrocyte population state by spherical index distribution// Bioelectrochemistry.-2004.-62.-2.-P.119-122.

30. Пат. 41098А (Україна) МПК7 G01N33/49. Спосіб визначення коефіцієнта проникності еритроцитів для електрично нейтральних речовин./ Гордієнко Є.О., Гордієнко О.І., Гордієнко Ю.Є., Коваленко І.Ф.//2001.-Бюл.№7.

31. Пат. 47910А (Україна) МПК7 G01N33/49. Спосіб визначення щільності ймовірності розподілу еритроцитів за індексом сферичності./Гордієнко Є.О., Гордієнко О.І., Гордієнко Ю.Є., Коваленко І.Ф., Алексєєва Л.І.//2002.-Бюл.№7.

32. Гордиенко Е.А., Гордиенко О.И. Закон Аррениуса -методологический принцип криоконсервирования//Сб. научн. тр. ”Моделирование криобиологических процессов“, Харьков, 1990.-С.3-12.

33. Гордиенко О.И., Гордиенко Е.А., Розанов Л.Ф. Пассивная утечка ионов

калия из эритроцитов в средах, содержащих 1,2-пропандиол// Сб.научн.тр.”Физико-химические свойства и биологическое действие криопротекторов“,Харьков, 1990.-С.33-35.

34. Гордиенко О.И., Некоз И.А., Шейкин В.И. Водный диффузионный обмен и электрические характеристики эритроцитов в средах с криопротекторами//Сб.научн.тр. .”Физико-химические свойства и биологическое действие криопротекторов”, Харьков, 1990.-С.36-41.

35. Розанов Л.Ф., Гордиенко Е.А., Гордиенко О.И. и др. Фазовая теория строения клеток как основа для новой концепции криоповреждения и криозащиты//Сб.научн.тр.”Физико-химические процессы в криобиологических системах”, Харьков, 1991.-С.134-140.

36. Гордиенко О.И., Коваленко С.Е. Физический анализ взаимосвязи явлений гипотонического гемолиза и гипертонического криогемолиза// Сб. научн. тр. ”Актуальные вопросы репродуктологии и криомедицины”, Харьков, ХГМУ 1998, С.205-209.

37. Гордиенко О.И., Емец Б.Г., Жилякова Т.А., Шейкин В.И. Изучение водного транспорта через эритроцитарные мембраны в средах с различной ионной силой//Тез.1 Межд.конф.мол.ученых стран СЭВ, Братислава,1985.-С.36.

38. Пушкарь Н.С., Гордиенко О.И., и др. Физико-химические основы и перспективы развития технологии низкотемпературного консервирования биологических объектов//Тез. Междунар. конф. ”Достижения и перспективы развития криобиологии и криомедицины”, Харьков,1988.-С.79.

39. Гордиенко О.И. Влияние криопротекторов на проницаемость мембран эритроцитов для воды//Тез.2 Междунар.конф. “Успехи современной криобиологии”, Харьков, 1992.-С.67-68.

40. Gordiyenko E.О., Gordiyenko О.І., Коvalenko І.F., Rozanov L.F. Quantitative model of hypotonic lysis of cells and its experimental substantiation//The 31 Annual Meeting of the Sosiety for Cryobiology, Japan, 1994.-Р.28.

41. Гордієнко О.І., Паніна Ю.Є., Прокопюк О.С. Порівняльне вивчення властивостей мембран донорських та фетальних еритроцитів//Тези 1 з'їзду Українського товариства кріобіології і кріомедицини, Харків, 1995.-С.50-51.

42. Gordiyenko О.І., Gordiyenko E.О., Panina Yu.E., Prokopyuk О.S. Study of red blood cells membrane permeability using light scattering method//The 33 Annual Meeting of the Siciety for Cryobiology, USA, 1996.-Р.161.

43. Гордієнко О.І., Паніна Ю.Є., Коваленко І.Ф. Визначення коефіцієнтів проникності мембран еритроцитів для кріопротекторів//Тези 2 з'їзду

Укр.біоф.тов., Харків, 1998.-С.202.

44. Panina Yu.E., Gordiyenko E.О., Gordiyenko О.І., Коvalenko І.F. The determination of erythrocyte membrane permeability coefficient for cryoprotectants//The 36 Annual Meeting of the Society for Cryobiology, France, 1999.-Р.36.

45. Гордієнко О.І., Македонська В.О., Гордієнко Ю.Є. Біофізичні властивості еритроцитів при гіпо- та гіпертиреозі//Пробл.криобиол.- 2001.-3.- С.70. Тези доп. Всеукраїнської конф. ”Успіхи та перспективи розвитку кріобіології і кріомедицини”.

46. Годієнко О.І., Ліннік Т.П. Проникність мембран еритроцитів до неелектролітів низки діолів//Тези ІІІ з'їзду Укр.біоф.тов., Львів, 2002. С.116.

47. Gordiyenko О.І., Linnik Т.P. Permeability of erythrocyte membranes for a series of diols//The 14 Meeting of the European Association for Red Cell Research, France, 2003, Р.6-7.

48. Gordiyenko О.І., Gordiyenko Yu.E., Маkedonska V.О. Estimation of erythrocyte population state by the spherical index distribution//The 14 Meeting of the European Association for Red Cell Research, France, 2003, Р.39.

АНОТАЦІЯ

Гордієнко О.І. Механізми пасивної проникності до неелектролітів та індекс сферичності еритроцитів людини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 - біофізика. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, м. Харків, 2004.

В роботі вперше отримано вираз для виробництва ентропії в системі “замкнута вибірково проникна мембрана - багатокомпонентний розчин” з урахуванням рівнянь руху окремих компонентів розчину. Виведені співвідношення між загальноприйнятими транспортними характеристиками біомембран та коефіцієнтами тертя між окремими компонентами системи для випадку замкнутої вибірково проникної мембрани довільної форми, що рухається. Розвинуто уявлення про фізичний механізм гіпотонічного гемолізу у розчинах проникаючої або непроникаючої речовини та побудовано фізико-математичні моделі цього процесу в обох випадках. На підставі побудованих моделей розроблено методи визначення коефіцієнтів пасивної проникності мембран еритроцитів для неелектролітів та щільності розподілу еритроцитів за індексом сферичності. За розробленим методом визначено коефіцієнти проникності еритроцитів для низки неелектролітів (діолів, амідів, гліцерину та його моноалкілових ефірів-18 речовин) та досліджено механізми їх проникання. Виявлено існування термоіндукованих змін енергій активації проникання в інтервалах температур 8-12оС, 18-20оС та 25-30оС. Досліджено розподіл еритроцитів за індексом сферичності в популяціях здорових дорослих донорів, при ендокринних патологіях та в пуповинній крові людини. За експериментальними даними впливу температури на розподіл еритроцитів за індексом сферичності визначено коефіцієнт теплового розширення мембран еритроцитів людини.

Ключові слова: фізико-математичне моделювання, трансмембранний масоперенос, еритроцити людини, пасивна проникність для неелектролітів, індекс сферичності.

Гордиенко О.И. Механизмы пассивной проницаемости для неэлектролитов и индекс сферичности эритроцитов человека. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 03.00.02 - биофизика. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина , г. Харьков, 2004.

В работе впервые получено выражение для производства энтропии в системе “замкнутая избирательно проницаемая мембрана - много-компонентный раствор” с учетом уравнений движения отдельных компонентов. Выведены соотношения между общепринятыми транспортными характеристиками биомембран и коэффициентами трения между отдельными компонентами системы. Развиты представления о физическом механизме гипотонического гемолиза в растворах проникающего или непроникающего вещества и построены физико-математические модели этих процессов. На основе построенных моделей разработаны методы определения коэффициентов пассивной проницаемости мембран эритроцитов для неэлектролитов и плотности распределения эритроцитов по индексу сферичности. Разработанным методом определены коэффициенты проницаемости эритроцитов для ряда неэлектролитов (диолов, амидов, глицерина и его моноалкиловых эфиров - 18 веществ) и исследованы механизмы их проникновения. Установлено, что исследованные вещества проникают в клетки как через белковые гидрофильные каналы определенного размера, образованные интегральным белком полосы 3, так и непосредственно через липидный бислой. Показано, что проникновение исследованных веществ через белковые каналы осуществляется вместе с молекулами воды, которые образуют их гидратные оболочки, и характеризуется критической зависимостью от диаметра молекул. Если этот параметр превышает 4, коэффициент проницаемости через белковые каналы резко уменьшается. Проведено теоретическое рассмотрение проникновения малых гидрофильных молекул через белковые каналы постоянного размера. Рассчитанные с учетом гидратации значения коэффициентов проницаемости через белковые каналы вполне удовлетворительно согласуются с полученными экспериментальными значениями. О проникновении липидным путем свидетельствует сильная корреляция проницаемости диолов и амидов через мембраны эритроцитов, проинкубированных с блокатором белковых каналов, с коэффициентами распределения между гидрофобной и гидрофильной фазами (коэффициент корреляции 0,94-0,99). Для проникновения липидным путем характерна также обратная зависимость от объема проникающих молекул. Изучено влияние температуры на проникновение через мембраны эритроцитов 1,2-пропандиола и диметилсульфоксида. Показано существование термоиндуцированных изменений энергий активации проникновения этих веществ при температурах 8-12оС, 18-20оС и 25-30оС. Определенные температуры изломов аррениусовых зависимостей находятся в интервалах температур, известных как критические, в которых происходят изменения скоростей многих биологических процессов, связанных с мембранами эритроцитов. Наличие резкого излома аррениусовых зависимостей в диапазоне температур 8-12оС подтверждает связь путей проникновения исследованных молекул с белком полосы 3.

Разработанный простой и оригинальный метод определения плотности распределения эритроцитов по индексу сферичности, в отличие от известных методов определения геометрических характеристик эритроцитов, дает возможность получить не только среднее значение этого параметра, но и весь спектр его распределения в популяции эритроцитов. Экспериментально исследовано распределение эритроцитов по индексу сферичности в популяциях здоровых взрослых доноров, при эндокринных патологиях и в пуповинной крови человека. Показано, что данная характеристика варьирует у разных доноров, отображая, таким образом, состояние популяции эритроцитов отдельного донора. Большинство распределений здоровых взрослых доноров имеет вид, близкий к гауссовому, с максимумом при значении индекса сферичности 1,48. Индивидуальные кривые распределений эритроцитов пуповинной крови, как правило, имеют полимодальный характер и являются суммой нормальных распределений нескольких субпопуляций. Характерной чертой распределений эритроцитов у групп больных с эндокринной патологией является двух- и трехмодальный вид. В случае гипертиреоза среди клеток с нестандартным индексом сферичности больший удельный вес (около 25%) имеют клетки с меньшим индексом сферичности в диапазоне 1,07-1,22. При гипотиреозе кривые чаще имеют трехмодальный характер с повышенным удельным весом уплощенных клеток с индексом сферичности 1,65-1,46. Снижение температуры от 37оС до 3оС приводит к сдвигу максимумов распределений в область меньших индексов сферичности. По полученным экспериментальным данным определен коэффициент теплового расширения мембран эритроцитов человека, который имеет значение k=2,410-3 /оC. Разработанный метод определения плотности распределения эритроцитов по индексу сферичности является чувствительным, хорошо воспроизводимым тестом для количественной оценки состояния популяции эритроцитов того или иного донора при разных патологиях или внешних воздействиях.

Ключевые слова: физико-математическое моделирование, трансмембранный массоперенос, эритроциты человека, пассивная проницаемость для неэлектролитов, индекс сферичности.

Gordiyenko O.I. Mechanisms of passive permeability for non-electrolytes and spherical index of human erythrocytes. - Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of the Doctor in physical and mathematical sciences in specialty - 03.00.02 - Biophysics.- V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv 2004.

In the work for the first time the formula for entropy production in the system of selectively permeable membrane - polycomponent solution is obtained with consideration of equations of motion of solution's separate components. The derived correlation between biomembranes' standard transport characteristics and coefficients of friction between separate components of system in the case of closed selectively permeable moving membrane of random shape. There is developed a representation for physical mechanism of hypotonic haemolysis in permeable or non-permeable substances solutions and the physical and mathematical model of this process in both cases. Basing on developed models the methods for determining the passive permeability of erythrocyte membranes for non-electrolytes and density of erythrocytes distribution by spherical index are elaborated. Using the elaborated method the erythrocytes permeability coefficients for series of non-electrolytes (diols, amides, glycerol and its monoalkyl ethers - totally 18 substances) are determined and the mechanisms of their permeation are investigated. The existing of thermoinduced changes in permeation's activation energy in temperature intervals of 8-12оС, 18-20оС and 25-30C is found. The erythrocytes distribution by spherical index in populations of healthy adult donors, by endocrine pathologies and in human cord blood is studied. Using the experimental data on temperature effect on erythrocytes distribution the coefficient of thermal expansion of human erythrocyte membrane was determined.

Key words: physical and mathematical modeling, transmembrane mass transfer, human erythrocytes, passive permeability for non-electrolytes, spherical index.

Наукове видання

Гордієнко Ольга Іванівна

“Механізми пасивної проникності до неелектролітів та індекс сферичності еритроцитів людини”

Підписано до друку 1.02.2005 р. Формат 60х90 1/16

Друк офсетний. Умовн. др. арк. 1.9.

Наклад 100 прим. Зам. № 7

Видавництво МПП “Райдер”, м. Харків, вул Артема, 4.

Размещено на Allbest.ru