Іонний гомеостаз в регулюванні внутрішньоклітинного рН та об’єму еритроцитів людини
Анотація
Актуальність. Підтримка клітинного об’єму шляхом регулювання вмісту води та іонів має вирішальне значення для виживання і функціональної повноцінності еритроцитів людини. Разом з тим, клітини є неймовірно складними системами з численними, часто конкуруючими реакціями, що відбуваються одночасно. Тому, прогнозувати загальну поведінку системи або отримати нове розуміння того, як взаємодіють підкомпоненти системи, достатньо складно без застосування методів математичного моделювання.
Мета роботи. Створення математичної метаболічної моделі іонного гомеостазу еритроцитів для дослідження механізмів стабілізації об’єму еритроцитів і внутрішньоклітинного рН в експериментах in vitro.
Матеріали і методи. Математична модель створена з використанням загальних підходів до моделювання клітинного метаболізму, які базуються на системах звичайних диференціальних рівнянь, що описують метаболічні реакції, пасивні й активні потоки іонів. Для розробки моделі та розрахунків за моделлю використано середовище моделювання COPASI 4.38. Для перевірки моделі використовували зміни внутрішньоклітинного рН, активності Na+/K+-АТФази та Са2+-АТФази еритроцитів донора, інкубованих у сольових розчинах за відсутності та присутності іонів Са2+.
Результати. Створена кінетична модель іонного гомеостазу еритроцитів. З використанням реалістичних параметрів системи розраховані зміни у часі об’єму клітини, концентрацій і потоків метаболітів та іонів, трансмембранного потенціалу. Результати моделювання використані для аналізу причин змінення стійкості до кислотного гемолізу еритроцитів за умов їх інкубування у сольових розчинах різного складу.
Висновки. Ми показуємо, що катіонний гомеостаз в еритроцитах підтримується в основному активним рухом Na+ і K+ через Na+, K+-АТРазу у поєднанні з відносно нижчою пасивною проникністю через інші транспортні шляхи. За присутності іонів Са2+ і активації виходу калію через Гардос-канали, об’єм клітин стабілізується за рахунок змінення трансмембранного потенціалу і активації електродифузійних потоків іонів. Показано, що зниження кислотної резистентності еритроцитів при їх інкубуванні у сольовому розчині зв’язано зі зменшенням об’єму клітин, а підвищення кислотної резистентності клітин при їх інкубуванні в присутності іонів Са2+ — з активацією Na+/H+-обмінника.
Завантаження
Посилання
Ataullakhanov FI, Martinov MV, Shi Q, Vitvitsky VM. Significance of two transmembrane ion gradients for human erythrocyte volume stabilization. PLoS One. 2022 Dec 21;17(12):e0272675. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0272675
Svetina S. Theoretical bases for the role of red blood cell shape in the regulation of its volume. Front Physiol. 2020 Jun 9;11:544. https://doi.org/10.3389/fphys.2020.00544
Glogowska E, Gallagher PG. Disorders of erythrocyte volume homeostasis. Int J Lab Hematol. 2015 May;37 Suppl 1:85–91. https://doi.org/10.1111/ijlh.12357
Gallagher PG. Disorders of erythrocyte hydration. Blood. 2017 Dec 21;130(25):2699–708. https://doi.org/10.1182/blood-2017-04-590810
Badens C, Guizouarn H. Advances in understanding the pathogenesis of the red cell volume disorders. Br J Haematol. 2016 Sep;174(5):674–85. https://doi.org/10.1111/bjh.14197
Flatt JF, Bruce LJ. The molecular basis for altered cation permeability in hereditary stomatocytic human red blood cells. Front Physiol. 2018;9:367. https://doi.org/10.3389/fphys.2018.00367
Shatrova A, Burova E, Pugovkina N, Domnina A, Nikolsky N, Marakhova I. Monovalent ions and stress-induced senescence in human mesenchymal endometrial stem/stromal cells. Sci Rep. 2022;12:11194. https://doi.org/10.1038/s41598-022-15490-2
Kaestner L, Bogdanova A, Egee S. Calcium channels and calcium-regulated channels in human red blood Cells. Adv Exp Med Biol. 2020;1131:625–48. https://doi.org/10.1007/978-3-030-12457-1_25
Fermo E, Bogdanova A, Petkova-Kirova P, Zaninoni A, Marcello AP, Makhro A, et al. 'Gardos Channelopathy': a variant of hereditary Stomatocytosis with complex molecular regulation. Sci Rep. 2017 May 11;7(1):1744. https://doi.org/10.1038/s41598-017-01591-w
Svetina S, Švelc Kebe T, Božič B. A model of Piezo1-based regulation of red blood cell volume. Biophys J. 2019 Jan 8;116(1):151–64. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2018.11.3130
Ataullakhanov FI, Korunova NO, Spiridonov IS, Pivovarov IO, Kalyagina NV, Martinov MV. How erythrocyte volume is regulated, or what mathematical models can and cannot do for biology. Biochem. Moscow Suppl. Ser. 2009;A3:101–15. https://doi.org/10.1134/S1990747809020019
Brumen M, Heinrich R. A metabolic osmotic model of human erythrocytes. Biosystems. 1984;7(2):155–69. https://doi.org/10.1016/0303-2647(84)90006-6
Rogers S, Lew VL. PIEZO1 and the mechanism of the long circulatory longevity of human red blood cells. PLoS Comput Biol. 2021 Mar 10;17(3):e1008496. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008496
Lew VL. The circulatory dynamics of human red blood cell homeostasis: Oxy-deoxy and PIEZO1-triggered changes. Biophys J. 2023 Feb 7;122(3):484–495. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2022.12.038
Yurinskaya VE, Moshkov AV, Marakhova II, Vereninov AA. Unidirectional fluxes of monovalent ions in human erythrocytes compared with lymphoid U937 cells: Transient processes after stopping the sodium pump and in response to osmotic challenge. PLoS One. 2023;18(5):e0285185. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0285185
Dotsenko OI. The whole-cell kinetic metabolic model of the pH regulation mechanisms in human erythrocytes. Regul. Mech. Biosyst. 2022;13:272–80. https://doi.org/10.15421/022235
Mulquiney PJ., Kuchel PW. Model of 2,3-bisphosphoglycerate metabolism in the human erythrocyte based on detailed enzyme kinetic equations: equations and parameter refinement. Biochem J. 1999 Sep 15;342(3):581–96. https://doi.org/10.1042/bj3420581
Nishino T, Yachie-Kinoshita A, Hirayama A, Soga T, Suematsu M, Tomita M. Dynamic simulation and metabolome analysis of long-term erythrocyte storage in adenine-guanosine solution. PLoS One. 2013 Aug 16;8(8):e71060. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0071060
Yastrebova ES, Konokhova AI, Strokotov DI, Karpenko AA, Maltsev VP, Chernyshev AV. Proposed Dynamics of CDB3 Activation in Human Erythrocytes by Nifedipine Studied with Scanning Flow Cytometry. Cytometry A. 2019 Dec;95(12):1275–84. https://doi.org/10.1002/cyto.a.23918
Pontremoli R, Zerbini G, Rivera A, Canessa M. Insulin activation of red blood cell Na+/H+ exchange decreases the affinity of sodium sites. Kidney Int. 1994 Aug;46(2):365–75. https://doi.org/10.1038/ki.1994.283
Semplicini A, Spalvins A, Canessa M. Kinetics and stoichiometry of the human red cell Na+/H+ exchanger. J Membr Biol. 1989 Mar;107(3):219–28. https://doi.org/10.1007/BF01871937
Bazanovas AN, Evstifeev AI, Khaiboullina SF, Sadreev II, Skorinkin AI, Kotov NV. Erythrocyte: A systems model of the control of aggregation and deformability. Biosystems. 2015 May;131:1–8. https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2015.03.003
Martinov MV, Vitvitsky VM, Ataullakhanov FI. Volume stabilization in human erythrocytes: combined effects of Ca2+-dependent potassium channels and adenylate metabolism. Biophys Chem. 1999 Aug 30;80(3):199–215. https://doi.org/10.1016/s0301-4622(99)00079-4
Yang YC, Yingst DR. Effects of intracellular free Ca and rate of Ca influx on the Ca pump. Am J Physiol. 1989 Jun;256(6 Pt 1):C1138–44. https://doi.org/10.1152/ajpcell.1989.256.6.C1138
Brown AM, Lew VL. The effect of intracellular calcium on the sodium pump of human red cells. J Physiol. 1983 Oct;343:455–93. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1983.sp014904
Dolan AT, Diamond SL. Systems modeling of Ca2+ homeostasis and mobilization in platelets mediated by IP3 and store-operated Ca2+ entry. Biophys J. 2014 May 6;106(9):2049–60. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2014.03.028
Iida S, Potter JD. Calcium binding to calmodulin. Cooperativity of the calcium-binding sites. J Biochem. 1986 Jun;99(6):1765–72. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.jbchem.a135654
Dotsenko OI, Troshchynskaya YA. Role of AMP catabolism enzymes in the energetic status of erythrocytes under conditions of glucose depletion. Biosystems Diversity. 2014;22(1):46–52. (In Russian). https://doi.org/10.15421/011406
Mendes P, Hoops S, Sahle S, Gauges R, Dada J, Kummer U. Computational modeling of biochemical networks using COPASI. Methods Mol Biol. 2009;500:17–59. https://doi.org/10.1007/978-1-59745-525-1_2
Dotsenko OI, Mykutska IV, Taradina GV, Boiarska ZO. Potential role of cytoplasmic protein binding to erythrocyte membrane in counteracting oxidative and metabolic stress. Regulatory Mechanisms in Biosystems. 2020;11(3):455–62. https://doi.org/10.15421/022070
Dotsenko OI, Mischenko АМ, Taradina GV. Vibration influence on the O2-dependent processes activity in human erythrocytes. Regulatory Mechanisms in Biosystems. 2021;12(3):452–8. https://doi.org/10.15421/022162
Dotsenko OI, Taradina GV, Mischenko АМ. Peroxidase activity of erythrocytes hemoglobin under action of low-frequency vibration. Studia Biologica. 2021;15(4):3–16. https://doi.org/10.30970/sbi.1504.666
Dotsenko OI, Mischenko A.M. Influence of low-frequency vibration on the erythrocytes acid resistance. Biosystems Diversity. 2011;19(1):22–30 (In Russian). https://doi.org/10.15421/011104
Kherd AA, Helmi N, Balamash KS, Kumosani TA, Al-Ghamdi SA, Qari M, et al. Changes in erythrocyte ATPase activity under different pathological conditions. Afr Health Sci. 2017 Dec;17(4):1204–10. https://doi.org/10.4314/ahs.v17i4.31
Nikinmaa M. Gas transport. In: Bernhardt I, Ellory JC, editors. Red cell membrane transport in health and disease. Berlin, Germany: Springer; 2003. p. 489–509. https://doi.org/10.1007/978-3-662-05181-8
Geers C, Gros G. Carbon dioxide transport and carbonic anhydrase in blood and muscle. Physiol Rev. 2000 Apr;80(2):681–715. https://doi.org/10.1152/physrev.2000.80.2.681
Ugurel E, Goksel E, Cilek N, Kaga E, Yalcin O. Proteomic analysis of the role of the adenylyl cyclase-camp pathway in red blood cell mechanical responses. Cells. 2022 Apr 6;11(7):1250. https://doi.org/10.3390/cells11071250
Chi Y, Mo S, Mota de Freitas D. Na+-H+ and Na+-Li+ exchange are mediated by the same membrane transport protein in human red blood cells: an NMR investigation. Biochemistry. 1996 Sep 24;35(38):12433–42. https://doi.org/10.1021/bi960814l
Chu H, Puchulu-Campanella E, Galan JA, Tao WA, Low PS, Hoffman JF. Identification of cytoskeletal elements enclosing the ATP pools that fuel human red blood cell membrane cation pumps. Proc Natl Acad Sci USA. 2012 Jul 31;109(31):12794–9. https://doi.org/10.1073/pnas.1209014109
Bogdanova A, Makhro A, Wang J, Lipp P, Kaestner L. Calcium in red blood cells – A perilous balance. Int J Mol Sci. 2013;14(5):9848-9872. https://doi.org/10.3390/ijms14059848
Thomas SL, Bouyer G, Cueff A, Egée S, Glogowska E, Ollivaux C. Ion channels in human red blood cell membrane: Actors or relics? Blood Cells Mol Dis. 2011 Apr 15;46(4):261–5. https://doi.org/10.1016/j.bcmd.2011.02.007
Föller M, Lang F. Ion transport in eryptosis, the suicidal death of erythrocytes. Front Cell Dev Biol. 2020 Jul 8;8:597. https://doi.org/10.3389/fcell.2020.00597
Flatman PW. Regulation of Na-K-2Cl cotransport in red cells. In: Lauf PK, Adragna NC, editors. Cell Volume and Signaling. Advances in Experimental Medicine and Biology, vol 559. Springer, Boston, MA; 2004. P. 77–88. https://doi.org/10.1007/0-387-23752-6_7
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
