細(xì)胞內(nèi)鈣離子螺旋波動力學(xué)研究.pdf

1、鈣離子（Ca2+）是細(xì)胞內(nèi)最重要的信使之一。它不僅參與細(xì)胞內(nèi)的信號傳輸，而且在細(xì)胞間的協(xié)同中起著重要作用。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，細(xì)胞鈣離子濃度的動力學(xué)涵蓋了從細(xì)胞內(nèi)局域隨機(jī)釋放（如鈣火花spark），到單細(xì)胞全局鈣離子振蕩或波的傳播，再到多細(xì)胞體系的鈣離子波等不同的層次，鈣離子螺旋波（spiral wave）是其中一種非常新奇的鈣離子濃度斑圖。為了解釋鈣離子濃度的動力學(xué)行為，理論生物學(xué)家們提出了不同的數(shù)學(xué)模型。 細(xì)胞內(nèi)的一些重要的

2、參數(shù)，比如IP3濃度等，是實(shí)驗(yàn)上可控的，研究這些可控因素對螺旋波的影響有利于進(jìn)一步的認(rèn)識細(xì)胞鈣離子的交換機(jī)制，以及細(xì)胞內(nèi)信息的傳遞過程，而且，鈣離子螺旋波的控制也為人工介入鈣離子信號提供了途徑。鑒于此，本文從理論上對于影響細(xì)胞內(nèi)鈣離子螺旋波的各種可控因素，以及鈣離子螺旋波的控制做了較為深入的研究。本文的主要工作包括以下幾個方面： 第一，基于空間擴(kuò)展的Tang-Othmer模型，研究了IP3濃度對細(xì)胞內(nèi)鈣離子螺旋波的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)

3、：（1）隨著IP3濃度的變化，鈣離子螺旋波周期呈現(xiàn)出非單調(diào)的變化過程，這些變化過程與細(xì)胞內(nèi)鈣離子螺旋波的穩(wěn)定性及失穩(wěn)過程相對應(yīng)；（2）隨著IP3濃度的變化，螺旋波波頭動力學(xué)經(jīng)歷了復(fù)雜的變化過程，這些變化過程可以用來描述螺旋波穩(wěn)定性的變化，并且所得到的螺旋波波頭動力學(xué)與其它可激發(fā)系統(tǒng)（比如Belousov-Zhabotinsky reaction）具有相似性；（3）基于以上結(jié)果，直觀上提出了通過實(shí)驗(yàn)控制IP3濃度來控制螺旋波的方法；（4）

4、與前人實(shí)驗(yàn)研究的對比說明，本研究所得到的結(jié)果是可以被具體實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證的。 第二，基于空間擴(kuò)展的Tang-Othmer模型，研究了弱電場控制下的細(xì)胞內(nèi)鈣離子螺旋波，并以螺旋波波頭動力學(xué)來描述螺旋波的控制過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）在直流弱電場的作用下，螺旋波的波頭沿直線漂移；（2）在交流弱電場的作用下，出現(xiàn)了所謂的倍頻共振漂移，也就是當(dāng)電場的頻率為螺旋波頻率的兩倍時，螺旋波的波頭沿直線漂移；（3）所得到的數(shù)值結(jié)果，能夠用近似方法給予理論