Родилась в Усть-Каменогорске (1966), окончила биологический факультет (1991) и факультет прикладной математики (1995) МГУ им. М.В. Ломоносова. Защитила диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в МГУ (1995) в области моделирования мембранного транспорта и действия слабых электромагнитных полей на процессы мембранного переноса. В настоящее время является доцентом кафедры биофизики биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Область научных интересов связана с изучением электрофизиологических явлений на клеточной мембране и их взаимосвязи с метаболическими процессами внутри клетки. Опубликовала 20 научных статей по направлениям, указанным выше.
Известно, что при освещении клетки водоросли Chara согаШnа вблизи мембраны возникают участки, неоднородные по величине рН. Экспериментально показано, что в определенном диапазоне освещенности одной и той же величине интенсивности света могут соответствовать два состояния в распределении рН: полностью гомогенное состояние и полностью сформированные структуры. Переход к состоянию с высокой амплитудой пиков рН происходит при большем значении интенсивности света, чем переход к гомогенному состоянию, т.е. в системе наблюдается гистерезис. Данное явление исследовано с помощью математической модели. Обсуждается возможный механизм возникновения гистерезиса.
Предложена математическая модель потенциалозависимого протонного переноса через мембрану клетки водоросли Chara corallina. Модель представляет собой систему двух дифференциальных уравнений в частных производных, переменными которой являются концентрация протонов вблизи внешней стороны клеточной мембраны и трансмембранный потенциал. Модель описывает экспериментально наблюдаемые нееднородное распределение трансмембранного потенциала и рН вдоль мембраны и колебания потенциала и рН во времени. Предложен механизм возникновения пространственной и временной неоднородности потенциала и рН.
A study was made of the properties of a reacuon-elcctrodiffusion system. A two-component model was developed to describe how interacting charged particles diffuse near the membrane in low-ionic-strength media for which the common assumption of electroneutrality is invalid. Analysis of this model - constructed to take into account the presence a self-consistent field - shows that the latter contributes to the emergence of bistability, localized structures with highly heterogeneous spatial distributions of charges, and spatially and temporally aperiodic modes.
When exposed to light, Characean cells develop a pattern of alternating alkaline and acid bands along the cell length. The bands were identied with a tip-sensitive antimony pH microelectrode positioned near one end of Chara internode at a distance of 50-100 lm from the cell wall. The stage with Chara cell was moved along its longitudinal axis at a computercontrolled speed (100 or 200 microm s-1) relative to the pH probe over a distance of 50 mm. Under sufficient uniform illumination of the cell (from 100 to 2.5Wm-2), the homogeneous pH distribution becomes unstable and a banding pattern is formed, the spatial scale of which decreases with the light intensity. If the cell is locally illuminated, bands are formed only in the region of illumination. It is shown that the inhibition of cyclosis by cytochalasin B leads to the disappearance of the banding pattern. The addition of ammonium (weak base) inhibited the banding pattern, whereas acetate (weak acid) alleviated the inhibitory eject of ammonium and restored the pH banding. A model explaining the observed phenomena is formulated in terms of proton concentration outside and bicarbonate concentration inside the cell. It contains two diffusion equations for the corresponding ions with nonlinear boundary conditions determined by ion transport processes across the cell membrane. The model qualitatively explains most of the experimental observations. It describes the dependence of the pattern characteristics on the light intensity and reveals the role of cyclosis in this phenomenon.
Предложена новая концепция регуляции обмена нитрата посредством поликомпартментации аниона в корне. На проростках пшеницы, выращенных при 25 и 12°С в зоне корней, исследованы поглощение нитрата, компартментация и восстановление в корнях и транслокация в побеги. Показано, что нитрат корня компартментирован в нескольких функциональных пулах: запасном, метаболическом и подвижном, предназначенном для персмещения в надземные органы. Нетто-поступление, отношение вход/выход (в/из корней), размер подвижного пула и транслокация изменяются в зввисимости от температуры выращивания. Выявлены колебания скорости нетто-потлощения и концентрации нитрата в тканях, а также изменения этих колебаний под действием температуры. Эмпирическая модель регуляции базируется на том, что нетто-поступление посредством изменения соотношения вход/выход контролируется нитратом подвижного пула, размер которого зависит от оттока аниона в побеги. Математическая модель представляет собой систему линейных дифференциальных уравнений и после упрощения в соответствии с иерархией констант скоростей отдельных процессов сводится к системе двух дифференциальных уравнений, которая имеет на фазовой плоскости предельный цикл в определенной области значений параметров. Модель обосновывает регуляцию по принципу положительной обратной связи процесса транспорта нитрата из вновь поглощенного пула в транслокационный пул и его формирования в клетках коры корня. Модель воспроизводит явления, наблюдаемые экспериментально.
A new concept illustrated by a corresponding mathematical model of nitrate metabolism regulation is proposed. The model is based on the root nitrate compartmentat ion in several functional pools: storage, metabolic and mobile (MobP) intended for translocation to shoots. Data on nitrate uptake, compartmentation, reduction in intact roots and translocation to shoots were obtained on steady state wheat seedlings grown at 25° and 12°C in the root zone. The net uptake, influx/efflux ratio, MobP size and translocation changed depending on the medium temperature. The oscillations of the net uptake rate, nitrate tissue concentration and its temperature modification were revealed. The scheme of regulation is based on the idea that net uptake through nitrate influx/efflux is under the control of the nitrate of MobP which size was dependent on the nitrate translocation into shoots. The mathematical model is represented by a system of ordinary differential equations simplified according to the time hierarchy of reactions. It has a limit cycle at definite values of parameters. The model postulates the mechanism of a positive feedback regulation of newly absorbed nitrate transfer into translocated pool formed in the root cortex. Theoretical results are verified experimentally.
A model is proposed that describes electrodiffusion in the layer adjacent to the cell membrane. The model takes into account chemical reactions at the membrane, Coulomb interactions between particles, their random motion (diffusion), and the effect of an external electric field. Linear analysis of the model shows a possibility of spatiotemporal patterning in the presence of an applied electric field. The dissipative structures formed in the presence and the absence of the electric field differ in a number of characteristics. First, the former structure drifts. Its slow drift proceeds unidirectionally. While it drifts, the number of its structural elements varies. Second, isolated soliton-like structures may emerge in this system. as the dispersion relation contains not only even, but also odd powers of the wavenumber k. In addition to Turing-type diffusion instability, dispersion instability may arise in the presence of an external electric field, also causing spatiotemporal patterning.
На примере модели трансмембранного переноса ионов показава принципиальная возможность нелинейно организованной биологической системы отвечать на слабые низкочастотные электромагнитные излучения (10В/м, 0,1 - 100 Гц). Взаимодействие биологической системы ионного переноса с внешним элекгромагнитным полем приводит к бифуркациоиным изменениям в системе. Следствием является изменение ypoвня концентраций ионов в примембранной области или возникновение автоколебательноro режима.
Исследуется математическая модель ионного транспорта через мембрану посредством переносчика. Существенная нелинейность модели обуславливает возможность изменений pH в примембранном слое в автоколебательном режиме. Показано, что воздействие слабоro перемениого электрического поля .может приводить к резкому изменению характера автоколебаний и появлению квазихаотическоro режима.
The model of transmembrane ion transfer is employed to demonstrate the possibility, in principle, of a non-linearly organized biological system to respond to weak low-frequency electromagnetic radiations (10 Vim, 0.1-100 Hz). The interaction of the biological system of ion transfer with an external electromagnetic field leads to bifurcational changes in the system. The result is a change in the concentration level ofthe ions in the near-membrane region or the advent ofan auto-oscillatory regime.
A mathematical model of ion transport across the membrane via a carrier is explored. The fundamental non-linearity of the model governs the possibility of pH changes in the nearmembrane layer in the auto-oscillatory regime. It is shown that the impact of a weak varying electric field may sharply change the character of the auto-oscillations and lead to the appearance of a quasichaotic regime.
A mathematical modelling of the K+/H+ antiport system was carried out to investigate the influence of a weak low-frequency applied periodic electric field on ion flux via a carrier across the lipid membrane. Nonlinear in character, the system can have a damped oscillatory, trigger or self-sustained oscillatory behaviour depending on the pattern of the ionic flux. Numerical calculation showed that the applied electric field could parametrically regulate nonlinear biological systems and the effects can be significant in bifurcation areas. The intensity of applied periodic electric field was estimated to be in the range 10-600 V/cm and the frequency in the range 10-2-10 Hz.
В данной работе развивается предложенная ранее модель потенциалозависимого протонного переноса через мембрану клетки водоросли Chara. В предыдущем варианте модели в качестве переменных рассматриваются концентрация протонов снаружи клетки и трансмембранный потенциал. В предлагаемом варианте модели вводится новая переменная — концентрация протонов в цитоплазме. При исследовании модели получены колебательная и хаотическая динамика трансмембранного потенциала. Обсуждается физиологическая роль наблюдаемых режимов.
Предложена математическая модель ионных потоков через клеточную мембрану водоросли Chara corallina. Модель основана на кинетических свойствах протонной АТФ-азы и учитывает динамику трансмембранного потенциала. Модель описывает экспериментально обнаруженный гистерезис рН в примембранной области при изменении интенсивности света. Обсуждается механизм возникновения бистабильных состояний.
В работе рассматривается система «реакция-электродиффузия» применительно к растворам с низкой ионной силой, где традиционные представления о локальной электронейтральности среды не работают. Для одномерного случая исследованы возможности появления пространственно-временных неоднородностей. Показано, что учет самосогласованного поля в системе с диффузией и нелинейными химическими взаимодействиями меняет области значений параметров, при которых образуются структуры. В системе возможно появление бистабильности, возникновение солитоноподобных структур и апериодические по времени и по пространству режимы.
Рассмотрена модель ионного транспорта через внешнюю мембрану клетки водоросли Chara. Модель описывает неравномерное распределение рН вдоль мембраны вследствие чего образуются области разных рН (диссипативные структуры). В модели учитывается химическое взаимодействие ионов Н+ и НСО3-, их диффузия вдоль клеточной мембраны, влияние электрического поля, создаваемого самими ионами и влияние внешнего поля. В результате линейного анализа найдено критические значение напряженности внешнего поля, при котором возможно возникновение структур. Показано, что при действии поля возможна реализация не тьюринговского механизма структурообразования. В численном эксперименте исследована зависимость структурообразования от периодического воздействия внешнего поля. Показано, что существует интервал резонансных частот, в котором возникает структурообразование.
Плюснина Татьяна Юрьевна