Memeli kültür hücrelerinde hücre içi kalsiyum sinyalinde görev alan elemanların entegre bir sistem olarak incelenmesi
Examination of cooperation of the elements taking part in intracellular calcium signaling as an integrated system in mammalian culture cells
Yazar: EROL ÖZGÜR
Danışman: PROF. DR. MEHMET UĞUR
Ankara Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Biyofizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Biyofizik = Biophysics
Dizin: Doğrusal olmayan sistemler = Nonlinear systems ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling

Özet:
Kalsiyum (Ca2+), hücre içi ve hücreler arası iletişimde çok önemli görevleri olan bir iyondur. Memeli kültür hücrelerindeki Ca2+ sinyal mekanizmasında görev alan başlıca elemanlar, hücre içi Ca2+ deposu görevi gören endoplazmik retikulum, depodaki Ca2+'un sitoplazmaya çıkışını sağlayan inositol 1,4,5-trisfosfat (IP3) reseptörü (IP3R), bu reseptörün fonksiyonunu düzenleyen IP3 ve Ca2+, sitoplazmadaki Ca2+'u uzaklaştıran SERCA ve PMCA pompaları, ve hücre içi Ca2+ tamponlarıdır.Bu çalışmada, LEICA SP5 konfokal mikroskop kullanılarak HEK-293 ve LTK-8 hücrelerinde hücre içi Ca2+ derişimi ve IP3 kinetiği takip edilmiştir. SERCA inhibisyonu için CPA, PMCA'yı bloke etmek için ise lanthanum (La3+) kullanılmıştır. Daha sonra ise, bu çalışmada elde edilen bulgular, hücre içi Ca2+ sinyalini bir matematiksel model çevresinde bir araya getirmek için kullanılmıştır. Bu süreçte hücre içi değişkenlerin zamanla değişimini ifade eden denklemler, MATLAB tarafından sayısal olarak çözülmüştür. Bu denklemlerdeki parametreler, rastgele arama yöntemi ile belirlenmiştir.Oluşturulan matematiksel model sonucu yapılan simülasyonlar, deney datası ile temel noktalarda tutarlılık göstermektedir. Ca2+ osilasyonları ve kuantal Ca2+ yanıtları dahil pek cok kompleks olgu, kullanılan modelleme şeması ile açıklanabilmiştir. Ayrıca model, bu olguların altında yatan nedenlere dair de pek çok olası öngörüyü beraberinde getirmektedir. Bu sonuç, hücre içi kalsiyum sinyalinin modellenmesinde deneysel olarak doğrulanamayacak şekilde IP3R'ye pek cok ozellik atfeden modellerdense, sistemin butunune hakim olan görece basit modellerin, hem kompleks deneysel sonuçları açıklayabileceğini hem de sisteme dair daha iyi bir bakış açısı kazandırabileceğini örneklemektedir.

Abstract:
Calcium (Ca2+) is a very important ion in intra- and intercellular signaling. Ca2+ acts as a signal molecule by the spatiotemporal changes in its concentration. Endoplasmic reticulum, inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) receptor (IP3R), IP3, Ca2+, SERCA, PMCA and Ca2+ buffers together regulate the Ca2+ signal.The experiments included tracking the cytosolic Ca2+ and IP3 changes in HEK-293 and LTK-8 cells. Also CPA and lanthanum (La3+) are used to block SERCA and PMCA, respectively. The results of these experiments are consequently used to implement a mathematical model of intracellular Ca2+ signaling. Throughout the modeling stage, the differential equations describing the cellular processes are numerically solved by MATLAB, which parameters are determined by random search constrained by actual measurements in the literature.The simulations performed with the constructed mathematical model are consistent with the data in its basic aspects. Many complicated phenomena such as quantal calcium release and calcium oscilations could be modeled with the given modelling framework. Furthermore, this model has the ability of making predictions and proposing mechanisms that determines the behaviour of the system. These results leads to the conclusion that instead of modeling IP3R in a complex manner by assuming that the behavior of the whole system depends on IP3R, a model describing the system as a whole is adequate to explain complex experimental data and provides better understanding about the mechanisms of this signaling.