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IP屬地：四川 上傳時(shí)間：2022-10-13 格式：DOCX 頁(yè)數(shù)：10 大?。?54.51KB 積分：12 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、縫隙連接滲透率對(duì)鈣離子傳輸?shù)挠绊懻阂呀⒌臐B透性模型主要基于連接蛋白的開(kāi)關(guān)特性，卻忽略實(shí)際蛋白間的差異，在應(yīng)用上存在局限X 從連接蛋白生物特征多樣性的角度引入滲透率這一縫隙連接類型參數(shù)，對(duì)滲透性模型進(jìn)行改進(jìn)，分析滲透率 對(duì)分子通信的時(shí)延、傳輸距離等參數(shù)的影響X選取鈣離子為傳輸粒子進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確 性，在發(fā)送、傳輸條件一致的前提下，滲透率越高，接收鈣離子波的幅度越大，對(duì)應(yīng)的傳輸距離越遠(yuǎn)X 關(guān)鍵詞：分子通信&縫隙連接&鈣離子;滲透性Effect of Gap Junction Penetration Rate onCalcium Ions TransportAbstract:

2、 The estab 1 i shed permeab i 1 i ty model i s ma i nly based on the swi tch i ng character i sti cs of connex i n but ignores the differences between the actual proteins，which has i imitations in application. The penetration rate is introduced from the perspective of the biological diversity of con

3、nexin，and the permeability mode 1 is improved to analyze the influence of penetraton rate on parameters such as the t ime delay and transmission ds- tance of molecular communication. Calcium ions are selected as the transmission particles for simulation. The experimental results verify the accuracy

4、of the model. Under the premise of the same sending and transmitiing condtons，the hgher the penetraton rate 2s，the larger the ampltude of the receved calcum2on wave，and the longer the correspondng transmsson dstance 2sXKeywords: molecular communication; gap junction; calcium ion; permeability隨著納米技術(shù)的

5、迅速發(fā)展，納米尺度(1-100 nm)的信息與通信技術(shù)日益成為研究熱點(diǎn).分子通信 領(lǐng)域中，縫隙連接（gap junction, GJ）作為一種生物納米機(jī)器之間的接口 1,連接兩個(gè)相鄰細(xì)胞的細(xì)胞 質(zhì),允許胞內(nèi)某些小分子（如CaL+ ）在相鄰細(xì)胞間擴(kuò)散，從而影響細(xì)胞內(nèi)離子濃度.同時(shí)，縫隙連接蛋白 （connexin,Cx）以多種類型表達(dá)和分布于動(dòng)物細(xì)胞組織的不同部位中，且同一細(xì)胞或組織可能有多種蛋 白存在.例如，家兔竇房結(jié)組織表達(dá)的Cx43和Cx31. 9與心動(dòng)過(guò)緩密切相關(guān)；Cx43,Cx40與Cx45影 響血管痙攣%心肌細(xì)胞表達(dá)的Cx4。和Cx4M同時(shí)影響著心房顫動(dòng)山；Cx4M和CxM7對(duì)卵巢卵

6、泡的發(fā) 育起著重要作用.因此，控制不同種GJ蛋白行為對(duì)藥物的傳送及疾病的治療有重要意義.目前，對(duì)縫隙連接模型的研究大致有兩類.一類研究集中于根據(jù)細(xì)胞類型找到影響GJ行為的因 素，從而建立模型.研究人員從信息論角度，根據(jù)動(dòng)作電位影響GJ的行為，建立以心肌細(xì)胞為例的興奮 型細(xì)胞間的GJ通道傳輸模型%5uQ&.對(duì)于星型膠質(zhì)細(xì)胞，要實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)部途徑長(zhǎng)距離通信，需要對(duì)GJ進(jìn) 行非線性耦合%7&;對(duì)于上皮細(xì)胞（代表不可興奮型細(xì)胞）、平滑肌細(xì)胞（代表可興奮型細(xì)胞）、星形膠質(zhì)細(xì) 胞（代表雜種細(xì)胞），可以建立電壓敏感隨機(jī)模型模擬GJ開(kāi)關(guān)過(guò)程艾.另一類研究則基于GJ,由兩個(gè)與 相鄰細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度變化密切相關(guān)的半

7、通道連接子組成，建立切換控制模型%910.上述GJ模型旨在分析GJ開(kāi)關(guān)特性與外界環(huán)境和細(xì)胞內(nèi)部離子濃度等因素的關(guān)系，卻忽略了連接 蛋白本身差異性，將所有蛋白類型的開(kāi)關(guān)控制歸為一類.實(shí)際上，即使是同種細(xì)胞，也會(huì)同時(shí)表達(dá)不同種 連接子蛋白，從而使縫隙連接介導(dǎo)的通信過(guò)程傳輸情況有所不同.因此，本文考慮到GJ本身的差異性, 從GJ蛋白類型出發(fā)，分別分析其對(duì)發(fā)送、傳輸和接收過(guò)程的影響，豐富現(xiàn)有的從生物學(xué)角度描述分子 通信過(guò)程的方法，并對(duì)過(guò)濾功能進(jìn)行數(shù)值分析，優(yōu)化縫隙連接滲透性模型，引入滲透率參數(shù)，探究不同滲 透率對(duì)傳輸距離和接收幅度的影響.1通信過(guò)程對(duì)比傳統(tǒng)意義上的通信系統(tǒng)，縫隙連接介導(dǎo)的分子通信過(guò)程%

8、11，如圖1所示.在一維生物場(chǎng)景下, 鈣離子傳輸模型，如圖2所示.圖2中：s為刺激強(qiáng)度.信源編碼器十分子傳堿道合解碼器信宿信息信息j信號(hào)，信號(hào)發(fā)送方納米機(jī)器11接收方納米機(jī)器1噪聲源11L 圖1縫隙連接介導(dǎo)的分子通信過(guò)程Fig. 1 Process of molecular communication mediated by gap junction縫隙連接傳輸粒子圖2 一維場(chǎng)景下鈣離子傳輸模型Fig. 2 Transport model of calcium ions in one dimension圖1中，刺激發(fā)送方納米機(jī)器發(fā)送信號(hào)分子，將信號(hào)分子轉(zhuǎn)化成適合在生物細(xì)胞或組織中傳播的粒 子，

9、如三磷酸肌醇（inositol 1,4,5-triphosphate, IP3）（編碼過(guò)程），在細(xì)胞中或細(xì)胞間傳輸,到達(dá)接收方 納米機(jī)器前轉(zhuǎn)換成特定的響應(yīng)，比如肌肉收縮（解碼過(guò)程）.由于生物環(huán)境中存在各種化學(xué)反應(yīng)，因此，噪 聲一直存在，而研究基于無(wú)其他化學(xué)反應(yīng)且收發(fā)同步的假設(shè).刺激細(xì)胞1（發(fā)送方納米機(jī)器）使細(xì)胞產(chǎn)生鈣振蕩，并依次向細(xì)胞2,3,4傳輸，假設(shè)周圍無(wú)其他交換 過(guò)程，細(xì)胞內(nèi)鈣振蕩及細(xì)胞間GJ介導(dǎo)的鈣傳輸交替出現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)鈣離子到達(dá)細(xì)胞4（目標(biāo)接收機(jī)）. 1.1縫隙連接鈣離子傳播通信的一個(gè)重要特征是可以從一個(gè)細(xì)胞傳播到另一個(gè)細(xì)胞，這種交流包含細(xì)胞內(nèi)鈣離圖3縫隙連接的生物模型Fig. 3

10、Biological model of gap junction子動(dòng)力學(xué)（胞內(nèi)傳輸）和細(xì)胞之間的通信（胞間傳輸）. 圖3縫隙連接的生物模型Fig. 3 Biological model of gap junction縫隙連接的生物模型，如圖3所示.GJ通道是在 兩個(gè)相鄰細(xì)胞間形成的物理通道，連接兩個(gè)細(xì)胞的細(xì) 胞質(zhì).GJ通道由圍繞中心孔的兩個(gè)相鄰的連接蛋白六 聚體組成.研究表明，連接蛋白有Cx43,Cx37,Cx40 等超過(guò)20種，不同連接蛋白在分子滲透性和選擇性 方面具有不同的性質(zhì)12.影響GJ滲透性和選擇性的 因素包括環(huán)境的pH值，鈣離子濃度和鈣調(diào)蛋白 等13.作為動(dòng)物組織中普遍存在的一種細(xì)

11、胞連接方式,GJ的開(kāi)閉往往可控，并控制著細(xì)胞間通路，影響 胚胎、組織和器官的發(fā)育、細(xì)胞死亡等.因此，研究GJ滲透性對(duì)細(xì)胞間通信過(guò)程的影響具有重要意義.一般來(lái)講，除了對(duì)GJ蛋白特征與性能進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)外，還可用數(shù)學(xué)模型量化縫隙連接滲透性對(duì) 鈣離子的傳播過(guò)程.刺激單一細(xì)胞（發(fā)送端輸入）會(huì)引起鈣離子傳播.在分子通信的分層結(jié)構(gòu)中，GJ作為 生物納米機(jī)器子層具有分子釋放功能，可直接進(jìn)入其他生物納米機(jī)器中，通過(guò)與另一種生物納米機(jī)器的 直接連接打開(kāi)連接兩個(gè)細(xì)胞的GJ通道1.2發(fā)送發(fā)送是通過(guò)刺激物對(duì)發(fā)送方納米機(jī)器產(chǎn)生一定強(qiáng)度的刺激傳輸鈣離子的方式開(kāi)始的.實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證 實(shí)，只要滿足條件實(shí)現(xiàn)再生波傳播，鈣離子就可以

12、以自擴(kuò)增的方式向下傳遞%項(xiàng).發(fā)送過(guò)程的實(shí)現(xiàn)需滿足 兩個(gè)基本條件：1）刺激強(qiáng)度可以達(dá)到發(fā)送納米機(jī)器感知的程度，使細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)鈣振蕩（2）發(fā)送方細(xì)胞 與下一個(gè)傳遞的相鄰細(xì)胞間GJ打開(kāi)，使鈣離子可以向下傳輸.然而，當(dāng)同一發(fā)送納米機(jī)器周圍存在多 種GJ連接多個(gè)第2傳輸細(xì)胞時(shí)，對(duì)于一定刺激強(qiáng)度，發(fā)送方納米機(jī)器發(fā)送傳輸粒子，不同GJ對(duì)粒子的 感知程度不同，從而發(fā)生分子優(yōu)先通過(guò)某一 GJ通道，這一過(guò)程可以描述為過(guò)濾.過(guò)濾實(shí)質(zhì)上是由于GJ 對(duì)傳輸粒子的敏感度不同而出現(xiàn)的滲透性差異，使發(fā)送的粒子受到傳輸限制或擇優(yōu)通過(guò)的過(guò)程.1.3傳輸鈣離子在生物體內(nèi)普遍存在，并參與調(diào)節(jié)生物生長(zhǎng)發(fā)育、組織分化和凋亡等生理活動(dòng).細(xì)胞

13、中鈣離 子濃度調(diào)節(jié)著機(jī)體活動(dòng)口句.鈣離子傳輸包括兩個(gè)過(guò)程：胞內(nèi)傳輸和胞間傳輸.內(nèi)部傳輸表示刺激產(chǎn)生的 鈣離子在細(xì)胞內(nèi)形成鈣波.鈣離子胞間傳輸包含內(nèi)部途徑和外部途徑E&.對(duì)于GJ介導(dǎo)的鈣離子通信過(guò) 程，傳輸距離是一個(gè)重要指標(biāo)，想要實(shí)現(xiàn)藥物靶向治療，通過(guò)粒子的傳輸距離確定其到達(dá)的指定位置是 關(guān)鍵.除了文獻(xiàn)6&中信息容量、分子延遲和信號(hào)干擾等研究外，GJ類型與傳輸距離密切相關(guān).文獻(xiàn)12 的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了用IP3刺激融合生長(zhǎng)的海拉細(xì)胞Cx32傳輸效率比Cx36高34倍.1.4接收納米接收機(jī)能否成功解碼接收到鈣信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)是接收的關(guān)鍵.在其他條件（刺激發(fā)送與傳輸 過(guò)程）不變且接收端收到鈣濃度一定的前提下

14、,GJ滲透性差異影響解碼出的鈣振蕩幅度.由于不同GJ 滲透性不同，即使接收前鈣傳播相同，最后接收到的鈣波幅度也將不同.2數(shù)學(xué)模型2. 1鈣離子傳輸模型設(shè)所有參與通信的細(xì)胞集合為G,任何一個(gè)通信過(guò)程中第個(gè)細(xì)胞相鄰，且發(fā)送方細(xì)胞 為第1個(gè)細(xì)胞，刺激強(qiáng)度w使鈣離子經(jīng)過(guò)內(nèi)外傳播途徑向目標(biāo)接收細(xì)胞傳播.用cx“表示第+個(gè)細(xì)胞中 的鈣離子濃度，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中鈣離子濃度為CY,傳輸時(shí)間為Z.這里僅對(duì)細(xì)胞間鈣振蕩的經(jīng)典雙池模型進(jìn)行 描述.最小鈣確定性模型1O為dc&，+1 , 0 , 1 1 , 2 1Cx，+ , 21，+ , 0P + ； (ex；Cx,+), Sii,+ , Sgdc&，+dz 21 2I ,

15、+ +Si2，+.http: # www. hdxb. hqu. edu. cn式（1）,（2 ）中：寸。為鈣離子從細(xì)胞外流入細(xì)胞內(nèi)的速率；I為輸入刺激在細(xì)胞中的響應(yīng)，其表達(dá)式為(3)_ jiw + SE., , i/(3)1 &0,其他.式（3）僅假設(shè)在細(xì)胞集合G內(nèi)，外界刺激對(duì)傳輸有影響，不在此范圍內(nèi)的外部刺激則對(duì)傳輸過(guò)程不產(chǎn)生 影響.其中，ais表示輸入刺激使細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高的速率；Se”表示均值5為0,方差為De的高 斯白噪聲，表達(dá)式為= #i wSi.（4）式（1）,（2）中的W1和2表示由參數(shù)#2#控制的鈣庫(kù)（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）與胞質(zhì)間的鈣離子交換速率，其 中，#2表示胞內(nèi)鈣離子泵入鈣庫(kù)的

16、最大速率表示鈣庫(kù)中的鈣離子釋放到細(xì)胞內(nèi)的最大速率；#3,#5, #Q分別為泵送、釋放和激活的閾值常數(shù)1和2的表達(dá)式為 率僅表征蛋白差異引起的對(duì)傳輸粒子阻礙的作用，用來(lái)描述GJ蛋白特性的量.而滲透性則是蛋白通道 對(duì)粒子的阻礙作用，反映粒子通過(guò)蛋白通道傳輸?shù)哪芰?，這種能力與pH值、溫度及蛋白差異等多種因 素有關(guān).因此，在原滲透性模型的基礎(chǔ)上，加入滲透率參數(shù)表示蛋白差異的影響因素，優(yōu)化滲透性模型._ #2C&,i#3+c，+ 42#4Cx丫 ,+(_ #2C&,i#3+c，+ 42#4Cx丫 ,+(#K +c1Cx，,表示鈣離子從胞質(zhì)內(nèi)流出細(xì)胞導(dǎo)致胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度降低的速率以2CY ,i表示細(xì)胞內(nèi)內(nèi)

17、質(zhì)網(wǎng) 泄露鈣離子到細(xì)胞質(zhì)中導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高的速率；Sn，,和S42 ,i分別表示由細(xì)胞體積Vi和獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量加，,*，,和*6 i，控制的細(xì)胞質(zhì)中及鈣庫(kù)中的內(nèi)部噪聲，即Sn,i = （*0，+#0,*1 ,i *2，+n, *3，+,中，+#1CY，,+ Vi*5，+ +#2Cx i , 0*6，+; +O ; （Cx; Cx,i）,Sl2 ,i =（*2 ,i_ *3 iU *4 ,i + #iCy,）.+V iS%i；表示均值4i；為0，方差為Dg的縫隙連接產(chǎn)生的高斯白噪聲,其表達(dá)式為S%,i； = 00,4i； （Cx; Cxi .式（8）中0i；為縫隙連接滲透性,表示相鄰

18、細(xì)胞胞質(zhì)中鈣離子穿過(guò)GJ的滲透性,它表征兩個(gè)連接子的 耦合程度.更多數(shù)值設(shè)置及內(nèi)容分析參照文獻(xiàn)（10）.(6)(7)(8)2.2縫隙連接模型式（1）中的耦合項(xiàng)Pi；并不是早期研究中的常數(shù)項(xiàng),文獻(xiàn)（8）設(shè)計(jì)通道開(kāi)關(guān),通過(guò)鈣離子濃度對(duì)GJ 通透性的影響建立信道切換模型，該模型基于細(xì)胞間切換機(jī)制將其改進(jìn)為可選通的可變項(xiàng).GJ是由兩個(gè)連接子構(gòu)成,其滲透性可直接由兩個(gè)連接子的滲透程度表示，即Pii+1 = Pi (Cx,i ) * Pi+1 (Cx,i+1 ) .(9)式（9）中i + 1=；P,與Pi+1分別表示第,與第z+1個(gè)細(xì)胞上連接 子對(duì)鈣離子的滲透程度,若使GJ形成通道,要求兩個(gè)連接子類型相

19、同,各連接子滲透性受各自所在細(xì)胞中鈣離子濃度的影響.然而,作為蛋白本身屬性,不同GJ類型的連接子將直接影響鈣 離子在細(xì)胞間的發(fā)送、傳輸和接收過(guò)程,最明顯體現(xiàn)在發(fā)送過(guò)濾.細(xì) 胞間不同連接蛋白的鈣離子傳輸模型,如圖4所示.同一細(xì)胞（發(fā)送 細(xì)胞1）質(zhì)膜上存在多種連接子蛋白，多種不同連接子蛋白與相鄰細(xì)圖4細(xì)胞間不同連接蛋白的 鈣離子傳輸模型Fig. 4 Calcium ions transport model of different connexins between cells胞2,3,4表面連接子結(jié)合成不同類型縫隙連接A ,B ,C,分別用 GJA ,GJB ,GJC表示.刺激細(xì)胞1后,鈣離子通

20、過(guò)不同GJ向下傳遞 （刺激后假設(shè)鈣離子在細(xì)胞中均勻分布），則GJ差異直接影響滲透 性，鈣離子經(jīng)過(guò)GJA ,GJB ,GJC的阻礙程度不同，傳遞至下一個(gè)細(xì)胞后,想要達(dá)到該細(xì)胞中鈣離子所能檢測(cè)到閾值的時(shí)間也就不同，造成3個(gè)路徑下的傳輸延遲,形成過(guò)濾. 在對(duì)過(guò)濾理論分析的基礎(chǔ)上,模擬GJ發(fā)送過(guò)濾機(jī)制，定義滲透率參數(shù)滲透率是表示不同連接蛋白構(gòu) 成的GJ通道對(duì)傳輸粒子阻礙程度的物理量,它僅區(qū)分蛋白屬性,表征連接蛋白間的差異性.由于兩個(gè) 同種連接子的耦聯(lián)才形成GJ通道,因此,滲透率僅針對(duì)能構(gòu)成GJ的兩個(gè)連接子.與滲透性不同，滲透縫隙連接滲透性模型為(10)(11)= 2 - 01(10)(11)0i 2P

21、mai bNctC1 切攻,+1+1 p.=2 . p 5c1+1一P+12 Pm.Fc ”+b3 c ,+1+b4 - 式（10） , （11）中：參數(shù)b1bp和5 ,N , q的設(shè)置影響GJ的打開(kāi)速度，受環(huán)境因素的影響；Pm.F表示最大能 達(dá)到的滲透性.根據(jù)具體生物場(chǎng)景，在有些非正常細(xì)胞中，隨著胞內(nèi)鈣離子濃度的增加，GJ趨于關(guān)閉狀 態(tài),滲透性降低（由式（10）模擬）；還有一些細(xì)胞，當(dāng)鈣離子濃度升高，GJ趨于打開(kāi)狀態(tài),于是滲透性升高 （由式（11）模擬）J）.一定刺激下,3種不同類型通道的狀態(tài)及1個(gè)短周期內(nèi)傳遞細(xì)胞中鈣離子振蕩峰值出現(xiàn)的情況,如 表1所示.表1中：T表示1個(gè)周期）1知為1個(gè)周

22、期的3個(gè)時(shí)間點(diǎn)”表示振蕩“一”表示非振蕩.表1通道狀態(tài)及細(xì)胞內(nèi)鈣離子趨勢(shì)Tab. 1 Channel status and intracellular calcium ion trends)s通道狀態(tài)鈣離子趨勢(shì)GJAGJBGJC細(xì)胞1細(xì)胞2細(xì)胞3細(xì)胞4(0)1)關(guān)關(guān)關(guān))1)2 )開(kāi)關(guān)關(guān)）2 ）3）不確定開(kāi)關(guān))3 ()不確定不確定開(kāi)在0時(shí)刻，給細(xì)胞1 一定刺激（達(dá)到細(xì)胞產(chǎn)生鈣離子振蕩的程度），在（0,1時(shí)段，刺激引起IP3濃 度升高，發(fā)射細(xì)胞1中的鈣離子濃度隨之增加，細(xì)胞1開(kāi)始出現(xiàn)振蕩.假設(shè)鈣離子濃度在細(xì)胞中分布均 勻，即達(dá)到峰值后向下傳輸?shù)钠鹗紳舛纫恢?當(dāng)鈣離子濃度增加到指定閾值后，由于GJA

23、對(duì)刺激產(chǎn)生的 鈣離子敏感度較強(qiáng)，于是,GJA優(yōu)先在（）1）時(shí)段內(nèi)開(kāi)放，滲透性升高，鈣離子在細(xì)胞2中開(kāi)始振蕩； GJB對(duì)鈣離子敏感度相對(duì)較低，在）2）3）時(shí)段內(nèi)打開(kāi)，鈣離子進(jìn)入細(xì)胞3中，開(kāi)始出現(xiàn)振蕩峰值.由于該 時(shí)段內(nèi)細(xì)胞2已經(jīng)振蕩并向下傳遞，其內(nèi)部鈣離子接近穩(wěn)態(tài)，所以，即使細(xì)胞1,2之間的GJA在）2）3） 時(shí)段與GJB 一同開(kāi)放，也并不影響正常通信，僅起到正常膜蛋白作用，不考慮環(huán)境因素影響，僅與兩細(xì) 胞內(nèi)鈣離子濃度穩(wěn)態(tài)波動(dòng)有關(guān)，開(kāi)或關(guān)對(duì)細(xì)胞3傳遞過(guò)程的影響可忽略不計(jì)，只比較不同蛋白傳輸?shù)倪^(guò) 濾先后，忽略不同蛋白依次打開(kāi)后同時(shí)開(kāi)放對(duì)發(fā)送傳遞的影響，因此，用不確定表示.GJC對(duì)鈣離子的 敏感度最

24、低，因此，在）3仃）時(shí)段內(nèi)打開(kāi)，細(xì)胞4開(kāi)始振蕩.同理，該時(shí)段內(nèi)GJA和GJB用不確定表示. 這樣便呈現(xiàn)出不同時(shí)段的鈣離子選通特性.表1中的“開(kāi)”和“關(guān)”是一種相對(duì)的概念，表示鈣離子通過(guò)時(shí) GJ的變化.為了描述這一過(guò)濾現(xiàn)象，引入?yún)?shù)”來(lái)區(qū)別不同通道蛋白的類型.3仿真結(jié)果與討論3.1發(fā)送結(jié)果仿真過(guò)程中，對(duì)細(xì)胞1刺激（圖4），刺激傳播至相鄰細(xì)胞，假設(shè)3種不同連接蛋白連接發(fā)送細(xì)胞1 與相鄰細(xì)胞.鈣離子將分別通過(guò)GJA ,GJB ,GJC傳播至細(xì)胞2,3,4.于是,隨著刺激強(qiáng)度的增加，GJ表 現(xiàn)出不同的滲透性.兩種機(jī)制下的GJ滲透性,如圖5所示.在無(wú)刺激時(shí)，細(xì)胞膜上的GJ通道參與維持細(xì)胞內(nèi)、外離子平衡,

25、介導(dǎo)相鄰細(xì)胞通信（應(yīng).但刺激的產(chǎn) 生改變了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),隨著刺激的逐漸增加，在細(xì)胞膜及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜受體的作用下，細(xì)胞內(nèi)鈣離子動(dòng) 員分子IP3增加，進(jìn)而升高細(xì)胞溶質(zhì)中鈣離子的濃度.因此，刺激增強(qiáng),在細(xì)胞中產(chǎn)生的鈣離子濃度變 大,由于當(dāng)前鈣離子的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，細(xì)胞的自我保護(hù)機(jī)制使GJ通道趨于關(guān)閉的狀態(tài),滲透性降低. 然而，在某些病態(tài)下,GJ依然會(huì)打開(kāi),滲透性依然升高，允許鈣離子繼續(xù)通過(guò).對(duì)節(jié)2.1的公式部分仿真，刺激輸入增加，使細(xì)胞產(chǎn)生的鈣離子濃度逐漸增加，從而改變GJ滲透性.然而，在實(shí)際生物場(chǎng)景中，刺激過(guò)強(qiáng)將導(dǎo)致蛋白表達(dá)失常，例如，在高糖作用下，腎小球系膜細(xì)胞間的 GJ蛋白表達(dá)降低，影響正常通信

26、#2。.為了與實(shí)際場(chǎng)景契合，改變刺激強(qiáng)度h的值，h的取值范圍為#0, 1.8$.圖5（b）中有一處跳變的原因在于，當(dāng)刺激達(dá)到一定程度時(shí)，細(xì)胞1內(nèi)鈣離子濃度加速增長(zhǎng)到峰 值，GJ達(dá)到開(kāi)放最佳，即該時(shí)刻第2個(gè)細(xì)胞鈣離子濃度的振蕩將影響GJ的滲透性程度，因此產(chǎn)生跳變.兩種不同的鈣離子濃度影響機(jī)制都顯示滲透率越高,GJ滲透性越大.以圖5的第2種機(jī)制為例，不 同滲透率時(shí)鈣離子傳輸延遲性，如圖6所示.圖6中：ex表示細(xì)胞中的鈣離子濃度.由圖6可知：當(dāng)發(fā)送 細(xì)胞1同時(shí)傳遞鈣離子時(shí)，滲透率低時(shí)表現(xiàn)出一定的傳遞延遲性.以上結(jié)果體現(xiàn)出過(guò)濾性質(zhì)，即不同GJ 對(duì)刺激的敏感程度不同，因此，在發(fā)送時(shí)，同一刺激下滲透率高,

27、GJ滲透性越強(qiáng)，容易開(kāi)放，鈣離子優(yōu)先 通過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)濾.在（0,0. 5$ s時(shí)段內(nèi)，GJA開(kāi)放，細(xì)胞2開(kāi)始出現(xiàn)振蕩峰值；在（0. 5,1.0$ s內(nèi),GJB 開(kāi)放，細(xì)胞3開(kāi)始出現(xiàn)振蕩峰值；在（1.5,2.0$ s內(nèi),GJC開(kāi)放，細(xì)胞4開(kāi)始出現(xiàn)振蕩峰值.由此可得，通 過(guò)不同p的取值，可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的通道開(kāi)放，從而描述過(guò)濾過(guò)程.圖7 p=Q.圖7 p=Q. 50時(shí)的鈣離子傳輸濃度Fig. 7 Concentration of calcium iontransport at p = 0. 50（a） GJ趨于關(guān)閉（b） GJ趨于打開(kāi)圖5兩種機(jī)制下的GJ滲透性! 圖6不同滲透率時(shí)鈣離子傳輸延遲性

28、Fig. 5 GJ permeability underFig. 6Calcium ion transport delays attwo mechanismsdifferent penetration rate3.2傳輸結(jié)果選擇直線型結(jié)構(gòu)傳輸（物理模型見(jiàn)圖2）,分別以同一刺激強(qiáng)度對(duì)3種不同滲透率的GJ進(jìn)行鈣離子 傳輸，假設(shè)每次刺激時(shí)鈣離子都在相同GJ蛋白中傳輸.鈣離子向下傳遞過(guò)程中濃度持續(xù)衰減，而傳遞 的距離（用傳遞細(xì)胞數(shù)描述）因蛋白類型（用縫隙連接滲透率表示）的不同而表現(xiàn)出不同的傳輸效果.當(dāng)p = 0. 50時(shí)，鈣離子傳輸?shù)郊?xì)胞1,2,3的濃度，如圖7所示.圖7中：鈣離子以振蕩形式傳播，這里

29、僅顯示1個(gè)周期（下同）.由圖7可知：一維鈣波細(xì)胞1 產(chǎn)生振蕩波峰，表示傳輸成功；細(xì)胞2內(nèi)濃度相對(duì)衰減, 但依然產(chǎn)生波峰，細(xì)胞2傳輸成功；然而，細(xì)胞3內(nèi)鈣離 子振蕩峰值較小，即細(xì)胞鈣離子濃度變化趨緩，開(kāi)始向 正常細(xì)胞動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)變化，細(xì)胞3傳輸失敗.因此，傳 播細(xì)胞數(shù)為2.當(dāng)p=0. 75時(shí)，鈣離子傳播到細(xì)胞1,2,3,4的濃 度，如圖8所示.由圖8可知：一維鈣波傳遞至細(xì)胞1,2, 3時(shí)振蕩峰值雖依次遞減，但均有波峰產(chǎn)生，表示傳輸成 功;而細(xì)胞4鈣離子濃度逐漸趨于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，即細(xì) 胞4傳輸失敗.因此，傳播細(xì)胞數(shù)為3.當(dāng)p = 1. 00時(shí)，鈣離子傳播到細(xì)胞1,2,3,4,5的濃度，如圖9所示.

30、由圖9可知：一維鈣波傳遞到細(xì)胞1,2,3,4時(shí)均有振蕩波峰產(chǎn)生，表明傳輸正常；第4 個(gè)細(xì)胞后，鈣離子濃度便趨于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，傳輸失敗.因此，傳播細(xì)胞數(shù)為4.通過(guò)對(duì)比不同滲透率下的傳輸情況可知，改進(jìn)后的模型可以明顯區(qū)分蛋白屬性.通過(guò)設(shè)置滲透率描 述鈣離子在不同傳輸通道下傳輸?shù)木嚯x不同，即滲透率越大（p最大不超過(guò)1.00,當(dāng)p = 1. 00時(shí)，鈣離圖8 2 = 0.75時(shí)的鈣離子傳輸濃度Fig. 8 Concentration of calcium ion圖9 2 = 1. 00時(shí)的鈣離子傳輸濃度Fig. 9 Concentration of calcium iontransport at 2 = 0. 75transport at