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酸碱生理学的数学建模。

Mathematical modeling of acid-base physiology.

作者信息

Occhipinti Rossana, Boron Walter F

机构信息

Department of Physiology and Biophysics, Case Western Reserve University School of Medicine, Cleveland, OH 44106, USA.

Department of Physiology and Biophysics, Case Western Reserve University School of Medicine, Cleveland, OH 44106, USA; Department of Medicine, Case Western Reserve University School of Medicine, Cleveland, OH 44106, USA.

出版信息

Prog Biophys Mol Biol. 2015 Jan;117(1):43-58. doi: 10.1016/j.pbiomolbio.2015.01.003. Epub 2015 Jan 22.

Abstract

pH is one of the most important parameters in life, influencing virtually every biological process at the cellular, tissue, and whole-body level. Thus, for cells, it is critical to regulate intracellular pH (pHi) and, for multicellular organisms, to regulate extracellular pH (pHo). pHi regulation depends on the opposing actions of plasma-membrane transporters that tend to increase pHi, and others that tend to decrease pHi. In addition, passive fluxes of uncharged species (e.g., CO2, NH3) and charged species (e.g., HCO3(-), [Formula: see text] ) perturb pHi. These movements not only influence one another, but also perturb the equilibria of a multitude of intracellular and extracellular buffers. Thus, even at the level of a single cell, perturbations in acid-base reactions, diffusion, and transport are so complex that it is impossible to understand them without a quantitative model. Here we summarize some mathematical models developed to shed light onto the complex interconnected events triggered by acids-base movements. We then describe a mathematical model of a spherical cells-which to our knowledge is the first one capable of handling a multitude of buffer reactions-that our team has recently developed to simulate changes in pHi and pHo caused by movements of acid-base equivalents across the plasma membrane of a Xenopus oocyte. Finally, we extend our work to a consideration of the effects of simultaneous CO2 and HCO3(-) influx into a cell, and envision how future models might extend to other cell types (e.g., erythrocytes) or tissues (e.g., renal proximal-tubule epithelium) important for whole-body pH homeostasis.

摘要

pH是生命中最重要的参数之一,几乎在细胞、组织和全身水平上影响着每一个生物过程。因此,对于细胞来说,调节细胞内pH(pHi)至关重要,而对于多细胞生物来说,调节细胞外pH(pHo)也很关键。pHi的调节取决于质膜转运蛋白的相反作用,一些转运蛋白倾向于升高pHi,而另一些则倾向于降低pHi。此外,不带电荷的物质(如CO2、NH3)和带电荷的物质(如HCO3(-)、[公式:见原文])的被动通量会扰乱pHi。这些移动不仅相互影响,还会扰乱众多细胞内和细胞外缓冲剂的平衡。因此,即使在单个细胞水平上,酸碱反应、扩散和运输的扰动也非常复杂,没有定量模型就不可能理解它们。在这里,我们总结了一些为阐明酸碱移动引发的复杂相互关联事件而开发的数学模型。然后,我们描述了一个球形细胞的数学模型——据我们所知,这是第一个能够处理多种缓冲反应的模型——我们的团队最近开发该模型来模拟非洲爪蟾卵母细胞质膜上酸碱当量移动引起的pHi和pHo变化。最后,我们将工作扩展到考虑CO2和HCO3(-)同时流入细胞的影响,并设想未来的模型如何扩展到对全身pH稳态很重要的其他细胞类型(如红细胞)或组织(如肾近端小管上皮)。

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