鈣編碼
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鈣編碼（或稱Ca2+編碼或者鈣信號處理）是一種被很多細胞用於傳遞、處理和編碼細胞探測到的外部信號的胞內信號通路。在細胞生理學中胞外信號通常被轉化為胞內鈣動力學。鈣編碼的概念解釋了Ca2+如何作為細胞內信使，在細胞內傳遞信息以調節其活性。[1]鑑於Ca2+在細胞生理學中的廣泛存在，鈣編碼也被認為是表徵健康與疾病的潛在工具。[2][3][4] 鈣編碼的數學基礎在上世紀90年代由Joel Keizer和Hans G. Othmer在鈣模型方面的工作開創，在最近由Eshel Ben-Jacob, Herbert Levine以及其同事重新進行了研究。
AM,FM和AFM型鈣編碼
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雖然鈣離子的濃度提升對於它的信號功能是必需的，持續的細胞質鈣離子濃度增高對細胞是有害的。所以，細胞內的鈣信號通常是瞬時的，比如說，Ca2+濃度升高之後快速下，或者，以振盪形式存在。與信息論類似，Ca2+的振幅與頻率同時定義了鈣的編碼模式。基於此，可以定義3種不同的鈣編碼模式:[2][3][5]
- AM（調幅）編碼 Ca2+ 信號: 刺激強度被編碼為鈣振盪的振幅。換句話說，同樣性質但強度不同的刺激聯繫着鈣振盪的不同振幅，而振盪頻率相同；
- FM（調頻）編碼 Ca2+ 信號：刺激強度被編碼為鈣振盪的頻率。換句話說，同樣性質但強度不同的刺激聯繫着鈣振盪的不同頻率，而振幅相同；
- AFM 編碼 Ca2+ 信號：上面兩種模式同時存在。
實驗和生物物理建模顯示，鈣編碼的模式對於不同的細胞不同，甚至同一細胞在不同的生理狀態下也會顯示出不同的編碼模式。[6][7] 這最終可以在醫學診斷中用於識別和防止疾病。[6]
鈣編碼的數學認知
[編輯]鈣編碼可以被數學描述為鈣信號的生物物理模型。[8] 對這些模型的相平面分析和分岔分析能夠闡明鈣振盪的頻率和振幅如何隨着模型參數的改變而改變。[3]
建模揭示出研究鈣編碼的一個關鍵角度：鈣編碼如何依賴於基於鈣動員信號的複雜反應網絡的動力學。這需要同時包含鈣離子動力學和鈣動員信號動力學的模型。一個簡單而具有生物物理實際性的模型是 ChI 模型。[4] 這一研究的主要結論是：鈣動員信號（ IP3）對於AFM型編碼是必需的，而鈣振盪可以是FM或AFM型不過不會是AM型。[4] IP3信號的AFM特性被認為是將離散的胞外信號轉化為連續的胞內鈣信號的理想方法。[4]
外部連結
[編輯]- Cell Signaling Biology
- Prof. Eshel Ben-Jacob's homepage
- Prof. Herbert Levine's homepage
- Prof. Hugues Berry's homepage （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Dr. Vladislav Volman's homepage （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Dr. Maurizio De Pittà's homepage （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
參考文獻
[編輯]- ^ Berridge, M. J. and Bootman, M. D. and Lipp, P. Calcium – a life and death signal. Nature. 1998, 395: 645–648. doi:10.1038/27094.
- ^ 2.0 2.1 De Pittà, M. and Volman, V. and Levine, H. and Ben-Jacob, E. Multimodal encoding in a simplified model of intracellular calcium signaling. Cognitive Processing. 2009, 10 (S1): 55–70. doi:10.1007/s10339-008-0242-y.
- ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 De Pittà, M. and Volman, V. and Levine, H. and Pioggia, G. and De Rossi, D. and Ben-Jacob, E. Coexistence of amplitude and frequency modulations in intracellular calcium dynamics. Phys. Rev. E. 2008, 77 (3): 030903(R). doi:10.1103/PhysRevE.77.030903.
- ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 De Pittà, M. and Goldberg, M. and Volman, V. and Berry, H. and Ben-Jacob, E. Glutamate-dependent intracellular calcium and IP3 oscillating and pulsating dynamics in astrocytes. J. Biol. Phys. 2009, 35: 383–411. doi:10.1007/s10867-009-9155-y.
- ^ Berridge, M.J. The AM and FM of calcium signaling. Nature. 1997, 386 (6627): 759–760. PMID 9126727. doi:10.1038/386759a0.
- ^ 6.0 6.1 Berridge, M. J. and Bootman, M. D. and Roderick, H. L. Calcium signalling: dynamics, homeostasis and remodelling. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2003, 4: 517–529. doi:10.1038/nrm1155.
- ^ 7.0 7.1 Goldberg, M. and De Pittà, M. and Volman, V. and Berry, H. and Ben-Jacob, E. Nonlinear gap junctions enable long-distance propagation of pulsating calcium waves in astrocyte networks. PLoS Comput. Biol. 2010, 6 (8): e1000909. doi:10.1371/journal.pcbi.1000909.
- ^ Falcke, M. Reading the patterns in living cells – The physics of Ca2+ signaling. Adv. Phys. 2004, 53 (3): 255–440. doi:10.1080/00018730410001703159.