Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу

Проаналізовано одну з можливих математичних моделей, що описує калієвий іонний канал з рухливою структурою в рамках розвиненого раніше синергетичного підходу. Показано можливість виникнення за рахунок іонно-конформаційної взаємодії мультистабільних режимів функціонування каналу. Підтверджено правиль...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Біополімери і клітина
Дата:	2001
Автори:	Вайнреб, Г.Є., Єсилевський, С.О.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 2001
Теми:	Структура та функції біополімерів
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/154332
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу / Г.Є. Вайнреб, С.О. Єсилевський // Біополімери і клітина. — 2001. — Т. 17, № 1. — С. 29-35. — Бібліогр.: 7 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860094775118528512
author	Вайнреб, Г.Є. Єсилевський, С.О.
author_facet	Вайнреб, Г.Є. Єсилевський, С.О.
citation_txt	Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу / Г.Є. Вайнреб, С.О. Єсилевський // Біополімери і клітина. — 2001. — Т. 17, № 1. — С. 29-35. — Бібліогр.: 7 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Біополімери і клітина
description	Проаналізовано одну з можливих математичних моделей, що описує калієвий іонний канал з рухливою структурою в рамках розвиненого раніше синергетичного підходу. Показано можливість виникнення за рахунок іонно-конформаційної взаємодії мультистабільних режимів функціонування каналу. Підтверджено правильність описання процесів активації-деактивації каналу на основі запропонованого підходу. Проаналізовано поведінку кінетичних параметрів каналу при змінах зовнішньої концентрації калію. Дано якісне пояснення природи виникнення концентраційних залежностей та досліджено питання щодо можливості появи немонотонностей у цих залежностях. Пояснено деякі особливості вольт-амперної характеристики каналу. Здійснено порівняння отриманих результатів з наявними експериментальними даними Проанализирована одна из возможных математических моделей, описывающая калиевый ионный канал с подвижной структурой в рамках развитого ранее синергетического подхода Показана возможность возникновения за счет ионно-конформационного взаимодействия мультистабильных режимов функционирования канала. Подтверждена правильность описания процессов активации–деактивации канала на основании использованного подхода. Проанализировано поведение кинетических параметров канала при изменении внешней концентрации калия. Дано качественное объяснение природы возникновения концентрационных зависимостей и исследован вопрос относительно возможности появления немонотонностей у этих зависимостей. Объяснены некоторые особенности вольт-амперной характеристики канала. Осуществлено сравнение полученных результатов с существующими экспериментальными данными. In this article one of the possible mathematical models of potassium ion channel with mobile structure is discussed. The basic conception of the model was developed earlier. This conception postulates the conformational changes in the channel molecule caused by the strong local electric field of the permeating ions inside the channel. Charged groups, moved by this field, slowly relax to the initial position after the ion passing and affect the energy profile for subsequent permeating ions. The system shows the self-organization, which leads to the appearance of the discrete open and closed conductivity states. This conception is applied to the potassium channel The model correctly describes the activation-deactivation processes. A special attention is paid to the concentration dependencies of the channel's kinetic constants and states occupancy probabilities, which are qualitatively explained. It is shown that Hodgkin-Huxley parameters α and β are [Kout]-dependent and the channel conductance in the closed state is much more sensitive to [Kout] than in the open one. The existence of the non-monotonous concentration dependencies, obtained in some experiments, is investigated. It is shown that the model proposed gives essentially monotonous dependencies. Some unusual features of volt-ampere characteristics are explained. The results obtained are compared with the experimental data earlier reported.
first_indexed	2025-12-07T17:25:41Z
format	Article
fulltext	ISSN 0233-7657. Біополімери і клітина. 2001. Т. 17. № 1 СТРУКТУРА І ФУНКЦІЇ БІОПОЛІМЕРІВ Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу Г. Є. Вайнреб, С. О. Єсилевський1 Інститут фізики НАН України Проспект науки, 46, Київ, 03028, Україна Національний університет «Києво-Могилянська академія» Вул. Григорія Сковороди, 2, Київ, 04070, Україна Проаналізовано одну з можливих математичних моделей, що описує калієвий іонний канал з рухливою структурою в рамках розвиненого раніше синергетичного підходу. Показано можливість виникнення за рахунок іонно-конформаційної взаємодії мультистабільних режимів функціонування каналу. Підтверджено правильність описання процесів активації—деактивації каналу на основі запропонованого підходу. Проаналізовано поведінку кінетичних параметрів каналу при змінах зовнішньої концентрації калію. Дано якісне пояснення природи виникнення концентраційних залежностей та досліджено питання щодо можливості появи немонотонностей у цих залежно стях. Пояснено деякі особливості вольт-амперної характеристики каналу. Здійснено порівняння отриманих результатів з наявними експериментальними даними. Вступ. Згідно з класичною теорією функціону вання потенціал-залежних іонних каналів, розви неною Ходжкіном та Хакслі [1 ] , білкова молекула іонного каналу, що утворює водну пору, здатну пропускати іони певного типу, може знаходитися в декількох функціональних станах — закритому та відкритому, які відрізняються за провідністю. Пе рехід між станами відбувається при змінах мемб ранного потенціалу, який діє на певну заряджену групу — сенсор потенціалу. Як вважається, рух сенсора змінює конфор мацію каналу і тим самим його провідність (так званий воротний процес). Експерименти свідчать про те, що в деяких типах каналів воротний механізм локалізований біля цитоплазматичного вустя каналу. Класична теорія постулює неза лежність провідності каналу від іонного струму через нього, що не підтверджується експеримен тально [2, 3 ] . Не пояснюються також залежності ймовірностей реалізації того чи іншого стану від © Г. € . ВАЙНРЕБ, С. О. ЄСИЛЕВСЬКИЙ, 2001 зовнішніх параметрів, природа самих станів та деякі інші факти. Пізніші експерименти (наприклад, [2, 3]) по казали наявність залежності між провідністю кана лу та іонним струмом через нього, причому припу скається, що самі дискретні стани виникають за рахунок іонно-конформаційної взаємодії. На основі деяких робіт [ 4 ] можна припустити, що при відсутності струму через канал зникає дискретна структура рівнів провідності та залишається лише один стан. Дана робота базується на синергетичному під ході, в якому канал розглядається як мульти- стабільна структура, що самоорганізується, і для якої кількість та ймовірність реалізації можливих стаціонарних станів залежить від потоку іонів че рез канал. Логіка побудови моделі збігається з наведеною в роботах [4—6 ]. Різні стаціонарні кон- формаційні стани каналу, що мають відповідно різну провідність, відповідають певним значенням деякої узагальненої конформаційної координати х, яку можна ототожнити з положенням воротної або якоїсь іншої сенсорної групи. Потенціальна енергія іона в каналі апроксимується простим модельним 29 ВАЙНРЕБ Г. € . , ЄСИЛЕВСЬКИЙ С. О. Рис. 1. Енергетичний про філь іона в модельному каналі з рухомими потен ціальними бар'єрами. По яснення в тексті потенціалом, причому форма потенціалу залежить від х. Через це ймовірність перебування іонів у певній точці всередині каналу також залежить від х. Група — сенсор потенціалу зміщується під дією зовнішнього поля та поля іонів, що проходять крізь канал, при цьому поле, створене іонами, на де кілька порядків сильніше зовнішнього [5, 6 ]. Після проходження іона структура каналу релаксує до вихідного стану з певною швидкістю, тому для проміжків часу, великих порівняно з характерним часом переносу одного іона, положення сенсорної групи відповідатиме середній імовірності перебу вання іона в каналі. Метою даної роботи було проаналізувати мож ливість застосування такої моделі для опису деяких незрозумілих особливостей поведінки реальних ка налів на прикладі калієвих каналів. Матеріали і методи. За наявними експеримен тальними даними, калієвий канал може містити одночасно три іони калію. Структурно жорсткий селективний фільтр містить два місця зв'язування і локалізований біля зовнішнього вустя каналу. Третє місце зв'язування знаходиться ближче до цитоплазматичного вустя. Не розглядаючи тонкої структури селективного фільтра, представимо профіль енергії іона в каналі у вигляді, наведеному на рис. 1, тобто як простий двох'ямний потенціал. Імовірності знаходження іонів у вустях каналу позначимо відповідно С, та С 2 , ці величини є в першому наближенні пропорційними концентра ціям іонів у відповідних розчинах. Імовірності знаходження іонів у місцях зв'язу вання (потенціальних ямах) позначимо Nx та N2. Ец — енергії відповідних точок потенціального про філю. Для спрощення скористаємося наближенням постійного поля та будемо вважати відстані АВУ ВС, CD, DE, EF, FG рівними між собою. Різницю потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторо нами мембрани вважатимемо додатною. Тоді на кожному з зазначених відрізків різниця потен ціалів становитиме <р = V/6, де V—різниця по тенціалів на мембрані. Аналогічно до [4—7 ] вира зимо N{ та N2 з рівнянь балансу за умов стаціонарного режиму роботи каналу: C2W32W2X+CXW0X(W23+W2X) , 1 W o + WX2)(W2, + W2X) - W2XWX2 ' _ CXW0XWX2 + C2W32(WX0+WX2) (1) 2 (WlQ + WX2)(W23 + W2X) - W2XWX2 ' де Wu = ^ r ^ + ^ ^ - O v — ймовірність «перескаку вання» іона з потенціальної ями і до потенціальної ями у. Час перебування іона поза потенціальними ямами нехтовно малий [5 ] , тому можна обмежити ся впливом на сенсор потенціалу лише тих іонів, що знаходяться в ямах. Рівняння для х можна взяти у вигляді рівняння звичайного осцилятора з тертям ^ + хх = -х - х0 + axNx(t) + - А « > - - ^ , ( 2 а > де Шх)—конформаційний потенціал (залежність енергії сенсорної групи від конформаційної коорди нати) . У стаціонарних умовах х + х0 = axNx(t) + a2N2(t), (2b) де w — частота деформаційних коливань; ах, а2 — значення максимальної деформації каналу, яке до сягається при нескінченно довгому знаходженні іонів у відповідному місці зв'язування, тобто коли зо МОДЕЛЬ КАЛІЄВИХ КАНАЛІВ У РАМКАХ СИНЕРГЕТИЧНОГО ПІДХОДУ Nx = 1 або N2 = 1. Вплив обох місць зв'язування на конформацію каналу, в принципі, неоднаковий (а{ * а2); -х0— деяке початкове фіксоване зна чення конформаційної координати при відсутності іонів у каналі. Без обмеження загальності можна умовно узго дити додатний знак х з напрямком руху позитивно зарядженого сенсора при деполяризації. При цьому сенсорна група рухатиметься від цитоплазматично го боку мембрани до зовнішнього. При збільшенні х змінюються висоти потенціальних бар'єрів (змі нюється взаємодія сенсора з іонами в каналі), в певному наближенні лінійно. Запишемо W.= = f r 4 + ty-w-i9 де j ^ - J ^ - . , кХ2 = к2Х=к2, # 2 3 = к32 = к3 — деякі к о е ф і ц і є н т и ; EJ — висота бар'єра при х = - х 0 . Оскільки воротні процеси вва жаються локалізованими біля цитоплазматичного вустя каналу, можна припустити, що \кх\ > \к2\; І кх І > І к3 І. Рівняння, яке задає положення стаціо нарних станів, має в загальному випадку вигляд де kti = kj + kf, ау b> с, р, q, г — певні комбінації параметрів моделі. Така модель є занадто складною для аналізу та інтерпретації, тому введемо деякі додаткові припущення. Враховуючи локалізацію воротних процесів, припустимо, що рухливістю другого та третього бар'єрів можна знехтувати в порівнянні з першим. Через це ж сенсор майже не «відчуває» впливу іонів із зовнішньої ями, тобто a2 as0y де wi} - -(Et - Eif - signij- і)ф), kox =£,o = k I ? kn = = k2l = к2Ъ = k32 = 0. Зрозуміло, що при цьому кх > 0. Підставимо умови (1) в (2), взявши всі висоти бар'єрів та кх в одиницях кТ та перевівши реальну різницю потенціалів V у модельну величину ф за формулою <р = V/бкТ. Імовірності С, та С2 вира жаємо через реальні іонні концентрації С" згідно з [5J: С, в С / ' Ю " 3 . Після цього спрощене рівняння, яке задає положення стаціонарних станів, запи сується в реальних фізичних величинах: Ьі ~"01 " "23 , " " О ! " "21 егах(Схе ьт є + Схе кт ) + V - " 0 1 - "23 " " I P - " 2 1 7 ЄкТ(е кТ + Є W еГ) + (4) = CtW0l -NXWX0. Підставивши сюди вираз для Nx з (1), отримуємо: (5) Підставивши в (5) стаціонарні значення х з (4) можна отримати значення струму для кожного з можливих стаціонарних станів. Воротний процес, за загальноприйнятими уяв леннями, — це просторове переміщення сенсорної групи, тобто зміна координати х під дією зов нішнього поля. Таким чином, вигляд залежності енергії сенсорної групи від її положення (функція U(x)) визначає кінетичні параметри каналу, ймо вірності реалізації станів та характеристики пере ходів між ними. Отже, основною задачею є дослід ження залежностей форми потенціального профілю Шх) від зовнішніх параметрів, таких як потенціал на мембрані та іонні концентрації. Потенціальний профіль аналітично визначається з рівнянь (2а), (2Ь) та (4), як Як буде показано нижче, Шх) при певних значеннях параметрів має вигляд двох'ямного по тенціалу, що відповідає бістабільному режимові функціонування каналу. Лівий потенціальний міні мум, який знаходиться в точці хх та має енергію U(xx) = І/,, відповідає закритому, правий (у точці х3) — відкритому стану реального каналу. Потен ціальний максимум, що розділяє стани, знаходить ся в точці х2 та має енергію U(x2) = U2> UX3; 2> хг — корені рівняння (4), хх < х 2 < х 3 . Особливий інтерес має аналіз залежностей екс периментально вимірюваних кінетичних характе ристик каналу від зовнішньої концентрації калію. Проаналізуємо залежність кінетичної константи Ходжкіна-Хакслі а [11 від [К + ] 0 , Введемо позначення: Jout — С 2 . 31 ВАЙНРВБ Г. € . , ЄСИЛЕВСЬКИЙ С О. (7) ( 8 ) Відомо, що а ~ е г , але, як буде показано в обговоренні, змінами висот потенціального мак симуму Uг та мінімуму відкритого стану при змінах [ K + ] o u t можна знехтувати в порівнянні зі змінами Ux, тому а ~ е кт . Концентраційну залежність Ux знайдемо наступним чином. Підставимо до (6) наближене значення хх = хп + а , , та для ями 1 0 с + а закритого стану отримаємо залежність вигляду Ux = = Ux(b), b ~ C o u t . Розкладаючи Ux e Ux(b) у ряд до лінійного члена, отримуємо квадратичну функцію, з якої можна однозначно визначити положення максимуму нелінійної концентраційної залежності jcm a x у вигляді функції від параметрів моделі: т а х <р) ССХ, к х , Х 0 , WQX, WXQ, WX2, ^21 > ^23> W 3 2 ) . Конкретна формула занадто складна і неінфор- мативна для наведення. Таким чином, кінетична константа а нелінійно залежить від зовнішньої концентрації калію. Аналогічно можна проаналі зувати поведінку інших кінетичних параментів. Результати та обговорення. Результати, що підтверджуються висновками класичної теорії та експериментами. Аналітичне дослідження загаль ної функції (3) показує, що при величині in out струму менше певного порогу існує лише один стаціонарний стан (закритий). При переході цього порога відбувається перехід моностабіль- ність—мультистабільність і з'являється другий ста ціонарний стан з набагато більшою провідністю (відкритий стан). Імовірність відкритого стану зро стає при деполяризації, що відповідає активації каналу. На відміну від одномісних та симетричних двомісних моделей [4—7] у даній моделі спо стерігаються також тристабільні режими з двома закритими станами. У спрощеній моделі, яка описується рівнянням Рис. 2. Залежність струму через канал від значення конфор- маційної координати. На цьому рис. і на рис. 3—7 параметри моделі є такими: Г - 300 K, и>0і -Що " 25,5 кТ> wX2- w2X - 24,5 кТ, w23-w32- 20 кТУ С 2 - 0 мМ, С, - 140 мМ, ах « 36, V - - 1 5 1 0 3 В, [ K + ] o u t - 5 мМ (4), можуть існувати лише моно- та бістабільні режими, що спрощує аналіз. Можна показати, що при деполяризації система переходить з моно- до бістабільного стану, причому положення закритого стану залишається практично незмінним, у той час як значення х, що відповідає відкритому станові, значно збільшується. Цей факт свідчить про зро стання різниці провідностей станів. Криву залеж ності струму через канал від конформаційної коор динати, побудовану за рівнянням (5), наведено на р и с 2. Видно, що із збільшенням конформаційної координати струм у стаціонарному стані монотонно зростає. При наведених значеннях параметрів струм досягає насичення приблизно при 4-Ю" 1 2 А, що за порядком величини відповідає експерименту. Струми для двох можливих станів значно від різняються, тобто припустимо інтерпретувати їх як закритий та відкритий стани. Графік, представлений на рис 3, демонструє вигляд конформаційних потенціалів каналу для різних значень мембранного потенціалу в біста- більному режимі. Як видно, глибина правої ями (ями відкритого стану) збільшується, а ями закри того стану — зменшується, тобто ймовірність ре алізації відкритого стану зростає при деполяри зації, як і повинно бути при активації каналу. На рис 4 показано залежність вигляду по тенціального профілю від зовнішньої концентрації калію. Закритий стан набагато чутливіший до змін 32 МОДЕЛЬ КАЛІЄВИХ КАНАЛІВ У РАМКАХ СИНЕРГЕТИЧНОГО ПІДХОДУ -і,оо- Рис. 3. Конформаційні потенціали для різних значень різниці потенціалів на мембрані: - 2 мВ (У), -7,5 мВ (2), -15 мВ ( і ) . [К ] o u t — 5 мМ. Криві вирівняно по висоті потенціального бар'єра U(x) Рис. 4. Конформаційні потенціали при зовнішніх концентраціях калію: 0 мМ (У), 3 мМ (2), 5 мМ ( і ) . К - - 1 5 мВ. Криві вирівняно по висоті потенціального бар'єра зовнішньої концентрації, тоді як відкритий стан практично не відчуває цих змін. Останнє випливає також з чисто якісних міркувань. У закритому стані струм у напрямі in - out практично відсутній, воротний механізм, локалізований біля цитоплаз матичного вустя каналу, «закритий» і перешкоджає проходженню цитоплазматичних іонів у канал, тому заселеність каналу контролюється практично виключно «накачкою» іонів ззовні, звідки й похо дить чутливість до змін [К + ] o u t . У відкритому стані через велику концентрацію [К + ] і а канал інтенсивно «накачується» іонами з цитоплазми, і вплив змін [ K + ] o u t практично є невідчутним. При підвищенні [ K + ] o u t заселеність зростає і канал активується, глибина ями відкритого стану відповідно до вище- викладеного трохи збільшується, закритого ста ну — істотно зменшується, що й видно з цього рисунка. Залежності ймовірностей знаходження модель ної системи у відкритому стані від різниці по тенціалів на мембрані V для різних [ K + ] o u t наведено на рис. 5. При збільшенні [ K + ] o u t , як було розгля нуто вище, зростає ймовірність знаходження кана лу у відкритому стані, що чітко видно з рис 5. Цей висновок також узгоджується з результатами, на веденими в роботі [6 ]. Залежності параметрів Ходжкіна-Хакслі а та /? від мембранного потенціалу для різних концент рацій [ К + ] о и 1 демонструють графіки, наведені на рис. 6. Криві побудовано на основі чисельного знаходження означених вище величин U{, U2 та U3. Вигляд кривих якісно збігається з експерименталь ними даними та класичною теорією. Висновок що до малої рухливості ями відкритого стану та по тенціального максимуму при змінах [ K + ] o u t під тверджується малими змінами кривої (i(V) у відно- шенні до змін a(V), бо /3 ~ е ьт , де t / 2 — положення потенціального максимуму, U3 — поло ження мінімуму відкритого стану. Вольт-амперну характеристику модельного ка налу показано на р и с 7. Як видно, при підвищенні [ К + ] о и ( та сталій різниці потенціалів сила струму через канал парадоксально зростає. Це викликано збільшенням імовірності знаходження каналу у відкритому стані, яке «переважає» зменшення електрохімічного потенціалу для калію. Такі ефек ти експериментально спостерігалися в деяких ти пах каналів. Таким чином, ключове припущення стосовно того, що форма потенціального профілю залежить від заселеності каналу іонами, покладене в основу моделі, дозволяє пояснити багато властивостей ре альних калієвих каналів. Результати, які не узгоджуються з деякими експериментами. Наскільки відомо авторам, лише один експеримент [7 ] виявив явно нелінійну за лежність констант Ходжкіна-Хакслі, зокрема кон станти а, від зовнішньої концентрації калію, тоді як в інших роботах (наприклад [2, 3]) виявлено монотонні спадаючі або зростаючі залежності. Як уже згадувалося в описі моделі, залежність а(С2) має максимум, який визначається формулою (7), 33 ВАЙНРЕБ Г. € . , ЄСИЛЕВСЬКИЙ С. О. P(V) 0,4 4 — — і — • — і • і — • — і — ' — і — • — і — • — і ' і 0,005 0,015 0,025 0,035 V Рис. 5. Залежності ймовірності перебування модельної системи у закритому стані від різниці потенціалів на мембрані для [ К + ] о и ( : 5 ( / ) , 10 (2), 15 (І) мМ Рис. 6. Залежності кінетичних коефіцієнтів Ходжкіна-Хакслі а (У, 2, 3) та р (У, 2', 3') від мембранного потенціалу для різних значень [ K + ] o u t : 2,5 (У, У), 5 (2, 2'), 10 (З, 3') мМ ІА-1012 але комп'ютерний аналіз функції (7) для кожної із змінних показує, що вона ніколи не досягає пози тивних значень для області параметрів. Це від повідає бістабільному режиму функціонування ка налу. Максимум лежить в нефізіологічній області від'ємних концентрацій, тобто для даної моделі залежність а (С 2 ) є монотонно спадаючою при будь- яких припустимих параметрах. Слід зазначити, що такі варіанти залежностей теж виявлялися експе риментально. Висновки. Підсумовуючи всі отримані дані, можна стверджувати, що обрана модель повністю описує і логічно пояснює процеси активації—деак- тивації відповідно до класичних уявлень [1 ]. Добре описуються ефекти залежності кінетичних пара метрів каналу від зовнішньої іонної концентрації. Все це дає змогу говорити про якісно правильне описання іонного транспорту через калієвий канал на основі розвинених у роботах [4—7 ] синергетич них уявлень. Щодо згаданих нелінійних концентраційних залежностей, то тут ситуація не визначена. Вичер пно пояснити експериментальні результати на ос нові запропонованої в цій роботі простої моделі не вдалося. Логічно припустити, що вказані ефекти виникають за рахунок дії не врахованих при моде люванні ефектів конкуренції іонів за місця зв'язу вання та рухливості потенціальних ям енергетич ного профілю. У такому випадку наведена модель описує лише одну з монотонних частин залежності. Можливо також, що не всі типи каналів принципо во мають нелінійні концентраційні залежності вка заних параметрів. У цьому разі взагалі важко запропонувати якийсь універсальний для всіх ка налів варіант описання. Перевірити ці спекуля тивні гіпотези можна лише за результатами експе риментів. У наведеній моделі якісно правильно описуються особливості вольт-амперних характери стик деяких типів каналів, що наводить на думку про застосовність моделі для описання саме цих типів каналів. 34 МОДЕЛЬ КАЛІЄВИХ КАНАЛІВ У РАМКАХ СИНЕРГЕТИЧНОГО ПІДХОДУ G. Ye. Weinreb, S. О. Yesilevsky Model of K+ ion channel with ion-conformational interaction: sinergetical approach Summary In this article one of the possible mathematical models of potassium ion channel with mobile structure is discussed. The basic conception of the model was developed earlier. This conception postulates the conformational changes in the channel molecule caused by the strong local electric field of the permeating ions inside the channel. Charged groups, moved by this field, slowly relax to the initial position after the ion passing and affect the energy profile for subsequent permeating ions. The system shows the self-organization, which leads to the appearance of the discrete open and closed conductivity states. This conception is applied to the potassium channel The model correctly describes the activation-deactivation processes. A special attention is paid to the concentration depend encies of the channets kinetic constants and states occupancy probabilities, which are qualitatively explained. It is shown that Hodgkin-Huxley parameters a and p are [K^^]-dependent and the channel conductance in the closed state is much more sensitive to [KQUJ than in the open one. The existence of the non-monotonous concentration dependencies, obtained in some experiments, is investigated. It is shown that the model proposed gives essentially monotonous dependencies. Some unusual features of volt-ampere characteristics are explained. The results obtained are compared with the experimental data earlier reported. Г. E. Вайнреб, С. О. Есилевский Моделирование калиевых ионных каналов с учетом ионно-конформационного взаимодействия в рамках синергетического подхода Резюме Проанализирована одна из возможных математических моде лей, описывающая калиевый ионный канал с подвижной струк турой в рамках развитого ранее синергетического подхода Показана возможность возникновения за счет ионно-конфор мационного взаимодействия мультистабильных режимов фун кционирования канала. Подтверждена правильность описания процессов активации—деактивации канала на основании ис пользованного подхода. Проанализировано поведение кинетиче ских параметров канала при изменении внешней концентрации калия. Дано качественное объяснение природы возникновения концентрационных зависимостей и исследован вопрос относи тельно возможности появления немонотонностей у этих зависимостей. Объяснены некоторые особенности вольт-ам перной характеристики канала. Осуществлено сравнение полу ченных результатов с существующими экспериментальными данными. ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ 1. Hodgkin A. L., Huxley A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve / / J. Physiol. (Lond.).—1952.—117.— P. 500—504. 2. Зильберт Ю. И., Бур наше в Н. А , Папин А. А., Ходоров Б. И. Взаимодействие ионов калия с воротными структурами АТР-чувствительных калиевых каналов миокардиальных клеток / / Биол. мембраны.—1987.—4, № 7.—С. 738—746. 3. Цееб В. Э., Гелетюк В. И., Козаченко В. И., Ильясов Ф. Э. Связь активности быстрого К+-канала с величиной тока через него / / Биол. мембраны.—1992.—9, № 5.—С. 518— 527. 4. Вайнреб Г. Е., Харкянен В. Н. О новом явлении, инду цированном ион-конформационным взаимодействием в ка налах биомембран / / Биофизика.—1995.—40, № 1.— С. 86—94. 5. Гайдидей Ю. Б., Харкянен В. И., Чинаров В. А. Синер- гетическая модель функционирования потенциалзависи- мых ионных каналов в биомембранах / / Препринт ИТФ- 88-123Р, Институт теор. физики АН УССР.—Киев, 1988.—40 с. 6. Veinreb G. Y., Kharkyanen V. N. Self-organization and modell ing of gate processes in single ion channel of the excitable membranes / / Preprint ITP-91-35E.—Kiev, 1991.—28 p. 7. Grishchenko О. V., Kharkyanen V. N., Konovalenko N. I., Veinreb G. E. Ion regulation of the kinetics of potential-de pendent potassium channels / / Biol. Phys.—1997.—23.— P. 195—208. УДК 577.343.2 Надійшла до редакції 10.09.99 35
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-154332
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0233-7657
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T17:25:41Z
publishDate	2001
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
record_format	dspace
spelling	Вайнреб, Г.Є. Єсилевський, С.О. 2019-06-15T14:01:15Z 2019-06-15T14:01:15Z 2001 Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу / Г.Є. Вайнреб, С.О. Єсилевський // Біополімери і клітина. — 2001. — Т. 17, № 1. — С. 29-35. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.00059B https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/154332 577.343.2 Проаналізовано одну з можливих математичних моделей, що описує калієвий іонний канал з рухливою структурою в рамках розвиненого раніше синергетичного підходу. Показано можливість виникнення за рахунок іонно-конформаційної взаємодії мультистабільних режимів функціонування каналу. Підтверджено правильність описання процесів активації-деактивації каналу на основі запропонованого підходу. Проаналізовано поведінку кінетичних параметрів каналу при змінах зовнішньої концентрації калію. Дано якісне пояснення природи виникнення концентраційних залежностей та досліджено питання щодо можливості появи немонотонностей у цих залежностях. Пояснено деякі особливості вольт-амперної характеристики каналу. Здійснено порівняння отриманих результатів з наявними експериментальними даними Проанализирована одна из возможных математических моделей, описывающая калиевый ионный канал с подвижной структурой в рамках развитого ранее синергетического подхода Показана возможность возникновения за счет ионно-конформационного взаимодействия мультистабильных режимов функционирования канала. Подтверждена правильность описания процессов активации–деактивации канала на основании использованного подхода. Проанализировано поведение кинетических параметров канала при изменении внешней концентрации калия. Дано качественное объяснение природы возникновения концентрационных зависимостей и исследован вопрос относительно возможности появления немонотонностей у этих зависимостей. Объяснены некоторые особенности вольт-амперной характеристики канала. Осуществлено сравнение полученных результатов с существующими экспериментальными данными. In this article one of the possible mathematical models of potassium ion channel with mobile structure is discussed. The basic conception of the model was developed earlier. This conception postulates the conformational changes in the channel molecule caused by the strong local electric field of the permeating ions inside the channel. Charged groups, moved by this field, slowly relax to the initial position after the ion passing and affect the energy profile for subsequent permeating ions. The system shows the self-organization, which leads to the appearance of the discrete open and closed conductivity states. This conception is applied to the potassium channel The model correctly describes the activation-deactivation processes. A special attention is paid to the concentration dependencies of the channel's kinetic constants and states occupancy probabilities, which are qualitatively explained. It is shown that Hodgkin-Huxley parameters α and β are [Kout]-dependent and the channel conductance in the closed state is much more sensitive to [Kout] than in the open one. The existence of the non-monotonous concentration dependencies, obtained in some experiments, is investigated. It is shown that the model proposed gives essentially monotonous dependencies. Some unusual features of volt-ampere characteristics are explained. The results obtained are compared with the experimental data earlier reported. uk Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Біополімери і клітина Структура та функції біополімерів Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу Моделирование калиевых ионных каналов с учетом ионно-конформационного взаимодействия в рамках синергетического подхода Model of K⁺ ion channel with ion-conformational interaction: sinergetical approach Article published earlier
spellingShingle	Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу Вайнреб, Г.Є. Єсилевський, С.О. Структура та функції біополімерів
title	Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу
title_alt	Моделирование калиевых ионных каналов с учетом ионно-конформационного взаимодействия в рамках синергетического подхода Model of K⁺ ion channel with ion-conformational interaction: sinergetical approach
title_full	Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу
title_fullStr	Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу
title_full_unstemmed	Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу
title_short	Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу
title_sort	моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу
topic	Структура та функції біополімерів
topic_facet	Структура та функції біополімерів
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/154332
work_keys_str_mv	AT vainrebgê modelûvannâkalíêvihíonnihkanalívzurahuvannâmíonnokonformacíinoívzaêmodíívramkahsinergetičnogopídhodu AT êsilevsʹkiiso modelûvannâkalíêvihíonnihkanalívzurahuvannâmíonnokonformacíinoívzaêmodíívramkahsinergetičnogopídhodu AT vainrebgê modelirovaniekalievyhionnyhkanalovsučetomionnokonformacionnogovzaimodeistviâvramkahsinergetičeskogopodhoda AT êsilevsʹkiiso modelirovaniekalievyhionnyhkanalovsučetomionnokonformacionnogovzaimodeistviâvramkahsinergetičeskogopodhoda AT vainrebgê modelofkionchannelwithionconformationalinteractionsinergeticalapproach AT êsilevsʹkiiso modelofkionchannelwithionconformationalinteractionsinergeticalapproach

Моделювання калієвих іонних каналів з урахуванням іонно-конформаційної взаємодії в рамках синергетичного підходу

Репозитарії

Схожі ресурси