Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран
Розвинуто теоретичний підхід, шр дозволяє моделювати процеси потенціал- і концентраційної залежностей параметрів іонного каналу. Можливі два варіанти: дискретний і неперервний підходи. Перший простіший у застосуванні, описує ряд експериментально відомих ефектів і дозволяє у наглядній формі дати фізи...
Saved in:
| Published in: | Биополимеры и клетка |
|---|---|
| Date: | 1997 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
1997
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155113 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран / Г.А. Абгарян, Г.Є. Вайнреб, В.М. Харкянен // Биополимеры и клетка. — 1997. — Т. 13, № 2. — С. 135-141. — Бібліогр.: 27 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860224918262644736 |
|---|---|
| author | Абгарян, Г.А. Вайнреб, Г.Є. Харкянен, В.М. |
| author_facet | Абгарян, Г.А. Вайнреб, Г.Є. Харкянен, В.М. |
| citation_txt | Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран / Г.А. Абгарян, Г.Є. Вайнреб, В.М. Харкянен // Биополимеры и клетка. — 1997. — Т. 13, № 2. — С. 135-141. — Бібліогр.: 27 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Биополимеры и клетка |
| description | Розвинуто теоретичний підхід, шр дозволяє моделювати процеси потенціал- і концентраційної залежностей параметрів іонного каналу. Можливі два варіанти: дискретний і неперервний підходи. Перший простіший у застосуванні, описує ряд експериментально відомих ефектів і дозволяє у наглядній формі дати фізичне обгрунтування потенціалчутливості іонного каналу, не удаючись до поняття сенсора напруги – особливої структури, шр безпосередньо «відчуває» прикладену до мембрани напругу. Неперервний підхід є більш загальним і описує всі ефекти, шр описуються дискретним, але він складніший при моделюванні. Його застосування є необхідним при описанні ефектів, зумовлених деформацією самих конформаційних станів каналу аж до таких кардинальних явищ, як зміна їх кількості.
Развит теоретический подход, позволяющий моделировать процессы потенциал- и концентрационной зависимости параметров ионного канала. Возможны два варианта: дискретный и непрерывный подходы. Первый более простой в применении, описывает ряд экспериментально известных эффектов и дает возможность в наглядной форме физически обосновать потенциалчувствительность ионного канала, не прибегая к понятию сенсора напряжения – особенной структуры, непосредственно «чувствующей» приложенное к мембране напряжение. Непрерывный подход – более общий и описывает все эффекты, описываемые дискретным, однако он сложнее при моделировании. Его применение необходимо при описании еффектов, обусловленных деформацией самих конформационных состояний канала вплоть до таких кардинальных явлений, как изменение их количества.
We develop a theoretical approach that allows to model processes of both potential and concentrational dependencies of ion channel parameters. Two variants are possible: discrete and continuous approaches. The first one is simplier in applications and desribes a set of experimental effects and allows to give in a natural form physical grounds for potential sensitivity of ion channel. In this case we don't need a term of voltage sensor, a special structure which directly «feels» the membrane voltage. The continuous approach is more general and describes all effects described by discrete approach but it is more complicated for using. This approach we have to use for description of effects that are caused by deformations of the conformational states including so drastic phenomena such as a changing of the number of channel conductivity states.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:19:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
I S S N 0233-7657. Биополимеры и клетка. 1997. Т. 13. № 2
Саморегуляція в іонних каналах
біологічних мембран
Г. А. Абгарян1, Г. Є. Вайнреб, В. М. Харкянен
Відділення фізики біологічних систем Інституту фізики HAH України
252650, Київ, пр. Науки, 46
^Єреванський державний університет, Вірменія
Розвинуто теоретичний підхід, шр дозволяє моделювати процеси потенціал- і концентраційної
залежностей параметрів іонного каналу. Можливі два варіанти: дискретний і неперервний підходи.
Перший простіший у застосуванні, описує ряд експериментально відомих ефектів і дозволяє у
наглядній формі дати фізичне обгрунтування потенціалчутливості іонного каналу, не удаючись до
поняття сенсора напруги — особливої структури, шр безпосередньо «відчуває» прикладену до
мембрани напругу. Неперервний підхід є більш загальним і описує всі ефекти, шр описуються
дискретним, але він складніший при моделюванні. Його застосування є необхідним при описанні
ефектів, зумовлених деформацією самих конформаційних станів каналу аж до таких кардинальних
явищ, як зміна їх кількості.
Вступ. Іонний канал — це білкова макромолекула,
що пронизує мембрану та формує там водну пору
[ 1 , 2 ] . Відомо, що молекула-каналоутворювач
включає до 4000 амінокислотних залишків, і пора
формується чотирма гомологічними субодиницями.
Кожна з них складається з п 'яти (іноді — семи)
гідрофобних елементів і одного позитивного заряд
женого сегмента (S4), який слугує сенсором напру
ги. Цей сенсор «відчуває» зовнішні електричні поля
і визначає кінетику каналу (ймовірність відкритого
(закритого) стану, час життя тощо) як функцію
мембранного потенціалу. Було показано, що такі
властивості, як іонна селективність, проникність,
провідність визначаються взаємодією між обмеже
ною кількістю заряджених амінокислотних залиш
ків і іонів, що проходять крізь канал [1—6] .
Важливий приклад прояву такої взаємодії — зсув
залежності кінетичних параметрів відкритого стану
від напруги під дією різних факторів, а саме: зміна
типу проникаючих іонів [7 ] ; зміна іонних концен
трацій в калієвих [8] та кальцієвих [1] каналах;
зміна ефективного заряду воріт [9 ].
Існує ще ряд експериментів, які свідчать про
наявність взаємодії іонів з каналом (див., наприк-
© Г А А Б Г А Р Я Н . Г € В А Й Н Р Е Б , В М Х А Р К Я Н Е Н , 1997
лад, [10—15]) . Якби електричне поле (мембранний
потенціал) діяло безпосередньо на сенсор напруги,
то неможливо було б пояснити ці експерименти.
Ми мусимо взяти до уваги дію іонів, що проходять
крізь канал, на цей сенсор. Дійсно, інтенсивність
зовнішніх полів у каналі становить 10 5 В /см, у той
час як поля в безпосередній околиці іона сягають
10 9 В/см. У даній роботі ставиться за мету розви
нути теоретичний підхід, який дав би практичні
засоби для моделювання вказаних ефектів. Для
рішення поставленої задачі розглянемо функціо
нування іонного каналу детальніше. Існують деякі
заряджені групи в каналі , що рухаються під дією
термічних флуктуацій і можуть закривати шлях
для іонів або залишати його вільним. З іншого
боку, пересування іона можна уявити аналогічним
чином, оскільки він теж рухається під дією тер
мічних флуктуацій. Цей рух можна описувати у
рамках як неперервної (рівняння дифузі ї ) , так і
дискретної моделей. Будемо розглядати такий іон
ний канал, де рух іонів лімітується двома бар 'є
рами, тоді як самі іони локалізуються у середині
каналу в одному місці — так звана модель з одним
місцем зв 'язування (див. рис. 1).
Неперервна модель. Як уже згадувалося, з
фізичної точки зору має місце тісна аналогія між
135
А Б Г А Р Я Н Г А ТА IH.
E(r)-HhH(r)+Hm(x,r), N0~Cin,N2~ Col
Рис. 1. Енергетичний профіль Е(г) іона в каналі у випадку
одного місця зв'язування
рухом іонів і рухом заряджених структурних груп
каналу (воріт) — обидва носять броунівський ха
рактер. Причому ці рухи можна розглядати як
передемпровані, з чого випливає, що обидві змінні
(& — конформаційна і г — іонна) можуть буті опи
сані рівняннями Ланжевена [16] :
Я U , г) =Нкан(х) +Ніон(г) + Нвз(х, г ) , (2)
де Нкаи(х) — енергія структурних груп каналу, що
в и з н а ч а є т ь с я к о н ф о р м а ц і є ю к а н а л у без іона;
Ніон(г) — енергія іона в каналі без урахування
взаємодії з конформаційними ступенями свободи;
Нвз{ху г) — енергія взаємодії іона з конформацій
ними ступенями свободи.
Однак канал є відкритою системою і кількість
іонів там може змінюватися від нуля до числа, що
дорівнює кількості місць зв 'язування іонів у ка
налі. Таким чином, при описанні необхідно врахо
вувати, що кількість рівнянь для іонної змінної г в
(1) може варіювати. Зручнішим у цьому випадку є
описання мовою функцій розподілу (ФР) . Розгля
немо канал, іонний профіль Е(г, х) = Я і о н ( г ) + Я в з ( г ,
х) якого зображено на рис. 1. Місця зв 'язування 0
і 2 — зовнішні і їх заселеності N0 І N2 визначаються
концентраціями іонів-носіїв в оточуючих мембрану
розчинах Couf і Сіп відповідно. У середині каналу
(місце зв 'язування 1) може знаходитися не більше
одного іона — він там є або канал порожній. Отже,
виходячи з цієї (іонної) змінної функція розподілу
являє собою дискретний набір відповідних функцій.
Конформаційна ж змінна надалі визначає рухи
дифузійного типу (1а). У такому випадку замість
системи стохастичних диференційних рівнянь типу
(1) можна записати систему рівнянь Чепмена —
Колмогорова для Ф Р [16] :
дР0(х, t)
dt
1 д
тх д х
дН0(х)
дх •Рп + кТ- дх
+ 7Vo 1 0 - /Vw 0 I ;
дРх{х, 0
ді
_LJL
хх дх
дНЛх) , дР.
з
JP, + кТ—1
дх 1 дх
+ Л ) ^0 І - Л ^ І О ' (3)
де індекси 0 відносяться до порожнього каналу, у
той час як індекси 1 — до заповненого іоном. Вели
чини визначають швидкості переходів каналу з
порожнього в заповнений стан і навпаки. При
цьому Ф Р (без урахування конформаційних змін
них ці функції називають функц іями стану [17])
Р^х) нормуються відомим чином:
(4)
З урахуванням того, що рух іонів у каналі
носить термоактиваційний характер , та використо
вуючи відповідну теорію абсолютних швидкостей
реакції Ейрінга [18] , неважно знайти зв 'язок між
константами швидкостей со- та константами швид
костей переходів іонів у каналі
со, ' 1 0 ~~ W"l2* (5)
Величини WV}, у свою чергу, визначаються
виразом:
WV} = Q. ехр кт z e кТ
(5а)
де Q ; — характерна частота коливань іона в ямі і;
к — стала Больцмана; Т — абсолютна температура;
е — елементарний заряд; z — валентність іона; ф,
(фи) — електричний потенціал, індукований при
кладеною до мембрани напругою.
Ключовим моментом у викладеному підході є
той факт , що наша система характеризується що
найменше двома масштабами часу: іонним та кон-
формаційним. Перший визначає характерний час
знаходження іона у каналі , тобто —10 7 с, тоді як
конформаційний масштаб — у м е ж а х воротних
процесів — — 10 3 с. Таким чином, ці масштаби
різняться і можуть бути розділені. Безумовно, ми
обмежилися тільки повільними воротними процеса-
136
С А М О Р Е Г У Л Я Ц І Я В І О Н Н И Х К А Н А Л А Х Б І О Л О Г І Ч Н И Х М Е М Б Р А Н
ми, але саме вони для нас найцікавіші. Грунтую
чись на вищенаведеному, розділемо повільні та
швидкі змінні, розглядаючи поведінку системи за
часів, характерних для повільної змінної, і біль
ших.
Тут можна використати принцип підпоряд
кування Хакена [19] . Для цього необхідно розбити
Ф Р Р-(х, і) на дві частини: на абсолютну функцію
розподілу для конформаційної змінної р (х, t):
р(х, і) = Р0(х, І) + P , ( J C , і) (6)
та стаціонарну ймовірність знайти іонний канал з
іоном (N(x)) або без нього (1—N(x)) при умові, що
конформаційна змінна фіксована на значенні х.
Отже, Ф Р Pt{x, 0 можна записати у вигляді:
Рх(х, t) =р(х, t)N(x);
P0(x,t)=p(x, t)[l -N(x)]. (7)
Вилучення швидкої змінної означає, по-перше,
що ми беремо стаціонарне значення функції N, і,
по-друге, що в системі (3) іонні переходи встига
ють релаксувати до стаціонарного стану за часи,
що вивчаються. Ц е дає
/ > 0 1 . (8)
Використовуючи це співвідношення та систему
(5), отримуємо
N(x) =
NQW0l + N2W2l
W]0 + W]2 + Wo^o, + N2W2]
(9)
Підставимо цей вираз у систему (3), просу-
муємо її рівняння, задіємо ієрархію часів через
вираз (8) і отримаємо еволюційне рівняння для Ф Р
конформаційної змінної х:
др(х, t) = \__д_
dt Тх дх
де
дх
( ї ї )
(12)
Отже, у системі з ієрархією часів, коли іонні
змінні є швидкими, систему (1) можна замінити
одним стохастичним диференційним рівнянням для
повільної конформаційної змінної х (див. (10) і
зв 'язок між стохастичним диференційним рівнян
ням та Фоккера — Планка у [16]) :
x k = _ дН^х) _ дН^х)_м(х) + ( 1 3 )
дх дх
Потенціал Нкан(х) є предметом вивчення моле
кулярної структури іонних каналів , а потенціал
Нвз(х) залежить від того, де в каналі знаходиться
іон, з якою групою і як він взаємодіє. У рамках
нашого підходу ми розглядатимемо ситуацію, коли
із структурою взаємодіє іон, що знаходиться в місці
зв 'язування 1. Зміна структури відображається у
зміні іонного профілю Е(г) локально, тобто внаслі
док іон-конформаційної взаємодії змінюються енер
гії потенціальних бар'єрів Е0] (Е]2) або ями Ev
Наприклад,
Е]2 = Е?]2 + HJx)y £?2 = const. (14)
Через цю локальність у виразі для Я , (х) в (11)
енергія взаємодії Нвз(х) не є функцією координати
вздовж іонного каналу г.
Із рівняння (10) виходить, що кінетика іонного
каналу визначається ефективним конформаційним
потенціалом U(x) (рис. 2) . Справді, стаціонарна
функція розподілу для конформаційної змінної х
має таку форму:
pst(x) = Сехр кт
(15)
(10) де С — коефіцієнт нормування. Форма потенціалу
Рис. 2. Ефективний конформаційний потенціал U(x), що пов
ністю визначає кінетику воротних процесів
137
А Б Г А Р Я Н Г А ТА IH.
Щх), його потенціалчутливість можуть бути оха
рактеризовані через константи швидкостей а і /З
експериментально, як це зроблено Ходжкіним та
Хакслі [20 ]. Ці константи в термінах потенціалу
U(x) знаходяться із виразів [16] :
а = а 0 е х р
и(хъ) - U(x2)
P = /? 0ехр
kT
U(x{)-U{x2)
kT
(16)
Стани х, х3 можуть визначати відкритий та
закритий стани іонного каналу. У такому випадку
йдеться про описання воротних процесів (активації
та інактивації) , а ймовірність відкритого стану n(t)
можна знайти інтегруванням функції розподілу п
n(t) = j р(дс, t)dx. (17)
Для цієї ймовірності має місце добре відоме
балансне рівняння
^ = а (1 -п)-0п. (18)
Таким чином, за допомогою інтегрування (17)
неважко перейти від неперервної моделі (10) до
дискретної (18), з якою вже звикли працювати
електрофізіологи.
Однак неперервна модель має ряд переваг, які
стають значними, коли в процесі зміни керуючих
параметрів (іонних концентрацій С,„ і Cout та на
пруги на мембрані ф) змінюються положення де, і
хъ або навіть кількість конформацій іонного каналу.
Так, раніше було показано [21—24] , що внаслідок
іон-конформаційної взаємодії в іонному каналі мо
жуть в ідбуватися переходи типу моностабіль-
ність — бістабільність або й складніші переходи
[23 ]. Іншим прикладом необхідності застосування
Мої
Рис. 3. Кінетична схема, за якою описується функціонування
каналу з урахуванням іон-конформаційної взаємодії у диск
ретній моделі
неперервної моделі є немонотонні концентраційні
залежності кінетики калієвих каналів , що спосте
рігалися в експерименті на клітинах G H 3 головного
мозку щурів [25] . Неперервна модель може бути
корисна також для пояснення нетривіальних вольт-
амперних характеристик [13] .
При цьому згадана модель не завжди зручна
для використання експериментаторами і доцільно
перейти від неї до дискретної моделі у разі, коли
вимога до неперервності конформаційної змінної не
є принциповою, як це було викладено вище. Льой-
гер був одним із перших, хто врахував взаємодію
між структурою та іонами, що проходять крізь
канал. Ми використаємо і розвинемо ці ідеї у
контексті нашого підходу.
Дискретна модель. У рамках дискретної моделі
канал може знаходитися у двох станах — закрито
му і відкритому, швидкості переходу між якими
позначимо, як це прийнято, починаючи з Ходжкіна
і Хакслі [20] , через а і /? (див. рис. 2) . Розглядати
відповідні рухи (іонів та воріт) у рамках дискретної
моделі зручно за допомогою кінетичної схеми (рис.
3) . Замість функцій PL{xy t) будемо використовува
ти набір функцій (Р(ІС, 0 , оскільки конформа-
ційній змінній притаманні л и ш е два значення:
К = В — відкритий стан, К = 3 — закритий стан.
Кінетична схема описується системою балансових
рівнянь:
dP(B\ t)/dt = Р(В\ 0/"ю + 0«о ~
-Р{В\ і)ф0+^0{);
dP{B\ t)/dt = Р(В°, ф01 + Р(3\ t)a, -
-P(B'[t){j3x +/*I0);
tydt = p(b\ OA) + Л З 0 , 0*10 -
- я ( з ° , oO'oi + « o ) ;
dP{3\ t)/dt = P{B\ 001 + O^oi -
-P(3\ 0(*io + (19)
При цьому має місце нормування:
Р(В\ 0 + Р(В\ 0 + ^(3°, 0 + Р(3\ 0 = 1 * ( 2 0 )
а константи швидкостей /и і к пов 'язані з констан
тами Wtj (порівняйте з (5)) співвідношеннями:
= W?o + И^2. (21)
138
С А М О Р Е Г У Л Я Ц І Я В І О Н Н И Х К А Н А Л А Х Б І О Л О Г І Ч Н И Х М Е М Б Р А Н
Введемо ймовірність відкритого стану каналу
n(t). Вона визначає ймовірність знаходження кана
лу у відкритому стані незалежно від того, є в ньому
іон чи немає. Тому ця величина визначається
наступним співвідношенням:
= Р(В\ і) + Р(В\ і). ( 2 2 )
Щоб отримати рівняння для ймовірності від
критого стану каналу , будемо вважати, що перехо
ди між закритими і відкритими станами проходять
набагато повільніше, аніж переходи іона через
канал:
По аналогії з (7) запишемо:
Р{В\ і) = n(t)NB ;
де
Р(3°, t) = (\-n(t))N\
Р(в\ t) = n(t)NB;
Р ( з \ о = ( і - * ( О Ж ? ,
1 -n(t) = і) + Р(3\ і)
(23)
(24)
— ймовірність того, що канал знаходиться у закри
тому стані; NL, — ймовірність того, що в каналі
немає іона (і = 0) або він є (і: = 1), за умови
знаходження каналу відкритому (індекс В) або
закритому (індекс 3) станах. Ці умовні ймовір
ності — стаціонарні величини і можуть бути знай
дені із системи рівнянь:
(25а)
(256)
N* {ц]0-Мв = 0;
та умов нормування
N \ + NB , = 1;
М3
0 + М3
Х = 1.
Сумуючи перші два рівняння системи (19),
отримуємо:
dn(t)/dt = (1 - n(t))[N3
0 а 0 + N3 ,а, ] -
А + нв А Ь (26)
Враховуючи рівняння (25), можна записати
одержане у вигляді (18), де
а = (l-N3)a0 + N3a};
(27)
— ефективні константи переходів каналу з одного
стану в інший з урахуванням взаємодії іонів, що
проходять крізь канал , з воротними структурами —
іон-конформаційної взаємодії. Тут ми використали
позначення N3 = TV3,, TV* = Л^, , які неважко
виразити в явному вигляді через концентрації (чи
сла заповнення N0 і N2) і константи швидкостей W}j
(див. (21) і (25)):
N3 =
N0W3
0l + N2W3
2{
W3
]0 + W3
X2 + NsW3
m + N2W*n
W* l 0 + W* X2 + NbW83^ + J V 2 W V
(28a)
(286)
<p, мЬ
Рис. 4. Моделювання потенціал- і концентраційної чутливостей іонного каналу, які зумовлені іон-конформаційною взаємодією. Різні
криві відповідають різним зовнішнім концентраціям іонів-носіїв: 7 — Couf - 100 ммоль/л; 2 — Cout - 300 ммоль/л (а — ймовірність
заселеності каналу іоном N (однакова для закритого і відкритого каналів, N3 - NB
y див. нижче «Параметри») змінюється від 1 до 0
при збільшенні напруги на мембрані ф\ б — потенціалчутливість ймовірності відкритого стану забезпечується іон-конформаційною
взаємодією через N(<p), що визначає і експериментально відомі зсуви при зміні іонних концентрацій). Параметри: а 0 - 100, р0 -
- 0 ,1 , а , - 0 , 1 , рх - 100, кв - 0 ,01 , tjB - 0 ,0001 , к3 - 0 ,01 , tj3 - 0 ,0001 , 6 - 0 ,85, Сіп - 100 ммоль/л
139
А Б Г А Р Я Н Г А. ТА IH.
Таким чином, ефективні константи переходів
а і ft отримуємо, усереднюючи абсолютні константи
а 0 , а, і 0О, 0, по іонних змінних N3 і NB (див.
рівняння (27)) , які визначають частку абсолютної
константи в ефективній константі.
Отримані результати неважко узагальнити на
випадок, коли в каналі не одне місце зв 'язування,
а більше. При цьому рівняння (18) залишається
справедливим, а ефективні константи швидкостей
можна переписати у загальнішому, ніж (27), виг
ляді:
0 = £ / ? 0 1 . (29)
де F- — функції стану іонного каналу, що визна
чають кількість іонів, які знаходяться у каналі , і
місце їх локалізації . Методику обчислення цих
функцій у загальному випадку каналу з фіксо
ваною структурою наведено у роботі [17] .
Зазначимо, що рівняння (18) зовнішньо схоже
на класичне рівняння Ходжкіна — Хакслі [20 ] для
ймовірності відкритого стану каналу, але на відмі
ну від нього містить у собі явну залежність кон
стант переходів а і /З від концентрації іонів в
оточуючих мембрану розчинах. Як вже згадували
вище, така залежність спостерігається експеримен
тально.
Такий підхід дає можливість показати, що
потенціалчутливість іонного каналу може визнача
тися виключно іон-конформаційною взаємодією без
застосування поняття сенсора напруги. У цьому
випадку не потрібно, щоб абсолютні константи
швидкостей а 0 , а, і 0О, /ї, залежали від напруги на
мембрані ф. Із рівняння (18) отримуємо вираз для
стаціонарного значення ймовірності n(t):
а
а + /Г (30)
Ми змоделювали іонний канал за вищевикла-
деним методом. Використовуючи вираз (5а), пере
пишемо рівняння (28) для ймовірностей NL:
26<p
N ~ KB(\ + , V ) + Ntfi7* + tftfV1 - ( 3 1 6 >
де ф = гоф/kT; k і rj — структурні параметри; д
визначає долю напруги на мембрані, що прихо
диться на бар 'єр 12. Результати моделювання відо
бражені на рис. 4. Вони свідчать про те, що
іон-конформаційна взаємодія може бути інстру
ментом саморегуляції в іонному каналі . Ці резуль
тати неважко зрозуміти, аналізуючи наявні форму
ли. Справді, підставляючи в (30) вирази (27),
маємо:
1 +
(1 -NJ)a0 + NJa,
(32)
Із виразів (31) випливає , що величини NL (L =
= В або 3) за певних умов (0,5 < д < 1) змінюються
від одиниці до нуля при зміні напруги від мінус до
плюс нескінченності.
Таким чином, ймовірність відкритого стану
при ц ь о м у н а б у в а є з н а ч е н н я п р и в е л и к и х
від'ємних напругах
(33а)
а,
та при великих додатніх напругах
о (336)
«о + А> '
Якщо а0 « /? 0 і а , » /?,, то модель описуватиме
процеси інактивації, а при а 0 » 0 О і а, « /?, —
процеси активації .
Отже, дискретний підхід, як і неперервний,
теж може описувати залежність функціонування
іонного каналу від іонних концентрацій. Більш
того, він наглядно дозволяє зрозуміти, яким чином
реал і зується саморегуляц ія в іонному канал і .
Справді, виявляється, що потенціалчутливість мо
же реалізуватися через іонний потік, а не через так
званий сенсор напруги, як це прийнято вважати
[1 ]. З фізичної точки зору, перше є природнішим,
оскільки взаємодія іонів зі структурою набагато
сильніша, аніж структури з зовнішніми електрич
ними полями.
Висновки. У даній роботі викладено загальний
підхід урахування іон-конформаційної взаємодії у
каналах біомембран. Ц я взаємодія може відігра
вати ключову роль у саморегуляції каналу. Непе
рервний підхід є принциповим при описанні ка
налів, у яких кількість конформаційних станів
може змінюватися [23—24 ] або у випадках не
тривіальних концентраційних залежностей [25] .
Дискретний підхід простіший і зручніший, він
у змозі наглядно продемонструвати механізм по-
тенціалчутливості через іонний потік і ефекти
простих концентраційних залежностей кінетики
каналу.
Розвинутий формалізм легко може бути уза
гальнено і використано для описання багатьох екс
периментальних даних.
140
С А М О Р Е Г У Л Я Ц І Я В І О Н Н И Х К А Н А Л А Х Б І О Л О Г І Ч Н И Х М Е М Б Р А Н
Г. А. Лбгарян, Г. Е. Вайнреб, В. М. Харкянен
Саморегуляция в ионных каналах биологических мембран
Резюме
Развит теоретический подход, позволяющий моделировать
процессы потенциал- и концентрационной зависимости пара
метров ионного канала. Возможны два варианта: дискретный
и непрерывный подходы. Первый более простой в применении,
описывает ряд экспериментально известных эффектов и дает
возможность в наглядной форме физически обосновать потен-
циалчувствительность ионного канала, не прибегая к поня
тию сенсора напряжения — особенной структуры, непосредст
венно «чувствующей» приложенное к мембране напряжение.
Непрерывный подход — более общий и описывает все эффекты,
описываемые дискретным, однако он сложнее при моделирова
нии. Его применение необходимо при описании еффектов,
обусловленных деформацией самих конформационных состоя
ний канала вплоть до таких кардинальных явлений, как
изменение их количества.
G. A. Abgarian, G. Е. Weinreb, V. N. Kharkyanen
Self-regulation in ion channels of biological membranes
Summary
We develop a theoretical approach that allows to model processes of
both potential- and concentrational dependencies of ion channel
parameters. Two variants are possible: discrete and continuous
approaches. The first one is simplier in applications and desribes a
set of experimental effects and allows to give in a natural form
physical grounds for potential sensitivity of ion channel. In this case
we don't need a term of voltage sensor, a special structure which
directly «feels» the membrane voltage. The continuous approach is
more general and describes all effects described by discrete approach
but it is more complicated for using. This approach we have to use
for description of effects that are caused by deformations of the
conformational states including so drastic phenomena such as a
changing of the number of channel conductivity states.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Hille В. Ionic channels of excitable membranes.—Washington:
Sinauer Associates inc., 1992.— P. 607.
2. Imoto K. Ion channels: molecular basis of ion selectivity / /
FEBS Lett .—1993.-325, N 1, 2 .—P. 100—103.
3. Demchenko A. P., Kositsky N. N., Teslenko V. I. The
influence of dynamics of ionic channel protein on its selectivity
function / / Biophys. Chem.—1990 .—35 .—P. 25—35.
4. Warshel A., Aqvist J. Electrostatic energy and macromolecular
function / / Ann. Rev. Biophys. Chem.—1991 .—20 .—P. 267—
298.
5. Partenskii M. В., Jordan P. C. Theoretical perspectives on
ion-channel electrostatics: continuum and microscopic approa
ches / / Quart. Revs Biophys .—1992.—25, N 4 — P. 477—
510.
6. Jordan P. C. Interactions of ions with membrane proteins / /
Thermodynamics of membrane receptors and channels / Ed.
M. B. Jackson — Boston: CRC press, 1993.—P. 27—80.
7. Shuba Y. M., Teslenko V. I., Savchenko A. N., Pogorelaya N.
H. The effect of permeant ions on single calcium channel
activation in mouse neuroblastoma cells: ion-channel interaction
/ / J. Phys io l .—1991 .—443 .—P. 25—44.
8. White P. J., Martin S., Thiel G. Characterisation of ion
channels from Acetabularia plasma membrane in planar lipid
bilayer / / J. Membrane Bio l .—1993 .—133.—P. 145—160.
9. Logothetis D. E., Kammen B. F., Lindpaintner K. et al. Gating
charge differences between two voltage-gated K + channels are
due to the specific charge content of their respective S4 regions
/ / Neuron.—1993.—10.—P. 1121 — 1129.
10. Schagina L V., Grinfeldt A. E., JLev A. A. Concentration
dependence of bidirectional flux ration as a characteristic of
transmembrane ion transporting mechanism / / J. Membrane
Bio l .—1983.—73.—P. 203—216 .
11. Magura J. S., Zachar J., Prevarskaya N. B. Interaction of
sodium ions with potassium channels of mollusc neuronal
somatic membrane / / Gen, Physiol. Biophys .—1985.—4.—
P. 93—96.
12. Зильбертер Ю. И., Бурнаиіев H. А., Папин А. А., Ходоров
Б. И. Взаимодействие ионов калия с воротными структу
рами ATP-чувствительных калиевых каналов миокардиа-
льных клеток / / Биол. мембраны.—1987.—4, № 7.—
С. 738—746.
13. Fahlke С, Ruppersberg J. P. Saturation effects and rectifier
properties of sodium channels in human skeletal muscle / / Eur.
Biophys. J — 1 9 8 8 . — 1 6 — P. 3 0 7 — 3 1 2 .
14. Кононенко H. И., Щербатко А. Д. Влияние ионов кальция
на деактивацию кальциевого тока в нервных клетках
виноградной улитки / / Докл. АН СССР.—1989 .—395 ,
№ 4 . — С 993—997.
15. Цееб В.Э., Гелетюк В. И., Козаченко В. Н., Ильясов Ф. Э.
Связь активности быстрого К + -канала с величиной тока
через него / / Биол. мембраны. — 1 9 9 2 . — 9 , № 5 .—С. 518—
527.
16. Гардинер К. В. Стохастические методы в естественных
науках.—M.: Мир, 1986 .—526 с.
17. Чизмаджев Ю. А., Айтьян С. X. Ионный транспорт через
селективные каналы биологических мембран II Итоги
науки и техники.— M.: ВИНИТИ, 1982 — С . 6—81 — (С.
Биофизика мембран; Т. 2 ) .
18. Эйринг Г. Эрии Д. У. Термодинамика и химическая
кинетика / / Теор. и мат. биология.—M.: Мир, 1968.—
С. 60—110.
19. Хакен Г. Синергетика.—М.: Мир, 1980.
20. Hodgkin A. L., Huxley A. F. A quantitative description of
membrane current and its application to conduction and
excitation in nerve / / J. Phys io l .—1952 .—117 .—P. 500—544 .
21. Chinarov V. A., Gaididei Yu. В., Kharkyanen V. N., Sit'ko S.
P. Ion pores in biological membranes as self-organized bistable
systems / / Phys. Rev. A . — 1 9 9 2 . — 4 6 , N 8 .—P. 5232—5241 .
22. Weinreb G. E. Effects of ion-conformational interaction in
biomembrane channels / / Phys. Al ive .—1994.—2.—P. 2 6 —
34.
23. Kharkyanen V. N, Panchouk A. S., Weinreb G. E. Self-or
ganization effects induced by ion-conformational interaction in
biomembrane channels / / J. Biol. P h y s — 1 9 9 4 —19 —
P. 259—272 .
24. Weinreb G. E., Kharkyanen V. N. A new phenomenon induced
by ion-conformational interaction in the channels of biomem-
branes / / Biophysics .—1995.—40, N 1.—P. 8 3 — 9 1 .
25. Грищенко А. В., Березецкая H. M., Вайнреб Г. Е. и др.
Влияние внеклеточной концентрации ионов калия на фун
кционирование потенциал-зависимых калиевых каналов в
клетках GH3 гипофиза крысы / / Нейрофизиология.—
1995.—27, № 2 . — С. 110—115.
26. Lauger P., Stephan W., Frehland Е. Fluctuations of barrier
structure in ionic channels / / Biochim. et Biophys. Acta.—
1980 .—602.—P. 167—180.
27. Лейгер П. Конформационные переходы в ионных каналах
/ / Регистрация одиночных каналов / Под ред. Б. Сакмана,
Э. Неераю.—М.: Мир, 1987 — С . 2 2 6 — 2 4 1 .
УДК 535.343.2
Надійшла до редакції 25.06.96
141
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155113 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7657 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:19:31Z |
| publishDate | 1997 |
| publisher | Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Абгарян, Г.А. Вайнреб, Г.Є. Харкянен, В.М. 2019-06-16T09:15:28Z 2019-06-16T09:15:28Z 1997 Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран / Г.А. Абгарян, Г.Є. Вайнреб, В.М. Харкянен // Биополимеры и клетка. — 1997. — Т. 13, № 2. — С. 135-141. — Бібліогр.: 27 назв. — укр. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.000475 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155113 535.343.2 Розвинуто теоретичний підхід, шр дозволяє моделювати процеси потенціал- і концентраційної залежностей параметрів іонного каналу. Можливі два варіанти: дискретний і неперервний підходи. Перший простіший у застосуванні, описує ряд експериментально відомих ефектів і дозволяє у наглядній формі дати фізичне обгрунтування потенціалчутливості іонного каналу, не удаючись до поняття сенсора напруги – особливої структури, шр безпосередньо «відчуває» прикладену до мембрани напругу. Неперервний підхід є більш загальним і описує всі ефекти, шр описуються дискретним, але він складніший при моделюванні. Його застосування є необхідним при описанні ефектів, зумовлених деформацією самих конформаційних станів каналу аж до таких кардинальних явищ, як зміна їх кількості. Развит теоретический подход, позволяющий моделировать процессы потенциал- и концентрационной зависимости параметров ионного канала. Возможны два варианта: дискретный и непрерывный подходы. Первый более простой в применении, описывает ряд экспериментально известных эффектов и дает возможность в наглядной форме физически обосновать потенциалчувствительность ионного канала, не прибегая к понятию сенсора напряжения – особенной структуры, непосредственно «чувствующей» приложенное к мембране напряжение. Непрерывный подход – более общий и описывает все эффекты, описываемые дискретным, однако он сложнее при моделировании. Его применение необходимо при описании еффектов, обусловленных деформацией самих конформационных состояний канала вплоть до таких кардинальных явлений, как изменение их количества. We develop a theoretical approach that allows to model processes of both potential and concentrational dependencies of ion channel parameters. Two variants are possible: discrete and continuous approaches. The first one is simplier in applications and desribes a set of experimental effects and allows to give in a natural form physical grounds for potential sensitivity of ion channel. In this case we don't need a term of voltage sensor, a special structure which directly «feels» the membrane voltage. The continuous approach is more general and describes all effects described by discrete approach but it is more complicated for using. This approach we have to use for description of effects that are caused by deformations of the conformational states including so drastic phenomena such as a changing of the number of channel conductivity states. uk Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Биополимеры и клетка Структура и функции биополимеров Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран Саморегуляция в ионных каналах биологических мембран Self-regulation in ion channels of biological membranes Article published earlier |
| spellingShingle | Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран Абгарян, Г.А. Вайнреб, Г.Є. Харкянен, В.М. Структура и функции биополимеров |
| title | Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран |
| title_alt | Саморегуляция в ионных каналах биологических мембран Self-regulation in ion channels of biological membranes |
| title_full | Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран |
| title_fullStr | Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран |
| title_full_unstemmed | Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран |
| title_short | Саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран |
| title_sort | саморегуляція в іонних каналах біологічних мембран |
| topic | Структура и функции биополимеров |
| topic_facet | Структура и функции биополимеров |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155113 |
| work_keys_str_mv | AT abgarânga samoregulâcíâvíonnihkanalahbíologíčnihmembran AT vainrebgê samoregulâcíâvíonnihkanalahbíologíčnihmembran AT harkânenvm samoregulâcíâvíonnihkanalahbíologíčnihmembran AT abgarânga samoregulâciâvionnyhkanalahbiologičeskihmembran AT vainrebgê samoregulâciâvionnyhkanalahbiologičeskihmembran AT harkânenvm samoregulâciâvionnyhkanalahbiologičeskihmembran AT abgarânga selfregulationinionchannelsofbiologicalmembranes AT vainrebgê selfregulationinionchannelsofbiologicalmembranes AT harkânenvm selfregulationinionchannelsofbiologicalmembranes |