Введение к работе
Актуальность проблемы. Электроуправляемые ионные каналы плазматических мембран являются важнейшим компонентом системы, обеспечивающей клеточную Еозбудимость. Они представляют собой специальный класс интегральных белковых макромолекул, осуществляющих трансмембранный перенос ионов.
Современные методы исследования позволяют детально изучать молекулярные механизмы функционирования ионных каналов: измерять токи, вызываемые перемещениями воротных частиц, регистрировать токи через одиночные ионные каналы, выделять и встраивать в нативные и искусственные мембраны каналообразующие белки, исследовать влияние изменения первичной структуры каналов на выполнение свойственных им функций.
Тем не менее, механизмы взаимодействия проникающих и блокирующих ионов со структурами каналов, молекулярные механизмы воротных процессов остаются малоизученными.
В последние годы белки рассматривают как динамические структуры, подверженные конформационным флуктуациям в широком временном диапазоне. Такого рода внутренние движения белковых молекул необходимо учитывать и при рассмотрешш молекулярных механизмов функционирования потенциалуправляемых ионных каналов.
Наряду с экспериментальными методами важным инструментом в изучении ионных каналов являются теоретические исследования.
В предложенных в последние годы теоретических подходах учет динамики каналообразующих белковых макромолекул обычно ограничивался рассмотрением небольшого числа. возможных конформационных состояний канала, причем переходы между ними не зависели от проходящих через канал ионов. Практически не рассматривались молекулярные механизмы, лежащие в основе переключений ионного канала между различными проводящими состояниями. Существующие модели, как правило, описывали либо кинетические, либо селективные свойства ионных каналов и не рассматривали влияние замены сорта проникающих катионов на кинетику функционирования ионного канала.
Это привело к необходимости развития нового класса
-}-
теоретических подходов к описанию ионного транспорта, основывающихся на динамической природе каналообразующих белковых макромолекул и описывающих совокупность свойств ионных каналов -кинетических и селективных.
Цель работы. Описать функционирование потенциалуправляемого одиночного ионного канала с учетом взаимодействия ионного потока, проходящего через канал с флуктуирующей каналообразущей белковой макромолекулой.
Главные задачи.
1. Разработать математический подход для описания
функционирования потенциалуправляемого одиночного ионного канала
на основе ион-конформационного взаимодействия.
-
Определить условия, при которых проявляются дискретные уровни проводимости ионного канала и случайные переключения между ними.
-
Изучить зависимость основных кинетических характеристик одиночного ионного канала от мембранного потенциала.
-
Исследовать влияние концентрации проникающих ионов, типа ионов, переносящих ток через ионный канал, на кинетику функционирования одиночного ионного канала.
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены результаты, расширяющие представления о механизмах функционирования ионных каналов. Наиболее важными являются следующие:
1. Впервые предложен математический подход для описания
функционирования одиночного потенциалуправляемого ионного канала
на основе взаимодействия ионного потока с флуктуирующей белковой
макромолекулой, формирующей ионный канал.
2. Показано, что взаимодействие ионного потока с
каналообразующей белковой макромолекулой вызывает появление двух
наиболее вероятных состояний каналообразующего белка,
ассоциирующихся с открытым и закрытым состояниями ионного канала.
-
Показано, что под действием случайных тепловых флуктуации белковой молекулы, формирующей ионный канал, он может переходить из одного стационарного состояния проводимости в другое.
-
В рамках данного теоретического подхода впервые объяснена токозависимость среднего времени пребывания канала в открытом
состоянии.
5. Впервые предложен подход, позволяющий учитывать влияние типа проникающих катионов на кинетику функционирования одиночного ионного канала.
Практическая ценность работы. Полученные данные расширяют существующие представления о молекулярных механизмах функционирования ионных каналов и позволяют разрабатывать новые подходы в исследовании механизмов действия фармакологических препаратов на ионную проницаемость биологических мембран.
Аппробация работы. Ос-яовные положения работы доложены и обсуждены : на Всесоюзной конференщш "Математические и вычислительные методы в биологии" (Пушино, 1987), II Всесоюзной конференщш по нейронаукам (Киев, 1988), XIV и XV конференциях молодых ученых МФТИ (Долгопрудный, 1988, 1939), Всесоюзных сипозиумах "Одиночные ионные каналы в биологических мембранах" (Пущино, 1989, 1990), Международном симпозиуме "Neuronet-90" (Прага, 1990), семинарах Института физиологии им. А.А.Богомольца АН УССР (1990), заседании Ученого совета Института физиологии им. А.А.Богомольца АН УССР (1991). По материалам диссертации опубликовано 6 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, обсуждения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, иллюстрирована 21 рисунком. Список литературы содержит ,155 источников.