Введение к работе
Актуальность темы. Развитые в настоящее время
электрофизиологические методы исследования одиночных каналов позволяют
определять кинетические характеристики ионного канала непосредственно из
экспериментальных данных. Существуют экспериментальные данные,
свидетельствующие в пользу того, что между ионными каналами,
функционирующими в мембране, имеется взаимодействие. Физические
принципы взаимодействия каналов в мембране объяснены в теории,
определяющей его как взаимодействие макромолекул, погруженных в жидкий
кристалл. Экспериментальное и теоретическое исследование
функционирования ансамблей каналов обнаружило способность каналов к образованию кластеров вследствие взаимодействия их друг с другом. Однако в настоящее время остается открытым вопрос о том, является ли конкретная запись флуктуации тока продуктом функционирования нескольких независимых каналов, взаимодействующих каналов или одного канала с различными подсостояниями проводимости. Особый интерес вызьшает тот факт, что совпадение экспериментальных амплитудных гистограмм с биномиальным распределением вовсе не означает независимого функционирования каналов, поскольку не исключается возможность присутствия в мембране неидентичных взаимодействующих каналов. Актуальными в этой связи представляются теоретическое изучение качественного отличия кинетических характеристик зависимых и независимых каналов. Решению этой задачи и посвящена предлагаемая работа.
Цель работы: Целью настоящей работы является детальное теоретическое исследование особенностей функционирования ионных каналов в мембране, включающих изменения кинетических характеристик системы при переходе к ансамблю независимых каналов и при взаимодействии каналов посредством положительной кооперативности. Выполнение работы было связано с решением ряда конкретных проблем и задач:
-моделирование тока изолированного активного элемента без конкретизации констант скорости перехода, что физически соответствует функционированию одиночного ионного канала в бнслое.
-моделирование суперпозиции токов нескольких независимых активных элементов и исследование качественного изменения кинетических и статистических характеристик ансамбля относительно характеристик одиночного канала.
исследование особенностей функционирования зависимых и независимых каналов, обладающих различными вероятностными свойствами. Действительно ли отклонение экспериментальных гистограмм от биномиального распределения может быть объяснено присутствием неидентичных ионных каналов.
- исследование изменения среднестатистических характеристик, таких как время жизни канала в закрытом состоянии, от различных факторов: энергии взаимодействия каналов, уровня пороговой энергии, неоходимой для перехода канала из закрытого состояния в открытое, параметров исходного шумового сигнала.
Научная новизна работы.Основные результаты работы
представляются нам новыми. Предложена оригинальная теоретическая
модель, представляющая функционирование ионного канала как клеточного
автомата. В ходе предварительного исследования определено, что
взаимодействие между каналами в ансамбле приводит к возникновению
когерентных состояний проводимости системы. Предложен механизм
внутримембракного взаимодействия ионных каналов, основанньш на
зависимости вероятностных свойств канала от уровня пороговой энергии,
необходимой для перехода канала из одного состояния в другое. С помощью
флуктуационного анализа модельных шумов получена качественная картина
зависимости среднего времени жизни канала от его вероятностных свойств.
Впервые определены характерные отличия корреляционных функций,
гистограмм полного времени, проведенного системой на каждом уровне тока,
и распределений времен жизни зависимых и независимых ионных каналов.
Установлено, что увеличение среднего времени жизни канала в открытом
состоянии свидетельствует о наличии взаимодействия между каналами в
ансамбле. Определено, что неэкпоненциальный характер распределений
времен жизни и отклонение амплитудных гистограмм от биномиального
распределения является следствием только кооперативного действия каналов,
как идентичных, так и обладающих различными вероятностными свойствами.
Исследовано изменение характеристик взаимодействующих и
невзаимодействующих ионных каналов в звисимости от формы шумового сигнала с заданной корреляционной функцией, что дает возможность судить о характере энергетических процессов, происходящих в системе.
Практическое значение. Полученные результаты вносят вклад в понимание особенностей взаимодействия ионных каналов в мембране и закономерностей кинетики неидентичных каналов. Результаты работы могут
быть использованы при решении сугубо практических задач идентификации экспериментальных данных кинетики ансамбля каналов, позволяют связать наблюдаемые в эксперименте величины с внутренними характеристиками исследуемой системы. Использованные численные алгоритмы, реализованные на ЭВМ в виде отлаженных программных модулей, применимы для выполнения новых экспериментальных и теретических исследований. Сравнительный анализ статистических характеристик совместного функционирования в ансамбле ионных каналов может использоваться при изучении кинетики каналов и биофизики мембран вообще. Результаты работы могут использоваться в теоретической и практической вирусологии при изучении вопроса о самосборке вирусных белков на мембране инфицированной клетки, при исследовании кооперативного действия ионных каналов и др.
Апробапия работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на научных семинарах кафедры биофизики физического факультета МГУ, на международной конференции, посвященной памяти А.Г. Гурвича, сентябрь 1994 г., г. Москва.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано -Ц печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 129 страницах, содержит 41 рисунок, 3 таблицы. Список цитируемой литературы включает 150 наименований.