2.1.4. Структурные изменения канала в электронно-конформационной модели

На основе представлений ЭК-модели можно рассмотреть возможные варианты процессов открытия и закрытия канала при постоянстве формы КП, связанные с взаимодействием ионов Са²⁺ с активационным центром канала и последующим изменением конформационного состояния. Простейшие схемы открытия и закрытия канала показаны на рисунке 2.3.

Схема 1. Открытие канала. Вначале канал находится в закрытом состоянии на левой ветви конформационного потенциала в минимуме (С), при этом имеют место следующие изменения степеней свободы RyR-канала:

1 – ионы Са²⁺ связываются с активационным центром канала, происходит переход на более высокий энергетический уровень, то есть изменение электронной степени свободы и переход на правую ветвь КП.

2 – происходит изменение конформационной координаты Q: релаксация канала со временем в минимум правой ветви КП (О). Соответственно, канал оказывается в электронно и конформационно открытом состоянии.

Схема 2. Закрытие канала. В начальный момент времени канал находится в открытом состоянии в минимуме (О) на ветви КП . Наблюдаются следующие изменения степеней свободы RyR-канала:

1 – ионы Са²⁺ отсоединяются от активационного центра канала, происходит переход на более высокий энергетический уровень, т.е. изменение электронной степени свободы и переход на ветвь КП .

2 – происходит изменение конформационной координаты Q, релаксация в минимум левой ветви КП (С). В итоге RyR-канал электронно и конформационно закрыт.

Переходы между состояниями на вышеприведенных схемах в рамках рассматриваемой модели будут подробно описаны далее.

2.1.5 Динамика конформационной координаты

Изменение конформационной координаты канала Q можно описать с помощью уравнения Ланжевена [105]:

(2.7)

где M – параметр эффективной массы RyR-канала (для упрощения принимается М=1);

–переменная, описывающая электронное состояние канала (– электронно-закрытое, и– электронно-открытое);– параметр конформационного «трения» (параметр диссипации);– сила случайных температурных флуктуаций в конформационной динамике RyR-канала.

Если пренебречь случайными тепловыми флуктуациями (), то уравнение Ланжевена является вторым законом Ньютона. В этом случае (2.5) описывает процессы релаксации конформационной координаты по ветвям конформационного потенциала к их минимумам:– для электронно-закрытого,– для электронно-открытого канала (рис.2.2).

2.1.6 Динамика электронной степени свободы

Как уже отмечалось ранее, процесс активации RyR-каналов напрямую зависит от концентрации Са²⁺ в cis-части и является результатом связывания ионов Са²⁺ с активационными центрами RyR-канала. Результаты экспериментальных исследований [106, 107] говорят о том, что переходы в открытое состояние наблюдаются при достаточно малом уровне Са²⁺ в cis-части (~0.1 мкM).

Электронная степень свободы, в отличие от конформационной, является дискретной и в ЭК-модели описывается как марковский процесс с двумя состояниями (0 и 1).

Описание электронных переходов в ЭК-модели строится на предположении, что они обусловлены взаимодействием Са²⁺ с активными центрами канала, а их интенсивность зависит от энергии ионов Са²⁺ и энергии канала в текущем конформационном состоянии.

По аналогии с теорией неупругого рассеяния предполагается, что взаимодействие Са²⁺ с активными центрами рассматривается как резонансное рассеяние. В связи с этим, такие переходы носят резонансный характер, причем вероятность перехода может быть аппроксимирована спектральной функцией Лоренца (формулой Брейта-Вигнера) [109]:

(2.8)

Где Е  энергия ионов,  энергия возбуждения (разность энергий двух ветвей конформационного потенциала),  полуширина резонансного пика,  амплитуда вероятности, зависящая от концентрации ионов в диадном пространстве.

Таким образом, описанные выше электронные переходы являются следствием взаимодействия активных центров канала с ионами Са²⁺, и их интенсивность зависит не только от концентрации данного субстрата, но и от энергии ионов Са²⁺, способных связываться с активными центрами.