Диссертация на соискание учёной степени

3.7.2 Зависимость активности RyR-канала от уровня cis[Ca]

На рисунке 3.29 изображены зависимости активности RyR-канала от времени при различных значениях cis[Ca] (открытое состояние соответствует значению 1).

Рис. 3.29. Активность RyRканала при стационарных услових для трех различных значений концентрации цитозольного кальция cis[Ca]. Нулю соответствует закрытое состояние.

Мода H выделена черными сплошными линиями, мода L – пунктирными линиями. Белыми сплошными линиями обозначена мода нулевой активности канала

I.

Для сравнения результатов численных реализаций с экспериментальными данными, на рисунке 3.30 представлены графики экспериментальные регистрации активности RyR-канала при различных значениях cis[Ca] [15].

111

Рис. 3.30. Активность RyR-канала при стационарных услових при трех различных значениях концентрации цитозольного кальция cis[Ca]. а. Результаты численных экспериментов. б. Результаты экспериментов, адаптированные из работы [15]. Нулю соответствует закрытое состояние. Участки с высокой вероятностью Popen обозначены черными сплошными линиями, с малой –

пунктирными линиями, длительные пребывания в закрытом состоянии – белыми сплошными линиями.

Сравнивая рисунок 3.30а с результатами моделирования (рис. 3.30б), можно сделать вывод, что результаты численных экспериментов находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

В работе при проведении анализа кинетических характеристик динамики

RyR-канала в рамках модели, были построены графики зависимости Popen от концентрации Са2+ в cis-части при различных значениях числа кластеров в активных центрах канала, представленные на рисунке 3.31.

112

Зависимость активности RyR-канала при стационарных условиях от

спадает при cis[Ca]>100 мкМ.

Эффект понижения Popen при достаточно больших значениях cis[Ca] получил в литературе название Са2+-зависимой инактивации [24] и является одним из ключевых феноменов тонкой регуляции RyR-канала ионами Са2+. Однако следует отметить, что концентрации cis[Ca]>100 мкМ не являются физиологическими и представляют интерес только для экспериментов in vitro.

Приведенные на рисунке 3.31б графики зависимости вероятности пребывания в инактивационном состоянии ( Pinact ) от cis[Ca] говорят о том, что с ростом cis[Ca] увеличивается частота электронных переходов в инактивационное состояние, в связи с этим повышается Pinact .

113

При исследовании динамических рядов активности RyR-канала при различных значениях cis[Ca] были изучены моды активности канала и построена гистограмма распределения по пребываниям в той или иной моде,

представленная на рисунке 3.32.

Были введены следующие моды активности:

Мода С/I соответствует пребыванию канала в закрытом состоянии С или в инактивационном состоянии I. На гистограмме состояния С и I разделены в третьем столбце. Вероятность пребывания в открытом состоянии в этой моде является нулевой.

Моде H соответствуют длительные пребывания в открытом состоянии О и частые переходы из закрытого состояния в открытое

(при этом время пребывания в открытом состоянии больше, чем в закрытом: topen tclosed ). В данной моде Popen

Моде L соответствует серия кратковременных пребываний в открытом состоянии ( topen tclosed ). Закрытия происходят вследствие переходов в конформационно закрытое состояние и в инактивацинное состояние. В моде низкой активности:

Как ясно из рисунков 3.31 и 3.32, с ростом cis[Ca] наблюдается увеличение вероятности нахождения системы в инактивационном состоянии, и оно

114

становится превалирующим после значения cis[Ca]=100 мкМ, которое соответствует максимуму зависимости Popen (cis[Ca]) .

Согласно экспериментальным данным [20], активность RyR-каналов в кардиомиоцитах становится нулевой при очень высоких значениях концентрации цитозольного Са2+ (5-10 мМ), которые, предположительно,

недостижимы в клетках. Однако, Са2+-зависимая инактивация также как и адаптация, является механизмом негативного контроля, обеспечивающим своевременное завершение процесса высвобождения Са2+ из СР во время клеточного цикла.

3.7.3 Влияние ионов Mg2+ на динамику одиночного RyR-канала

Ионы Mg2+ как и ионы Са2+ обладают сильным сродством с активационной частью RyR-канала, однако, занимая вакантные места на активационных частях, они не приводят к открытию канала [122, 123].

Как и в случае взаимодействия ионов Са2+с активными центрами, в

настоящей диссертационной работе предлагается статистический подход к рассмотрению конкурентного присоединения ионов Mg2+ и Са2+ к активным центрам канала.

На рисунке 3.33а схематично представлен процесс присоединения ионов Са2+ и Mg2+ с активному центру канала. Заполнение ионами активных мест связывания активного центра описано с помощью диаграммы Эйлера (рис. 2.31б).

115

Рис. 3.33 Присоединение ионов Са2+ и Mg2+ к активным центрам. а. Схема активных центров RyR-канала, занятых ионами Са2+, Mg2+, либо двумя типами ионов. б. Диаграмма Эйлера, показывающая заселенность кластеров активных центров канала.

Было сделано предположение, что если в кластер активного центра попадают оба типа ионов, то вероятность присоединения того или иного типа ионов к свободному центру равняется ½.

116

ионов Са2+ в кластере активной части равняется:

В численных экспериментах значение cis[Ca] варьировалось в диапазоне от

0.05 до 1000 мкМ. В первой части экспериментов не учитывалось влияние ионов Mg2+, и интенсивность электронных переходов в зависимости от cis[Ca]

формулу 2.10), где с – относительная концентрация ионов Са2+ в cis-части.

Во второй серии экспериментов учитывалось присутствие Mg2+ в растворе

(Mg=3 мМ), и a b (cis[Ca]) и i b (cis[Ca]) рассчитывались согласно формуле

(3.21). Графики зависимостей интенсивностей электронных переходов с учетом и без учета Mg2+ представлены на рисунке 3.33.

Рис. 3.34 Зависимости интенсивностей электронных переходов канала от уровня cis[Ca] с учетом ионов Mg2+ и без учета. Параметры модели для активационного центра: k = 4, z=25. Для инактивационного центра: k = 7, z=25 (см. п. 2.1.8).

117

3.35б приведен график из работы [20]. Анализ представленных кривых говорит

о том, что результаты моделирования с высокой степенью точности совпадают

сэкспериментальными данными.

Вприсутствии ионов Mg2+ в растворе, в котором находится RyR-канал,

график зависимости Popen (cis[Ca]) сдвигается вниз и вправо, то есть максимум достигается при больших значениях cis[Ca] и максимум функции меньше, чем в отсутствие ионов Mg2+, конкурирующих с активными ионами Са2+.

Ионы Mg2+ являются потенциальными ингибиторами RyR-каналов, в связи с этим находят активное применение в фармакологии и терапии для понижения частоты высвобождений Са2+ для предотвращения аритмии и других патологий.

Модификация электронно-конформационной модели и введение инактивационного состояния позволили описать не только основные свойства изолированных RyR-каналов, но и важнейшие тонкие эффекты взаимодействия каналов с ионами Са2+, которые являются механизмами негативного контроля и должны учитываться при моделировании процесса КВВК.

3.8Заключение

Вданной главе приведены результаты параметрического анализа

электронно-конформационной модели одиночного RyR-канала, сравнения

исследованию:

процессов открытия RyR-канала при резком повышении уровня cis[Ca];

процесса закрытия RyR-канала при резком уменьшении уровня cis[Ca];

процесса адаптации RyR-канала к установившемуся уровню cis[Ca];

зависимости вероятности пребывания RyR-канала в открытом и закрытом состояниях при постоянном уровне cis[Ca];

влияния ионов Mg2+ на активность RyR-канала при стационарных условиях.

119

зависимости конформационной координаты Q от времени методом Херста.

Сравнительный анализ показал, что результаты проведенных численных экспериментов хорошо согласуются с известными экспериментальными данными, и ЭК-модель дает адекватное описание стохастической динамики

RyR-канала.

120