Инактивационое состояние RyR-канала

Как отмечалось ранее, в работах [22-24] предполагается, что у RyR-канала наряду с активационными существуют так называемые инактивационные центры; на этом предположении основано большое количество моделей по исследованию кинетических свойств канала [24, 33, 34]. Экспериментально выявлено [25], что связываясь с активационным центром канала ионы Са²⁺ переводят канал в конформационно открытое состояние, и наоборот, связываясь с инактивационным центром – закрывают канал.

Ранее в электронно-конформационной модели учитывались только электронные переходы, связанные с присоединением ионов Са²⁺ к активационному центру [93-95]. C целью более подробного описания процессов взаимодействия ионов Са²⁺ с каналом проведена модификация электронно-конформационной модели RyR-канала. В данной работе впервые введено третье электронное так называемое инактивационное состояние, электронный переход в который соответствует присоединению ионов Са²⁺ к инактивационному центру канала.

Предположительно, связываясь с инактивационным центром, ионы Са²⁺ переводят систему на более высокий энергетический уровень, которое является адсобционным. Другими словами, вероятность перехода в это состояние и вероятность выхода из него должна быть достаточно мала.

Одна из типичных схем динамики RyR-канала при стационарных условиях, основанная на этом предположении, приводится на рисунке 2.4а.

При описании ЭК-модели конформационная координата Q рассматривается как классическая переменная, однако, ее квантовое обобщение можно связать с эффектами, вызванными квантованием конформационного движения [86]. При этом полученные в результате квантования энергетические спектры могут быть сгруппированы в две перекрывающиеся полосы, образованные из открытых электронных "вверх" и "вниз" состояний. Спектры этих состояний можно условно разделить на две ветви конформационного потенциала [108]. Такой подход часто используется в квантовой механике. На рисунке 2.4б изображены энергетические уровни открытого, закрытого и инактивационного состояния. Как уже отмечалось, энергетические уровни инактивационного состояния лежат выше уровней, соответствующих открытому и закрытому состояниям.

Открытие канала (стрелки 1 и 2) происходит так же, как представлено на схеме 1 (рис. 2.3). Однако согласно новым предположениям, находясь в состоянии (O), канал может перейти в инактивационное состояние (I) с достаточно малой вероятностью (штрихпунктирная стрелка 3). Следует отметить, что переход в инактивационное состояние также возможен и из состояния (С).

Для предложенного инактивационного состояния предполагается, что вероятность электронного перехода в это состояние, также как и электронная активация, должна зависеть от cis[Ca], в то время как вероятность отсоединения ионов Са²⁺ в значительно меньшей степени зависит от концентрации Са²⁺.

Таким образом, переходы в инактивационное состояние, введенное в данной работе, являются чисто электронными, и вследствие того, что вероятности перехода в это состояние и выхода из него малы, оно является адсорбционным.

2.1.8. Зависимость вероятности электронных переходов от концентрации Са²⁺ в cis-части

В данной работе электронные переходы разделяются на два вида (активация и инактивация), в связи с этим можно ввести несколько вероятностей электронных переходов, обозначенных на рисунке 2.5.

(activation site binding) – вероятность изменения электронной степени свободы из-за связывания ионов Са²⁺ с активационным центром.

(activation site unbinding) – вероятность изменения электронной степени свободы из-за отсоединения ионов Са²⁺ от активационного центра.

(inactivation site binding) – вероятность изменения электронной степени свободы из-за связывания ионов Са²⁺ с инактивационным центром.

(inactivation site unbinding) – вероятность изменения электронной степени свободы из-за отсоединения ионов Са²⁺ от инактивационного центра.

Существуют экспериментальные данные по изучению процессов активации/инактивации RyR-каналов ионами Са²⁺, которые показывают, что активационный центр канала обладает более высоким сродством к ионам Са²⁺, чем инактивационный [24]. На основе анализа этих исследований в данной работе сделано предположение о том, что для осуществления инактивации RyR-канала необходимо бόльшее количество ионов Са²⁺ для связывания с инактивационным центром, чем количество ионов, связывающихся с активационным центром в процессе активации (предположительно 3-4 для активационного и 7-8 для инактивационного центров [23, 35]). Исходя из всего этого, процесс активации/инактивации в электронно-конформационной теории может быть описан в рамках упрощенной модели «качелей со сдвинутой осью» (рис. 2.6).

Данная упрощенная схема наглядно показывает процесс изменения состояния системы в ту или иную сторону при конкурирующих процессах, причем для изменения состояния на активационную часть требуется меньшее воздействие, чем на инактивационную.

На рисунке 2.7 представлена схема изменения состояния RyR-канала согласно упрощенной схеме «качели со сдвинутой осью». На схеме отмечены основные состояния «качелей» и соответствующие им положения на конформационном потенциале. Как и на рисунке 2.6, левая сторона «качелей» соответствует активационному центру канала (A), правая – инактивационному (I).

Звездой (*) отмечены центры, заполненные ионами. Открытому состоянию канала соответствует правый минимум конформационного потенциала, то есть состояние A^*I, а инактивированному – состояния A^*I и A^*I^*.

В настоящей работе активационный и инактивационный центры каналов рассматриваются как дискретные комплексы, состоящие из определенного числа активных мест связывания (z_a и z_i, соответственно), в которые могут попадать ионы Са²⁺. Зависимость амплитуды вероятности электронных переходов от концентрации cis[Ca] определяется в статистических терминах [A12].

Примитивная схема, описывающая процесс попадания ионов в места связывания активационного и инактивационного центров RyR-канала ионами Са²⁺ представлена на рисунке 2.8. При попадании на активный центр более чем k ионов должно произойти дальнейшее изменение конформационного состояния канала в ту или иную сторону в зависимости от того, с активационным или инактивационным центром происходит связывание.

Распределение вероятности присоединения ионов Са²⁺ к активным центрам на активационном и инактивационном центрах RyR-канала имеет биномиальный вид. Соответственно, вероятность попадания более чем k ионов в z секторов активного центра равна:

, (2.10)

где z – число активных мест связывания центра, k – число ионов Са²⁺, – относительная концентрация Са²⁺ в cis-части, – максимальное значение cis[Ca].

При большом значении параметра z и при достаточно малой вероятности с биномиальное распределение преобразуется в распределение Пуассона:

. (2.11)

Вероятность электронных переходов из электронно открытого в электронно закрытое состояние, связанная с незаполненностью активационного центра ионами Са²⁺, пропорциональна вероятности реализации более чем z - k пустых активных мест связывания в текущий момент времени:

, (2.12)

а при больших значениях z:

. (2.13)

Применение статистического подхода к описанию процессов, связанных с взаимодействием ионов Са²⁺ с активными центрами RyR-канала, позволило в данной работе провести параметрический анализ предложенной модели и дать физическое обоснование выбору параметров вероятностей переходов между состояниями RyR-канала.