Процесс адаптации RyR-каналов к продолжительной стимуляции

Далее в данной работе проведено моделирование динамики одиночных RyR-каналов, а именно, изучение поведения каналов при продолжительной стимуляции.

Впервые явление медленного понижения активности канала при длительном стимуле было обнаружено экспериментально в 1993 году [25] и получило название адаптации RyR-канала к продолжительной стимуляции. Результаты исследований из работы [25] представлены на рисунке 3.23б. Подробно этот эффект описан ранее в первой главе настоящей работы.

В рамках данной работы исследована вероятность пребывания канала в открытом состоянии при учете всех видов электронных переходов, включая переходы в инактивированное состояние, на больших интервалах времени (t > 3 c).

Также как и в экспериментах, описанных выше, исследовалась динамика ансамбля независимых RyR-каналов, в начальный момент времени все каналы находились в закрытом состоянии.

В момент времени t =0 уровень cis[Ca] резко повышается до 1 мкМ, при этом, вероятности электронных переходов становятся больше нуля.

На рисунке 3.23 представлены графики зависимости и cis[Ca] от времени.

Условно график зависимости можно разбить на три участка (рис. 3.23а). На первом из них (0< t< 100 мс) происходит активация каналов в ансамбле, то есть резкое повышение до 0.85 с постоянной времени мс (участок I). Подробно процесс активации рассмотрен в разделе 3.4.

Далее в интервале 100 мс < t < 2.5 с наблюдается медленный спад , до стационарного значения (участок II). После этого система приходит в динамическое равновесие (участок III).

На больших интервалах времени (~3c) можно пренебречь медленной конформационной динамикой, поэтому на участке II переходы RyR-канала из одного состояния в другое можно описать с помощью марковского процесса (3.10). Уравнения (3.11) имеют следующие начальные условия:

.

Точные решения этих уравнений (аналитический вид здесь не приводится) представлены в виде графиков на рисунке 3.24а, 3.24б. Для сравнения с точным решением (сплошная линия) на рисунке 3.24а также приведены данные численных экспериментов. Эти результаты изображены ранее на рисунке 3.23а.

Из анализа рисунка 3.24а можно сделать вывод, что результаты моделирования хорошо согласуются с точными решениями уравнений Колмогорова в марковском приближении.

Вероятность сначала после достижения пика уменьшается экспоненциально, затем при t 3 c вероятности P_open, P_close и P_inact выходят на стационарный уровень. Уменьшение при t<2.5 с указывает на медленный спад активности канала на этом промежутке времени. При анализе данных численных экспериментов было выявлено, что стационарный уровень проявляется в связи со стремлением канала к динамическому равновесию между переходами в состояния: O, C и I, что подтверждает выход на стационарный уровень вероятностей переходов в состояние О и I (рис. 3.24б).

При последующих резких повышениях уровня cis[Ca] в экспериментальных работах также наблюдался эффект адаптации (рис.3.25б).

Серия численных экспериментов, проведенных в данной работе на основе ЭК-теории показала, что данная модель позволяет воспроизвести вышеописанные экспериментальные данные (рис. 3.26).

Видно (рис. 3.26), что при повторном повышении cis[Ca] наблюдается медленное понижение до стационарного уровня (), при этом следует указать на тот факт, что эффект адаптации проявляется даже в том случае, когда уровень cis[Ca] перед резким повышением принимает достаточно большие значения ( 0.25 мкМ).

Вышеописанный эффект имеет большое значение для сердечной клетки, так как RyR-канал адаптируется к установившемуся уровню cis[Ca], сохраняя свою способность реагировать на следующее повышение cis[Ca]. Процесс КВВК должен быть самовосстанавливающимся, так как Са²⁺, высвобожденный из СР должен быть возвращен в СР и активировать следующее высвобождение Са²⁺, при этом адаптация является своеобразным эффектом негативного контроля (проверяет отсутствие нежелательных явлений и/или их повторения).

Как показывает большинство экспериментов в сердечных клетках [32, 120], на завершение процесса высвобождения Са²⁺ в диадное пространство в большей степени влияет опустошение СР, но по мнению некоторых исследователей [52], понижение активности RyR-каналов во времени вследствие адаптации также вносит вклад в завершение высвобождения.

Введение впервые в данной работе в электронно-конформационную модель высокоэнергетического адсорбционного инактивационного состояния позволило описать процессы связывания ионов Са²⁺ с инактивационным центром RyR-канала, которые имеют меньшую вероятность, чем связывание с активационным центром. Возможность перехода в инактивацинное состояние объясняет существование длительных интервалов, наблюдаемых в эксперименте, на которых проводимость RyR-канала равна нулю [18].

3.7 Динамика одиночного RyR-канала при установившемся уровне cis[Ca]

На следующем этапе данной работы исследовалось поведение изолированных RyR-каналов при установившемся уровне cis[Ca] после выхода в динамическое равновесие (участок III на рисунке 3.23а).

Динамическое равновесие определяется постоянным значением средней вероятности пребывания RyR-канала в открытом состоянии на больших интервалах времени. Как показывают результаты экспериментов по изучению кинетических свойств RyR-канала при стационарных условиях, средняя вероятность пребывания канала в открытом состоянии напрямую зависит от уровня cis[Ca] [13, 17, 20].

В связи с этим в настоящей работе необходимо было исследовать активность одиночного RyR-канала при стационарных условиях и установить способность электронно-конформационной теории объяснить эффекты динамики RyR-канала при постоянном уровне cis[Ca], ранее выявленные экспериментально.