Эффект случайной остановки автоколебаний

На следующем этапе моделирования динамики Са²⁺-«часов» в настоящей работе исследовалось влияние скорости высвобождения Са²⁺ через одиночный RyR-канал на характер осцилляций системы.

Временные зависимости относительного числа открытых каналов и концентрации высвободившегося кальция () при различных значениях (от 1 до 100 с^-1) без учета и с учетом взаимодействия между RyR-каналами показаны на рисунке 4.16.

Эти зависимости показывают, что без учета взаимодействия при достаточно больших (>50 с^-1) наблюдаются устойчивые релаксационные колебания Са²⁺-«часов», в то время как в интервале от 10 до 50 с^-1 проявляются как гармонические колебания, так и спонтанные переходы к высокочастотным стохастическим осцилляциям с малой амплитудой вблизи определенного среднего значения (~0.2 мкМ). Дальнейшее уменьшение параметра ( 5 с^-1) приводит к переходу осциллятора в квазиравновесное состояние.

При учете взаимодействия между каналами наблюдается стабилизация осцилляций концентрации Са²⁺ в диадном пространстве при >15 с^-1 (рис. 4.16б). Дальнейшее уменьшение параметра приводит к спонтанным переходам осциллятора в стационарное состояние, то есть к постоянному току Са²⁺ из СР.

Таким образом, в численных экспериментах, проведенных в данной работе, впервые наблюдался принципиально новый эффект с лучайной остановки Са²⁺-осциллятора. Детальный анализ этого явления показал, что он заключается в появлении в процессе высвобождения/заполнения устойчивого кластера открытых каналов (2х2, 3х2 и проч.), через который и осуществляется стационарное высвобождение ионов Са²⁺ в диадное пространство. На рисунке 4.17 приведен пример данного перехода в состояние стационарного высвобождения на графиках зависимостей и , и изображен вид решетки RyR-каналов при переходе в данное состояние (светлыми квадратами обозначены открытые, темными – закрытые каналы).

Анализ этого рисунка позволяет сделать вывод, что формирование устойчивого кластера 3х2 RyR-каналов не является мгновенным, а происходит следующим образом: каналы, неокруженные открытыми соседями, при понижении Ca _jSR в процессе высвобождения туннелируют в закрытое состояние. Вероятность туннелирования отрытых каналов с открытыми соседями достаточно мала, что приводит к появлению стабильного кластера в системе, стабильность которого обеспечивает конформационное взаимодействие между RyR-каналами.

Возвращаясь к рисунку 4.16, можно заключить, что необходимыми условиями для проявления обнаруженного эффекта являются достаточно сильное взаимодействие между соседними каналами и высокий уровень критического значения по сравнению со средним значением . В этом случае концентрация Са²⁺ в диадном пространстве не достигает критического значения, в связи с этим не происходят электронные переходы, которые способны нарушить стационарность системы.

Для объяснения причин устойчивости открытого состояния каналов в кластере на рисунке 4.18 изображены конформационные потенциалы группы шести открытых каналов и соседних закрытых. Взаимодействие между открытыми каналами приводит к перенормировке конформационного потенциала в сторону стабильности открытого состояния. В связи с этим, канал, окруженный открытыми соседями, не может быть инактивирован даже при отрицательном значении параметра эффективного давления р, так как процесс туннелирования возможен только в случае глобального минимума обратного состояния.

В связи с тем, что случайные остановки Са²⁺-«часов» ранее не наблюдались, возникла необходимость более детального исследования данного эффекта, а также изучение влияния динамических параметров на размеры и устойчивость кластеров открытых каналов.