Ионный канал как динамическая структура

Если один из участков связывания в канале заполнен, то поступление в свободный участок второго иона будет затруднено в связи с необходимостью дополнительных затрат на преодоление энергии кулоновского взаимодействия с уже находящимся в канале ионом. Попадание иона в левую потенциальную яму приведет к повышению энергетического барьера, соответствующего переходу иона из раствора в правую потенциальную яму (Рис ниже)

при учете кулоновских взаимодействий вид энергетического профиля зависит от положения и числа ионов в канале. В связи с изменением высоты барьеров изменяются и константы скорости перехода через отдельные барьеры.

константа скорости, соответствующая поступлению второго иона в канал, будет равна (ФОР 6)

где W — энергия кулоновского взаимодействия: расстояние между потенциальными ямами

*1^оа=*1 (РИС 2)

Зависимость энергетического профиля от заполнения ка­нала при учете кулоновских взаимодействий

fel — константы поступления иона в раствор, &2 — константы вы­хода иона из раствора. Верхние индексы соответствуют разным состояниям канала с разным заполнением участков связывания

При изменении числа частиц в канале энергетические профили изменяются таким образом, что вход второго иона в канал по сравнению с входом пер­вого затрудняется, а выход второго иона из канала, напротив, идет очень легко. Подробный анализ модели показывает, что кулоновское ионное взаимодействие значительно ускоряет общий ионный транспорт через канал.

Высота барьеров может претерпевать динамические изменения не только за счет кулоновских взаимодействий ионов в канале, но и в результате конформационных перестроек белка, формирующего ионный канал, которые могут иници­ироваться перескоками иона между отдельными участками связывания.Сильное электрическое поле иона, попадающего в канал, вызывает поляризацию и перео­риентацию близлежащих полярных групп.В результате появления такого конформационно неравновесного состояния смещается уровень потенциальной энергии в
участке связывания и изменяется высота ближайших барьеров Особенно важное значение могут иметь циклические изменения конформации мембранных белков, обусловленные биоэнергетическими процессами. Такие перио­дические конформационные перестройки протекают, по-видимому, в АТФазе энер-госопрягающих мембран в процессе ее функционирования, в цитохромах при изме­нении их окислительно-восстановительного состояния, в бактериородопсине гало-фильных бактерий при возбуждении хромофорной группы. Это обстоятельство послужило основой для гипотезы о том, что системы активно­го транспорта ионов, использующие энергию света, АТФ или разности редокс-по-тенциалов, представляют собой трансмембранный ионный канал с регулируемой высотой энергетических барьеров

Флуктуации проводимости мембраны.

Электрические флуктуации в мембранах обусловлены изменением числа от­
крытых каналов вследствие случайных процессов их формирования и распада.
Анализ флуктуации проводимости позволяет оценить две основные характеристики
канала: среднее время жизни канала в открытом состоянии и проводимость оди­
ночного канала.

Суммарная проводимость мембрана определяется статистическим наложением проводимости отдельных каналов, каждый из которые может находиться с опре­деленной вероятностью в закрытом или открытом состояниях.

Переход канала между открытым О и закрытым R состояниями представляет собой в кинетическом отношении реакцию первого порядка с вероятностями закрытия q и открытия р в единицу времени. Среднее статистическое время пребывания одиночного канала в открытом состоя­нии то обратно пропорционально вероятности его перехода в закрытое состояние q, T0= 1/q

(ФОР 7)

по экспоненциальному закону

nj(y)=n(с чертой)o-n(с чертой)o-n⁰_o – exp[-(p+q)t]

где по — равновесное, п_о 0(которое с О и 0)— начальное значения величины по] среднее время до­стижения равновесных значений п с - о и пR в макроскопической системе составляет ти=1/(p+q)

При обычных температурах происходят флуктуации числа открытых и за­крытых каналов около их равновесных значений, соответствующие флуктуациям проводимости мембраны.

небольшие спонтанные флуктуации будут затухать с характерным временем

т = 1/(р + q).

РИС 3

Изменение проводимости мембраны как функция времени

Если значение проводимости мембраны в момент t рав­но g(t), то через небольшой промежуток времени значение проводимости ^(£ + т) будет иметь близкую величину; иначе

говоря, величина в момент времени (t + т) будет «коррелировать» с величиной в момент време­ни t. Однако через достаточно большой промежуток времени уже невозможно предсказать ве­личину g(t + x), основываясь на ее первоначальной величине g(t), т.е. g(t + т) и g(t) становятся полностью независимыми

Причина флуктуации состоит в том, что макроскопический ток через мембра­ну есть результат наложения микроскопических токов, идущих через одиночные каналы, которые ведут себя стохастически и открываются и закрываются с опре­деленной вероятностью.

значение проводимости флуктуирует вокруг нуля (т.е. проведено вычитание среднего значения). Значение авто­корреляционной функции при х — 0, по определению, равно дисперсии флуктуиру­ющего сигнала а²