Кинетические модели активации и инактивации ионных каналов
Обнаружив, что временной ход активации натриевых и калиевых каналов лучше всего описывается экспонентами, возведенными в третью или четвертую степень (m в степени 3 и n в степени 4), Ходжкин и Хаксли предположили, что активация и инактивация объясняется независимым перемещением трех или четырех заряженных частиц внутри мембраны. Например, можно предположить, что для открытия канала необходимо, чтобы деполяризация вызвала смещение спиралей S4 во всех четырех субъединицах, составляющих калиевый канал . Можно также предположить, что смещение по крайней мере трех подобных структур необходимо для активации натриевого канала . Далее, можно допустить, что как минимум одно подобное смещение связано с инактивацией. Подобная параллельная модель была предложена Кейнесом.
Предположение о том, что в процессе активации канала задействовано четыре отдельных события (таких, как смещение S4), дает возможность говорить о 16-ти различных состояниях канала:
- без смещения (одно состояние),
- одно из четырех возможных смещений (четыре состояния),
- два из четырех (шесть состояний),
- три из четырех (четыре состояния) и
- все четыре смещения (одно состояние).
Если все переходы между состояниями независимы и кинетически идентичны, то количество возможных состояний сокращается до пяти:
- без смещения,
- смещение в одной области,
- смещение в двух областях,
- смещение в трех областях и
- смещение в четырех областях.
Таким образом, переход из закрытого в открытое состояние будет выглядеть следующим образом:
С4 <--> С3 <--> С2 <--> С1 <--> О,
где С4 - состояние канала в покое, С3 и т. д. - серия закрытых состояний при деполяризации, а О - открытое состояние. Для натриевых каналов необходимо добавить состояние инактивации.
Исследования как одиночных каналов, так и токов от целой клетки показали, что инактивация натриевых каналов не зависит от того, побывали ли каналы предварительно в открытом состоянии. Переход в состояние инактивации (I), таким образом, может произойти как из открытого, так и из закрытого состояния:
С4 <--> С3 <--> С2 <--> С1 <--> О, а
I <--> С1 и I <--> О.
Разными авторами были предложены многочисленные модификации данной схемы, включающие большее или меньшее количество переходов, а также несколько инактивированных состояний. Отличие этих схем от модели Ходжкина и Хаксли состоит в том, что процессы активации и инактивации проходят через несколько общих состояний, а не протекают параллельно и независимо, как показано выше. Кроме того, хотя переходы из одного состояния канала в другое и должны быть потенциалзависимы, это вовсе не обязательно для окончательных переходов в активированное или инактивированное состояния.
Сколько в действительности различных состояний канала? Достоверно это не известно, хотя есть основания полагать, что в процессе активации натриевого канала происходит как минимум три отдельных перемещения заряда. Конти и Штумер пришли к такому выводу на основе опытов по измерению воротных токов в больших участках мембраны в конфигурации cell-attached (так называемые " макро-пэтчи "). Каналы были экспрессированы в ооцитах Xenopus путем инъекции РНК натриевых каналов, полученной из мозга крысы. Величину единицы заряда, переносимого воротным током, рассчитали на основе средних значений для большого количества индивидуальных воротных токов. Метод напоминает расчет величины тока одиночных каналов путем измерения шума ( глава 2 ): соотношение среднего и вариации (разброса) пропорционально амплитуде одиночных событий. Подсчитанная величина элементарного заряда, переносимого воротным током, составила 2,3 заряда электрона (2,3е). Полный заряд, переносимый одним каналом, можно оценить на основе угла наклона кривой активации ( рис. 6.7 В): чем больше заряд исследуемой структуры, тем меньше величина изменения потенциала, требующаяся для изменения конформации этой структуры. На основе этого соображения было подсчитано, что при активации происходит перенос заряда величиной от 6е до 8е, т.е. в три раза превышающего элементарный заряд, переносимый воротным током. Примечательно соответствие данных результатов первоначальной модели активации, предложенной Ходжкиным и Хаксли. Конти и Штумер отметили, что наиболее привлекательной интерпретацией их результатов будет предположение о том, что перенос заряда связан с тремя из четырех субъединиц, в то время как инактивация связана с взаимодействием между ними и четвертой субъъединицей. Разумеется, данные исследования не принимают во внимание возможные переходы в промежуточные состояния, поскольку последние никак не проявляются электрически.
Обобщим вышесказанное. Кинетические модели указывают на то, что в результате деполяризации запускается цепочка последовательных конформационных изменений, ведущих, в конечном итоге, к открытию канала. Точное описание этих изменений не представляется возможным, однако в наиболее общем виде их можно себе представить ( глава 3 ). Были сделаны первые шаги в определении того, с какими группами аминокислот в молекулах натриевого и калиевого каналов связана их инактивация. По мере того, как совершенствуется наше понимание молекулярной анатомии этих каналов, несомненно, будут установлены новые структурно-функциональные связи.
