- •Содержание
- •Глава 1. Обзор литературы 11
- •Глава 2. Построение модели. 39
- •Глава 3. Результаты численного моделирования. Активность одиночного RyR-канала при стационарных условиях 79
- •Введение
- •Глава 1. Обзор литературы
- •1.1 Механизмы сокращения клеток сердечной мышцы
- •1.2 Рианодиновый рецептор – основной элемент управления кальциевой динамикой в клетке
- •1.3 Эксперименты по изучению изолированных RyR-каналов
- •1.4 Модели функционированияRyR-каналов
- •Стохастическая динамика и электронно-конформационные взаимодействия в белках
- •1.7 Модели «общего пула»
- •1.8. Теория локального контроля
- •1.9 Моделирование активности клеток водителей сердечного ритма
- •1.9.1 Современные представления об авторитмической активности пейсмейкеров
- •1.9.3 Модель Мальцева-Лакатты
- •Глава 2. Построение модели.
- •2.1 Электронно-конформационная модель RyR-канала
- •2.1.1 Гамильтониан канала
- •2.1.2. Конформационный потенциал
- •2.1.3 Влияние уровняtrans[Ca] на форму конформационного потенциала RyR-канала
- •2.1.4. Структурные изменения канала в электронно-конформационной модели
- •2.1.5 Динамика конформационной координаты
- •2.1.6 Динамика электронной степени свободы
- •2.1.7 Инактивационое состояние RyR-канала
- •2.1.9 Эффекты туннелирования
- •2.1.10 Проницаемость RyR-канала
- •2.2.1 Электронно-конформационная модель решетки RyR-каналов
- •2.2.1.1 Гамильтониан решетки RyR-каналов
- •2.2.2 Схема динамики RyR-каналов в решетке высвобождающей единицы
- •2.2.3 Сопряжение динамики RyR-каналов с динамикой кальция в отделах высвобождающей единицы
- •2.3 Методы численной реализации модели
- •2.3.1 Метод Эйлера-Марайамы
- •2.3.2 Реализация электронных и туннельных переходов. Метод Монте-Карло
- •2.3.3 Численная схема для эк-модели RyR-канала
- •2.4 Описание программного комплекса
- •2.5 Заключение
- •Глава 3. Результаты численного моделирования. Активность одиночного RyR-канала при стационарных условиях
- •3.1 Анализ временных зависимостей конформационной координатыQ
- •3.2 Медленная конформационная динамика RyR-канала
- •3.2.1 Параметр эффективного трения г. Конформационная динамика RyR-канала
- •3.2.2 Влияние коэффициента упругости каналаK на форму конформационного потенциала
- •3.2.3 Зависимость конформационного потенциала от параметра электронно-конформационного взаимодействияа
- •3.3 Стохастическая динамика RyR-канала. Быстрые переходы
- •3.3.1 Кинетические характеристики динамики RyR-канала
- •3.3.2 Зависимость вероятности электронных переходов отcis[Ca]
- •3.4 Активация одиночного канала
- •3.5 Исследование процесса закрытия RyR-канала
- •3.6 Процесс адаптации RyR-каналов к продолжительной стимуляции
- •3.7 Динамика одиночного RyR-канала при установившемся уровне cis[Ca]
- •3.7.1 Зависимость активности RyR-канала от времени
- •3.7.2 Зависимость активности RyR-канала от уровня cis[Ca]
- •3.8 Заключение
- •4.1 Анализ модели высвобождающей единицы
- •4.1.1 Процессы открытия и закрытия каналов в высвобождающих единицах.
- •4.1.2 Анализ кооперативной динамики RyR-каналов в кластере
- •4.2.1 Высвобождающая единица как самоподдерживающийся кальциевый осциллятор
- •4.2.3 Влияние взаимодействия междуRyR-каналами на стабильность осцилляций системы
- •4.2.3 Эффект случайной остановки автоколебаний
- •4.2.3.1 Форма и устойчивость кластеров открытых каналов
- •4.2.3.2 Характерное время перехода в стационарное состояние
- •4.3 Заключение
- •Заключение
- •Список литературы
- •Основные публикации по теме диссертации
4.3 Заключение
Проведен анализ предложенной объединенной математической модели, включающей в себя электронно-конформационную теорию кластера RyR-каналов и модель Са2+-высвобождающей системы в пейсмейкерных клетках. Предложена простая схема, иллюстрирующая специфическую динамику функционирования высвобождающей единицы в клетках водителя сердечного ритма.
Численные эксперименты в рамках объединенной модели показали, что внутриклеточная Са2+-высвобождающая система при отсутствии внешнего стимула может вести себя как самоподдерживающийся кальциевый осциллятор (Са2+-«часы»). Выявлены и исследованы различные моды поведения изолированных Са2+-«часов» при различных значениях параметров модели. Отмечено, что в физиологическом режиме при повышении частоты увеличивается амплитуда осцилляций Са2+-«часов», что на молекулярном уровне объясняет принцип Боудича «чаще-сильнее» работы сердечных клеток.
Исследовано влияние кооперативности динамики взаимодействующих RyR-каналов на характер осцилляций Са2+-«часов». Показано, что взаимодействие между каналами влияет на стабильность осцилляций.
Обнаружен и исследован принципиально новый эффект внезапной остановки Са2+-«часов», связанный с недостаточно быстрым заполнением люмена СР и сильным взаимодействием между каналами в кластере ВЕ.
Заключение
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Дано дальнейшее развитие электронно-конформационной модели RyR-канала и кластера RyR-каналов на мембране саркоплазматического ретикулюма в высвобождающей единице. Впервые в ЭК-модели предложено введение дополнительного, инактивационного состояния. Предложена новая модель взаимодействия ионов Са2+ с активационным центром RyR-канала, учитывающая вероятности заполнения мест присоединения активационного центра ионами Са2+. Дана детализация модели туннельных переходов, включающая введение «зоны разрешенного туннельного перехода» вблизи минимума конформационного потенциала RyR-канала.
2. Разработан многоцелевой компьютерный комплекс, реализующий алгоритмы численного решения уравнений электронно-конформационной модели и единой модели Са2+ высвобождающей единицы, на базе которого проводились серии экспериментов по изучению динамики одиночного RyR-канала, кластера RyR-каналов и Са2+ высвобождающей единицы.
3. Впервые в рамках электронно-конформационной модели воспроизведены и объяснены основные экспериментально наблюдаемые особенности функционирования одиночного RyR-канала:
- экстремальная зависимость вероятности пребывания RyR-канала в открытом состоянии от концентрации Са2+;
- влияние ионов Mg2+ на процесс активации RyR-канала;
- эффект адаптации RyR-канала к продолжительной стимуляции.
4. Разработана единая модель Са2+ высвобождающей единицы, объединяющая электронно-конформационную модель функционирования кластера RyR-каналов с моделью динамики ионов Са2+ между отделами высвобождающей единицы.
5. Впервые в рамках ЭК-модели исследована изолированная Са2+ высвобождающая единица в клетках водителя сердечного ритма (Ca2+-«часы»). Численные эксперименты показали, что изолированная ВЕ в широком диапазоне параметров может вести себя как самоподдерживающийся кальциевый осциллятор. Выявлена различные режимы функционирования изолированной ВЕ. Отмечено, что в физиологическом режиме при повышении частоты увеличивается амплитуда осцилляций Са2+-«часов», что на молекулярном уровне объясняет принцип Боудича «чаще-сильнее» работы сердечных клеток.
7. Впервые исследовано влияние взаимодействия между RyR-каналами на стабильность работы Са2+-«часов». Показано, что включение конформационного взаимодействия между каналами приводит к стабилизации осцилляций по частоте и амплитуде.
8. Впервые обнаружен и исследован эффект случайной остановки осцилляций Са2+-«часов» при достаточно сильном взаимодействии между RyR-каналами в ВЕ.