1.7 Модели «общего пула»

Одной из самых распространенных теорий для описания процесса КВВК на протяжении долгого времени являлась так называемая «теория общего пула» [55-57]. Она основана на усреднении концентрации Са²⁺ в сарколемме и в субклеточных пространствах. В рамках этой модели огромное количество Са²⁺-высвобождающих единиц описывались одной обобщенной модельной высвобождающей единицей. При этом поток Са²⁺ через L-каналы объединен в общий стимулирующий поток, а поток высвобождающегося Са²⁺ – в общий поток высвобождения. Оба этих потока направлены в один обобщенный отдел клетки, называемый субпространством (объединенное диадное пространство), причём процесс высвобождения зависит от концентрации Са²⁺ в субпространстве. Следовательно, однажды запущенное высвобождение Са²⁺ из СР должно повышать концентрацию Са²⁺ в субпространстве по принципу "всё или ничего". Согласно этой модели количество высвободившегося Са²⁺ не зависит от величины стимулирующего мембранного тока, что противоречит экспериментальным данным [58].

С помощью этого обобщения в целом ряде других математических моделей, использующих теорию общего пула, исследователи пытались описать изменение концентрации Са²⁺ внутри клетки в течение сократительного цикла – кальциевый переход. Эти модели опирались на кинетические характеристики процессов накопления Са²⁺ во внутриклеточных структурах и взаимодействие с буферами [59, 60].

Объединение модели общего пула с интегративными моделями кардиомиоцитов позволило с хорошей степенью точности предсказать динамические процессы активности клетки [61].

Однако модель общего пула имеет ряд недостатков. В частности, она не способна описать следующие экспериментальные факты [29-33 ]:

• явление нелинейного усиления отклика высвобождающих структур СР на увеличивающийся приток Са²⁺ извне – явление градуальности.

• эффект быстрого завершения активного высвобождения после исчезновения стимула – termination.

• эффект адаптации высвобождения к повторной стимуляции.

Как уже отмечалось, запуск процесса КВВК в сердечной клетке стимулируется незначительным повышением концентрации Са²⁺ в цитозоле вследствие поступления внеклеточного Са²⁺ через L-каналы [1].

Явление градуальности отклика обнаружено экспериментально и заключается в том, что при увеличении количества Са²⁺, поступающего извне, происходит возрастание количества высвободившегося Са²⁺. Кроме того, отклик высвобождающей системы сильно зависит от скорости повышения стимулирующего Са²⁺ тока [1]. Этот феномен невозможно описать в рамках модели общего пула.

Весте с тем, целый ряд экспериментов указывает на то, что в процессе высвобождения СР после его завершения концентрация Са²⁺ в СР не падает до нулевого уровня [52]. В модели же общего пула высвобождение Са²⁺ завершается при полном опустошении СР по принципу «все или ничего».

Опираясь на данные расхождения, можно сделать вывод о неспособности модели общего пула с хорошей точностью описать динамические процессы ионов Са²⁺ в кардиомиоците.

1.8. Теория локального контроля

В связи с недостатками модели общего пула, описанными ранее, возникла необходимость разработки более обоснованных моделей электромеханического сопряжения. Изучение механизмов стимуляции высвобождения Са²⁺ посредством токов через L-каналы стало возможным с развитием экспериментальной техники, позволившей детально изучить одновременно потоки ионов Са²⁺ внутри клетки и ионные токи через L-каналы, что нашло свое применение в модели локального контроля электромеханического сопряжения [60].

В рамках этой модели утверждается, что открытие отдельного L-канала на мембране Т-тубулы стимулирует высвобождение Са²⁺ через кластер RyR-каналов малого размера, расположенный вблизи данного L-канала. Таким образом, согласно этой гипотезе происходят локальные высвобождения Са²⁺ по принципу "все или ничего", при этом кластеры RyR-каналов пространственно удалены и функционируют практически независимо друг от друга [61].

С помощью данной теории в полной мере описывается феномен градуальности высвобождения, который достигается статистическим объединением локальных событий высвобождения Са²⁺ в независимых диадных пространствах. Другими словами, в теории локального контроля основным утверждением является то, что взаимное близкое расположение L-каналов и отдельных кластеров RyR-каналов лежит в основе градуального высвобождения Са²⁺ и развития силы сокращения клетки в целом [62].

Существование локального контроля было подтверждено при проведении экспериментов с использованием конфокальной микроскопии по наблюдению локальных событий высвобождений из СР – Са²⁺-спарков [49-51].

Исследования количественных соотношений между L-каналами и RyR-каналами [4] также подтвердило предположения данной теории. Было выявлено, что соотношение числа RyR-каналов к числу L-каналов равно 1 : 2 для клеток скелетной мышцы и 1 : 6 для кардиомиоцитов.

До настоящего времени в литературе ведутся дискуссии по вопросу процесса закрытия RyR-каналов и последующего завершения процесса высвобождения Са²⁺ из СР. Как уже было отмечено ранее, эксперименты указывают на тот факт, что завершение локальных процессов высвобождения могут происходить при сохранении достаточно высокой концентрации Са²⁺ в люмене.

Существует несколько предположений касательно закрытия групп RyR-каналов в ВЕ. Одна из теорий основана на экспериментальных данных по изучению динамики изолированных RyR-каналов в липидных бислоях [34] и связана с предположением существования инактивационного состояния RyR-канала – состояние, при котором ионы Са²⁺ связываются с так называемым инактивационным центром, что приводит к переходу канала в непроводящее состояние. Переход в инактивационное состояние, как и выход из него, характеризуется достаточно малой вероятностью. Данная гипотеза была обобщена и для кластера взаимодействующих каналов в клетке в целом. В численных моделях, представленных в работах [17, 18, 25], RyR-каналы переходят в инактивационное состояние с течением времени, что и обеспечивает завершение локальных высвобождений.

Вторая гипотеза носит название стохастического истощения (stochastic attrition) канала и основана на идеях случайности переходов канала из одного состояния в другое. Предполагается, что существует вероятность перехода всего кластера в закрытое состояние. Было показано [60], что эта модель может работать с относительно небольшим количеством RyR-каналов в кластере (<10), так как с увеличением числа каналов резко падает вероятность одновременного перехода в закрытое состояние и растет время ожидания этого события. Экспериментальные данные, приведенные в [63-66], говорят о достаточно резком завершении локальных высвобождений.

Следующая теория связана с истощением люмена (luminal Ca²⁺ depletion effect) в процессе высвобождения и основана на большом количестве экспериментальных данных, подтверждающих зависимость вероятности открытия RyR-каналов от концентрации Са²⁺ в люмене [20, 21]. Как уже было сказано в разделе 1.3, вероятность пребывания канала в открытом состоянии зависит от уровня trans[Ca] в липидных бислоях, однако в живых клетках при физиологических условиях зависимость от концентрации Са²⁺ люмене не столь существенна для того, чтобы считать истощение люмена единственной причиной завершения процесса высвобождения.

На основе анализа приведенных выше гипотез можно заключить следующее: ни один из механизмов этих моделей не был признан как единственный и первоочередной. Тем не менее, при моделировании кластера RyR-каналов необходимо учитывать такие особенности, как стохастическое поведение каналов и кооперативную динамику кластера каналов. Также следует учитывать влияние ионов Са²⁺ в trans и cis-частях.