Электростатическая модель ионного канала глицинового

УДК 577.3(06) Биофизика
С.Е. БОРОНОВСКИЙ, Я.Р. НАРЦИССОВ
НИИ цитохимии и молекулярной фармакологии, Москва
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ИОННОГО КАНАЛА ГЛИЦИНОВОГО РЕЦЕПТОРА
Глицин является важным нейромедиатором в центральной нервной системе. В
работе предложена математическая модель ионного канала, которая позволяет
количественно описывать ионные токи. Показано, что наличие кольца из положительно заряженных аминокислотных остатков является не только определяющим
фактором ионоселективности канала, но и существенно увеличивает трансмембранный ток.
Глициновый рецептор принадлежит к большому LGIC–семейству (ligand-gated ion channel), в которое помимо него входят ацетилхолиновый,
ГАМК и 5-гидрокситриптаминовый рецепторы. Структурно рецепторы
этого класса представляют собой пентамеры, в которых 5 субъединиц
располагаются вокруг центральной поры. Открытие канала инициируется
присоединением агониста к внемембранному сайту белка, в результате
чего происходит конформационное изменение внутримембранной части
рецептора [1], причем в случае глицинового рецептора взаимодействие
глицина происходит не с одним, а с несколькими сайтами. На данный момент существует несколько принципиальных гипотез о взаимодействии
агониста и сайтов связывания, отличающихся как количеством самих сайтов, так и наличием, либо отсутствием взаимодействия между содержащими их субъединицами [2]. После связывания глицина с глициновым
рецептором, открывается канал для ионов хлора, причем за ионоселективность отвечают остатки аргинина в трансмембранном сегменте М2 [3].
При замене остатков аргинина на глутамат, глициновый рецептор становится катионоселективным [4].
Была разработана модель ионного канала глицинового рецептора на
основе электростатического взаимодействия между ионами. Упрощенно
система может быть представлена в виде двух компартментов и соединяющего их цилиндрического канала. В результате неравенства концентраций в компартментах возникает трансмембранный ионный ток направленный на выравнивание электрохимического потенциала.
Для расчета движения ионов используется приближение, в котором
рассчитывается поле, действующее на ион со стороны других ионов. После этого некий малый промежуток времени (в расчетах используется  =
= 1  10–12 с) ион движется под действием постоянного поля.
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 5
157
УДК 577.3(06) Биофизика
Уравнение движения:
m  xi  q  Ei  6    R  xi
xi 0  xi ,0 ,
xi 0  vi ,0 ; i  1..3 ,
где m – масса иона, q – заряд иона,  – вязкость раствора, R – радиус
иона.
Уравнение имеет решение в элементарных функциях:
 v m
q  Ei
q  Ei  m 
 6    R 
xi t  
 t   i ,0

 exp  
t 
2
6    R
m


 6    R 6    R  

vi ,0  m
q  Ei  m 

 xi ,0 

6    R 6    R 2 

В случае отсутствия селективного фильтра абсолютные значения катионного и анионного токов равны. При концентрациях C in = 5 ммоль/л,
Cout = 120 ммоль/л они составляют соответственно I+ = (1.84  0.16)  10–12
А; I- = (1.88  0.17)  10–12 А. При рассмотрении системы с учетом зарядоселективного фильтра, в виде 2 колец из 5 остатков аргинина расположенных на торцах цилиндрического канала, абсолютное значение катионного тока при упомянутом градиенте концентраций уменьшаются в два
раза: I+ = (0.8  0.1)  10–12 А. Следует отметить, что значение анионного
тока увеличивается на порядок (I- = (12  2)  10–12 А). Таким образом,
наличие кольца из положительно заряженных аминокислотных остатков
является не только определяющим фактором ионоселективности канала,
но и существенно увеличивает трансмембранный ток.
Список литературы
1.
Bednarczyk P., Szewczyk A., Dolowy K. Transmembrane segment M2 of
glycine receptor as a model system for the pore-forming structure of ion channels. Acta
Biochimica Polonica. 49. 869–875. 2002.
2.
Beato M., Groot-Kormelink P.J., Colquhoun D., Sivilotti L.G. Openings of
the Rat Recombinant 1 Homomeric Glycine Receptor as a Function of the Number of
Agonist Molecules Bound. J. Gen. Physiol. 119. 443–466. 2002.
3.
Connolly C.N. and Wafford K.A. Molecular Structure in Ligand-Gated Ion
Channel Function. Biochemical Society Transactions. 32. 529–534. 2004.
4.
Reddy GL, Iwamoto T, Tomich J.M, Montal M. Synthetic peptides and fourhelix bundle proteins as model system for the pore-forming structure of channel proteins. J Biol Chem. 268. 14608–14615. 1993.
158
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 5