钾离子通道的门控动力学研究

第26卷第4期贵州大学学报(自然科学版)VoL 26 No. 42009年8月Journal of Guizhou University( Natural Sciences)Aug.2009文章编号1000-5269(2009)04-0029-02钾离子通道的门控动力学研究李芳芳·,彭仕政(贵州大学理学院物理系,贵州贵阳550025)摘要:以钾离子单通道门控机理的分析为前提,探索钾离子通道门控动力学马尔科夫过程的模型,并选出相对简单的模型。通过马尔科夫基本方程推导出单通道记录中的开放持续时间和关闭持续时间的概率密度函数关键词:离子通道;门控机理;马尔科夫过程;概率密度函数中图分类号:Q615文献标识码:A目前,离子通道的研究已成为分子生物学、2钾离子通道门控建模分子药理学、生物物理学和神经生物学等多学科研大多数研究者认为通道的门控行为可以用马究的热点,大多数离子通道对离子都具有选择性,尔科夫过程来刻画, colquhoun等在通道马尔科夫而同时对其特异性离子又通道的活动是一个随机的随机过程理论方面贡献卓越建立了通道活动的过程,为了从数量上刻画通道蛋白的门控特性以及马尔科夫模型,他们假定通道活动表现为少数几种为一些相关的实验数据提供一个理论框架,从二十关闭状态和少数几种开放状态的转移状态间的转世纪八十年代初起,在国际上就开始了离子通道门移速率仅仅依赖于当前的状态,不依赖于该状态时控动力学的建模研究,本文主要从通道的马尔科夫间的长短,即先前状态的历史过程来论述,首先,介绍一下在研究中要遇到的叶江鸿等人利用片膜钳技术成功地在大鼠肾些主要的问题进而根据马尔科夫的基本方程推导上腺髓质瘤无性繁殖出单通道的概率密度函数。录到电导为50KS的电压门控性钾离子通道电1离子通道流],并根据实验中所观察到的开放时间、首次开离子通道是可兴奋细胞组织膜上的特殊大分放潜伏期、开启与关闭的动力学特点,提出了以下子蛋白质在其某些构象中形成具有选择性的孔动力学模型洞,处于开放状态,允许一种或多种离子通过,形成离子电流;而另一些构象中却不存在孔洞,处于关C1C2闭状态,不产生离子电流,因此,离子通道门控行为表现为不断的开放与关闭。流经离子通道的电流其中C表示关闭状态,0表示开放状态,下标具有两状态特征,它是振幅恒定,而开关持续时间表示序号;k(j=1,2,3,…,8)为状态间的转移不定的脉冲变化的结果。相应的单通道记录在两速率.随后又考虑到短促开放可能在生理上无重个电导水平1(对应开放)和0(对应关闭)之间随大作用,去掉了代表短开状态的O2,模型成为机交替变化,由开放与关闭持续时间序列组成。可是,当把通道门控动力学归结为开、关两个状态相C2 0, C3互转换的齐次马尔科夫模型时,却不能很好地拟合单通道记录,而需要将其作为有多个开、关状态的以上模型从某些方面反映了钾离子通道的动连续时间平稳马尔科夫过程来建模,我们称这个过力学特性程为通道门控的潜在马尔科夫过程中国煤化工简单的动力学模CNMHG收稿日期:200-07-11作者简介:李芳芳(1983-),女山西长治人,硕士研究生主要从事生物细胞膜离子通道方向的研究,Email:shanxilifan123@yahoo.com,emn通讯作者:李芳芳,Email;shanxilifanl23@yahoo.com.en贵州大学学报(自然科学版)第26卷型三种状态的马尔科夫过程C1代表未与激动剂结合时通道的关闭状态,C2代表与激动剂结合后通f(=∑(a)p(=)道仍然关闭的状态,O3代表与激动剂结合后开放式中的概率密度函数是有限个指数项的线性的状态,存在以下状态间的转移模式:组合,其中T是潜在马尔科夫过程中第j个(开或关)状态的平均持续时间,N0、N分别表示开、关状03态的个数。3讨论k是从状态i到状态j的转移速率。由于穿过膜的电流的跃变转移C2←→O3在实验中是可以本文是基于理论研究,依据相关的实验观察观察到的;而有关激动剂结合与分离的转移C寻求钾离子通道门控动力学的适当模型。如前所→C2中没有电导水平的变化是观察不到的,单述单通道记录不能区别潜在马尔科夫过程处于同通道记录反映出来的只是C1,C2的连续持续时间电导水平的状态及其转移方式,由此产生的不确为此,我们可以把状态分为两类{C1,C2}和定性使得不同的研究者在研究的早期阶段对同一O3}离子通道可提出多种(马尔科夫框架下的)动力学马尔科夫过程在各个状态的持续时间服从指模型数分布。由此可知,单通道记录中开放或关闭时间随着科学研究水平的进一步提高,方法学研究般是几个开放或关闭状态的联合态为了求得开的进一步深入研究者分析认识能力的提高有可放(关闭)持续时间的分布我们从马尔科夫过程能会提出更为准确地描述门控动力学的模型。本的基础方程出发:文只是研究上述问题的初步探索。dPdt p(t)Q参考文献:式中P是转移概率矩阵Q是强度矩阵,研究1叶江鸿,樊菁肾上腺髓质瘤无性繁殖细胞延时整流钾离子通和实际过程相应的变更是随机过程,在变更过程中道的门控动力学[中山医科大学学报,1991,12(4):250开放(关闭)是吸收态。利用这种处理方法,并假(2]安海龙张素花,韩英荣等钾离子通道布朗动力学研究]定精细平衡法则( law of detailed balance)成立,我原子核物理评论,2005,12(4):416-418们推导出单通道记录中的开放持续时间和关闭持[3]刘向明胡性车,方积乾Pc12细胞钾离子通道门控动力学续时间的概率密度函数随机建模与参数评估(1)[]生物数学学报,1996,11(2):56)=∑(ar)esp[4]赵会仁,石中陆细胞膜离子通道的动力学模型[J].锦州医学院学报,1996,17(5):53-5The Study of Potassium Ion Channel Tating KineticsLI Fang-fang, PENG Shi-zhengDepartment of Physics, Guizhou University, Guiyang 550025, ChinaAbstract: Taking the study of gating mechanism of potassium channel as the basis, this article approaches modeling method of Markov process of gating mechanism, and selects the relatively simple model. Through the basiMarkov equation the probability density function of single-channel, open duration and close duration were de-Key words: ion channel; gating mechanism; Markov Process中国煤化工CNMHG