Исследование состояний ансамбля ионных каналов с помощью теории нейронных сетей АRТ2

• Автор: Пешехонов, Вадим Вячеславович
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 102 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава I. Обзор литературы
Часть 1 Анализ временных рядов
Часть 2 Искусственные нейронные сети
Часть 3 Ионтранспортные системы эритроцитов человека
Часть 4 Математические модели пассивного транспорта ионов
Глава II. Теоретическая часть
Часть 1. Метод анализа временных рядов
Часть 2. Классификация гистограмм
Часть 3. Моделирование временных рядов фиксированной длины с
заданной функцией плотности распределения
Часть 4 Анализ моделированного временного ряда
Г лава III. Экспериментальная часть
Часть 1 Материалы и оборудование
Часть 2 Классификация состояний ансамбля каналов эритроцитов человека
Обсуждение результатов
Приложение Биофизические методы в экономике
Выводы
Список литературы °
ВВЕДЕНИЕ
Транспорт ионов через биологические мембраны играет чрезвычайно важную роль в функционировании растительных и животных клеток. Жизненно важные для человеческого организма функции таких клеток как эритроциты целиком обусловлены особенностью их

мембран, в частности характеристиками систем трансмембранного транспорта ионов -ионных каналов и переносчиков ионов.
Значительные успехи в изучении функционирования ионных каналов были достигнуты с усовершенствованием экспериментального метода patch-clamp, позволяющего регистрировать активность одиночных каналов, встроенных в мембранные фрагменты малого диаметра, а также проводить измерения на мембранах живых клеток. Однако, при этом возникает биофизическая проблема определения числа каналов и структуры состояний проводимости. Не являются исключением и ионтранспортные системы клеток крови человека, большое количество работ по изучению мембранного состава и особенностей функционирования которых обусловлено особой ролью, отведенной им в процессе нормального функционирования организма. Значительное число работ посвящено исследованию ионного транспорта эритроцитов человека, физиологические функции которых сильно зависят от проницаемости клеточных мембран.
Несмотря на сравнительную несложность клеточной структуры эритроцитов, в их мембранах обнаружены все основные виды ионтранспортных систем: натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные. При исследованиях зависимости калиевой проводимости активируемых кальцием каналов от трансмембраной разности потенциалов было обнаружено два значения проводимости (Schwarz, W., R.Grygorczyk, D.Hof). Методом patch-clamp два состояния проводимости (0,5 пА и 1,7 пА) калиевых каналов (К+-каналов) обнаружены также в мембранах эритроцитов лягушки. Учитывая различия в чувствительности этих состояний проводимости к внеклеточной концентрации калия, внутриклеточной концентрации ионов
кальция и изменению объема клетки, авторы сделали вывод о существования двух типов калиевых каналов, а не одного типа с двумя подсостояниями проводимости. Ни один из существующих методов анализа не позволяет точно ответить на вопрос: один канал с несколькими -подсостояниями или несколько типов каналов с различными состояниями проводимости существуют в мембранах клеток, в частности в эритроцитах.
При исследовании поведения ансамбля ионных каналов в плазматических мембранах, функционирования ферментативных систем и т.д. анализ флуктуаций измеряемой величины является единственно доступным способом получения информации об изучаемом объекте без внесения в него существенных возмущений.
В последние десятилетия достигнуты существенные успехи в создании алгоритмов анализа временных рядов с использованием новейших методов теории нелинейных динамических систем таких как: вычисление корреляционной размерности, экспонент Ляпунова, энтропии, и т.д., которые совместно с традиционными методами статистического анализа успешно используются при первичной обработке экспериментальных данных. С усовершенствованием экспериментальных методов и техники научных исследований повышается точность и количество накопленных в опыте данных, и в тех случаях, когда человеческий мозг не в состоянии справиться с объемом информации, или точность представления данных недоступна человеческому глазу, вторичную обработку целесообразно проводить с привлечением компьютерных методов анализа.
Развитие вычислительной техники сделало возможным создание самоорганизующихся
систем классификации объектов и явлений, реализующих новейшие алгоритмы

распознавания, и способных выделять из непрерывного потока информации наиболее важную, классифицировать и регистрировать ее в долговременной памяти. Особое внимание при создании интеллектуальных систем нового поколения уделяется теории нейронных

Если в профиле канала существуют несколько потенциальных ям, то возможно состояние, при котором внутри канала находятся сразу несколько ионов. Например в работе [82] с помощью теории возмущений вычислено изменение свободной энергии системы при нахождении одного и двух проникающих ионов внутри граммицидинового канала для следующих катионов: 1л+, №+, К+, Иэ+, Сб+. Результаты вычислений позволяют сделать вывод, что нахождение одновременно двух ионов внутри канала более вероятно и энергетически выгодно для более крупных ионов. Это можно объяснить разным взаимодействием ионов с молекулами воды внутри канала. Для ионов набольших размеров нахождение одновременно двух ионов внутри канала энергетически менее выгодно, чем нахождение одного иона, в то время, как для больших ионов свободная энергия обоих состояния практически одинакова. Важным оказывается также учет взаимодействия молекул воды со структурными компонентами внутренней части канала.
3 Рассмотрение ионного транспорта в с точки зрения непрерывной диффузии Применение теории абсолютных скоростей Эйринга допустимо и целесообразно лишь в случае выраженных, явно разделенных максимумов и минимумов потенциалов энергетического профиля. Логично предположить, что в реальных системах при определенных условиях происходит уменьшение высоты барьеров. Например, когда энергетический профиль ионтранспортной системы изменяется в зависимости от линейных размеров проникающего иона, или же энергии активации, число связывающих центров уменьшается с увеличением радиуса иона. Тогда транспорт ионов целесообразно описывать с точки зрения непрерывной диффузии [83, 84]. Данный подход заключается в применении уравнения Смолуховского.
б с1 (20)
Р(х,0 = кТ/дп-5-(— + (3-)Р(х,0 ах ах ах
где Р(хД) - функция распределения ионов, С, - коэффициент трения, х - координата реакции (например, положение иона вдоль оси канала).