Одной из характеристик, которую можно измерить для каналов, является их ВАХ. ВАХ канального родопсина—это зависимость стационарного тока от приложенного к клеточной мембране напряжения посредством электродов. ВАХ зависит от состава растворов, в которых производятся измерения.
В этой части вы будете обрабатывать экспериментальные данные снятые для канального родопсина, который пропускает положительные одновалентные ионы: натрий, калий и водород.
В приложении даны зависимости силы тока, проходящего через мембранные канальные родопсины при включении света, от времени для трех разных растворов, омывающих измеряемую клетку. Концентрации ионов во внеклеточной жидкости в трех случаях:
1. $\mathrm{[H]}$ = $10^{-7.5}$ моль/л (pH=7.5), $\mathrm{[Na]}$ = 140 ммоль/л, $\mathrm{[K]}$ = 0 ммоль/л, $\mathrm{[Cl]}$ = 140 ммоль/л
2. $\mathrm{[H]}$ = $10^{-7.5}$ моль/л (pH=7.5), $\mathrm{[Na]}$ = 0 ммоль/л, $\mathrm{[K]}$ = 140 ммоль/л, $\mathrm{[Cl]}$ = 140 ммоль/л
3. $\mathrm{[H]}$ = $10^{-6.0}$ моль/л (pH=6.0), $\mathrm{[Na]}$ = 0 ммоль/л, $\mathrm{[K]}$ = 0 ммоль/л, $\mathrm{[Cl]}$ = 140 ммоль/л
Внутриклеточный раствор задается раствором, который наливается в пипетку. Он во всех трех экспериментах одинаковый:
$\mathrm{[H]}$ = $10^{-7.5}$ моль/л (pH=7.5), $\mathrm{[Na]}$ = 110 ммоль/л, $\mathrm{[K]}$ = 0 ммоль/л, $\mathrm{[Cl]}$ = 110 ммоль/л
\textbf{Напряжение, при котором плюс находится внутри клетки, считается положительным. Сила тока, при котором положительно заряженные частицы текут изнутри клетки наружу, считается положительной.}
Другой характеристикой, описывающей канальные родопсины, которую можно измерить, является проницаемость для разных ионов. Проницаемости для $\mathrm{Na}, \mathrm{K}$ и протонов будем обозначать $P_\mathrm{Na}; P_\mathrm{K}; P_\mathrm{H}$. Проницаемость является характеристикой мембраны с каналами: она зависит от количества каналов, но не зависит от омывающих мембрану растворов. Отношение же проницаемостей для двух разных ионов не зависит от количества каналов и является наиболее фундаментальной характеристикой канальных родопсинов.
Проницаемость входит в уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца, которое связывает ток через мембрану с напряжением на ней:
$$
J(u)=\cfrac{z^2e^2u}{kT} \cfrac{P_{out}c_{out}-P_{in}c_{in}\,\mathrm{exp}\left(\cfrac{zeu}{kT}\right)}{1-\mathrm{exp}\left(\cfrac{zeu}{kT}\right)}
$$
где $J$ — сила тока, $u$ — приложенное к мембране напряжение, $e$ — элементарный заряд, $z$ — зарядовое число пропускаемого иона, $k$ — постоянная Больцмана, $T = 24~{}^\circ\mathrm{C}$ — температура во время проведения эксперимента, $P_{out}$ и $c_{out}$ — проницаемость и концентрация для иона, который находится во внеклеточном растворе, $P_{in}$ и $c_{in}$ —проницаемость и концентрация для иона, который находится внутри клетки.
Считайте, что за время эксперимента, составы растворов снаружи и внутри клетки
остаются неизменными.
Другой фундаментальной характеристикой канальных родопсинов является их спектр действия. Спектр действия — это зависимость заряда проходящего через клеточную мембрану с каналами от длины волны возбуждающего света.
Для измерения спектра действия канального родопсина, исследуемую клетку облучают ультракороткими вспышками лазера (продолжительностью 5 нс; импульсы содержат одинаковое количество фотонов на вспышку для разных длин волн) и измеряют ток (см. рис 4).
Заряд q, проходящий через мембрану, считается за время полузатухания тока. Полученная зависимость $q(\lambda)$ нормируется на максимальное значение заряда $q_\max = q (\lambda_\max)$.
Одной из важнейших характеристик канальных родопсинов является их селективность. Селективность — это способность пропускать ионы только определенного типа. Селективность может быть разной: могут через канал пропускаться только положительные или только отрицательные ионы, или может пропускаться, например, только натрий (или калий, или любой другой ион). Селективность определяется внутренним устройством белка.
Рассмотрим эксперимент с другим канальным родопсинов (см. рис. 6, графики, данные в пунктах А-С, не имею к нему отношения).
В этом эксперименте составы растворов следующие:
Омывающий: pH=7.5, $\mathrm{[Na]}$ = 200 ммоль/л, $\mathrm{[K]}$ = 0 ммоль/л, $\mathrm{[Cl]}$ = 200 ммоль/л
Внутриклеточный: pH=7.5, $\mathrm{[Na]}$ = 100 ммоль/л, $\mathrm{[K]}$ = 0 ммоль/л, $\mathrm{[Cl]}$ = 100 ммоль/л
