The Lie Group Basis of Neuronal Membrane Architecture: Why the Hodgkin-Huxley Equations Take Their Form
George Fox University(乔治福克斯大学)
本文通过李群理论证明Hodgkin-Huxley方程的数学结构源于基本对称性,揭示其门控变量、指数依赖性和动力学本质。
2026-01-21 physics.bio-ph
Ion Transit Pathways and Gating in ClC Chloride Channels
ClC氯离子通道具有同源二聚体结构,其中每个单体含有独立的氯离子通路。ClC通道门控受氯离子浓度、pH和电压调节。基于结构和生理学证据,已经提出选择性过滤器的细胞外末端上的谷氨酸残基充当快速门。我们利用一种新的搜索算法,结合静电信息,探索通过野生型和突变型细菌ClC通道的离子转运途径。氯离子渗透途径的检查支持谷氨酸残基在门控中的重要作用。一个外部的氯离子结合位点先前假定在生理实验中位于附近的一个保守的碱性残基相邻的门。此外,发现质子迁移到门的通路,使pH值控制在超极化膜电位。pH依赖性门控机制需要选择性过滤器中的氯离子。
2004-01-07 physics.bio-ph physics.chem-ph
A Primitive Model for Predicting Membrane Currents in Excitable Cells Based Only on Ion Diffusion Coefficients
本研究提出一种仅基于离子扩散系数的可兴奋细胞膜电流预测原始模型,通过耦合电扩散过程实现钠通道自然启闭,无需经验电压门控参数即可匹配巨乌贼轴突实验数据。
2025-02-21 physics.bio-ph q-bio.CB
Collective response of self-organised clusters of mechanosensitive channels
机械敏感通道是由膜张力激活的离子通道。我们研究了细菌机械敏感通道的空间分布对激活(门控)的影响。弹性短程相互作用的基础上,我们将这个物理过程映射到一个类似伊辛的模型,这使我们能够预测集群的通道和集群对它们的门控的影响。我们的结论是,聚合的渠道和随之而来的相互作用,它们之间的导致一个全球性的合作门控行为与潜在的戏剧性后果的细胞。
2011-01-02 physics.bio-ph q-bio.SC
Nonlinear conductance, rectification and mechanosensitive channel formation of lipid membranes
有越来越多的证据表明,脂质双层显示导电性能。然而,当解释生物膜对电压变化的电响应时,它们通常被认为是惰性绝缘体。然而,在电压钳条件下的脂质双层不仅显示电流轨迹与离散的传导步骤无法区分的蛋白质通道的存在下。在电流-电压(I-V)图中,它们也可以显示向外整流,即,电压门控令人惊讶的是,这甚至在化学对称的脂质双层中也观察到了。在这里,我们调查这种现象,使用一个理论框架,模型电压对脂膜的电致伸缩效应的存在下,自发极化,这可以通过电压偏移在电气测量中识别。它可以由膜的不对称性引起,例如由膜的非零自发曲率引起。这种弯曲可以由经由挠曲电效应的电压引起,或者由跨膜的流体静压差引起。在这里,我们描述的I-V关系形成的贴片移液器位于靠近水表面的尖端处的脂质膜。我们在相对于空气/水面的不同深度进行测量,从而导致跨膜的不同压力梯度。观察到线性和非线性I-V曲线。非线性传导始终采取向外整流电流的形式。我们解释了两种机制的电导特性:一个泄漏电流与恒定的电导没有孔,和第二个过程,这是由于电压门控孔开放与通道样传导步骤的外观相关。在某些情况下,这些非线性I-V关系显示dI/dV为负的电压状态。这也是先前在钠通道存在下观察到的。...
2020-08-07 physics.bio-ph
Derivation of Hodgkin-Huxley equations for a Na+ channel from a master equation for coupled activation and inactivation
神经和肌肉膜中的Na+电流可以根据激活变量m(t)和失活变量h(t)来描述,其取决于Na+通道结构域DI至DIV中的每一个的S4传感器的转换。Na+电流的时间依赖性以及m(t)和h(t)满足的速率方程可以从主方程的解推导出来,该主方程描述了调节Na+通道电导的两个或三个激活传感器之间的耦合以及两阶段失活过程。如果关闭或打开状态的失活率随着S4传感器激活而增加,则可以导出打开状态概率的Hodgkin-Huxley表达式的更一般形式,其中m(t)取决于激活和失活过程。失活和失活恢复的速率函数的电压依赖性与经验确定的表达式是一致的,并表现出去极化和超极化钳电位的饱和。
2016-06-16 physics.bio-ph
Lipid bilayer mediates ion-channel cooperativity in a model of hair-cell mechanotransduction
内耳中的机械电转导是听觉和平衡感的生物物理过程。参与这一过程的关键参与者是机械敏感离子通道。它们位于毛细胞的静纤毛中,并通过专门的分子弹簧的张力打开,尖端链接,连接相邻的静纤毛。当通道打开时,尖端链接放松,降低发束刚度。这种门控顺应性使毛细胞对小刺激特别敏感。门控顺应性的经典解释是单个通道的构象重排直接缩短了尖端连接。然而,为了使基于这种机制的理论模型与实验数据相一致,需要对通道进行不切实际的大的结构改变。实验证据表明,每个尖端链接是一个二聚体分子,平均与其下端的两个通道相关。它还表明,脂质双层调节通道门控,虽然目前还不清楚如何。在这里,我们设计和分析的mechanotransduction模型,其中每个尖端链接连接到两个通道,膜内移动。它们的状态和位置通过膜介导的弹性力耦合,所述弹性力由通道的疏水核心和脂质双层之间的相互作用产生。这种耦合引起通道的协同打开和关闭。该模型再现的毛细胞mechanotransduction的主要特性,只使用现实的参数约束的实验证据。这项工作提供了一个深入了解膜介导的离子通道协同性可以在感觉生理学中发挥的基本作用。
2017-12-22 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
Ion channels in critical membranes: clustering, cooperativity, and memory effects
本文提出状态依赖性脂质亲和力统一解释离子通道的聚集、协同性与滞后现象,并通过临界膜模型揭示脂筏驱动的长程相互作用和电流记忆效应。
2024-01-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Reduction of a kinetic model for Na+ channel activation, and fast and slow inactivation within a neural or cardiac membrane
Na+通道门控的一个15态动力学模型描述了三个激活传感器之间的耦合,一个两阶段的快速失活过程和缓慢失活状态,可以通过应用多尺度方法简化为一个六态系统的方程。通过根据激活和快速失活变量来表达闭合状态和开放状态的占据概率,并且假设激活具有比失活更快的弛豫并且激活传感器相互独立,动力学方程可以进一步简化为用于激活的速率方程,以及描述尖峰频率适应的耦合的快速和缓慢失活,神经膜中的重复爆发振荡和具有平台振荡的心脏动作电位。快速失活速率函数通常取决于激活变量m(t),但可以通过电压依赖函数来近似,并且进入缓慢失活状态的速率函数取决于快速失活变量。
2018-12-31 physics.bio-ph q-bio.SC
Nonlinear drift-diffusion model of gating in the fast Cl channel
离子通道的开放或闭合状态区域的动力学可以由满足福克-普朗克方程的概率密度$p(x,t)$来描述。从具有非线性扩散系数$D(x) \propto \exp(-γx)$、$γ> 0$和线性斜坡电位$U_c(x)$的Fokker-Planck方程导出的闭合状态停留时间分布$f_c(t)$与实验数据吻合良好,并且可以分析地示出,如果$γ$足够大,则中间时间的$f_c(t) \propto t^{-2 - ν}$,其中$ν= U_c^{\prime}/γ\approx -0.3$用于快Cl通道。近似于Fokker-Planck方程的主方程的解表现出叠加在幂律趋势上的振荡,并且可以解释适用于几个离子通道的经验速率-振幅相关性。
2014-07-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanosensitive Channel Activation by Diffusio-Osmotic Force
对于离子通道门控,两种不同构象状态的出现以及它们之间的离散转换是必不可少的,因此对所有生物体都至关重要。我们发现,两个结构元素,通常存在于细菌机械敏感通道,即带电前庭和疏水收缩之间的物理相互作用,创建两个不同的构象状态,开放和关闭,以及它们之间的门控。我们解决了非平衡Stokes Poisson能斯特普朗克方程,扩展到包括一个分子的平均力的潜力,并表明,一个一阶之间的转换的封闭和开放状态自然产生的扩散渗透应力所造成的离子和水的通道内和弹性回复力从膜。我们提出的门控机制可能对广泛的离子通道,以及仿生通道和离子通道靶向治疗是重要的。
2014-03-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Collective Properties of the Exactly Solvable Model of Ion-Channel Assemblies in a Biological Cell Membrane
提出了跨细胞膜形成的离子通道系统的行为。首先引入具有无限耦合的无限数量的通道作为详细推导热平衡概率分布和相变分类的参考点。接下来讨论有限系统中的涨落。我们提出了一个新的,阶梯状的离子通道切换模型,我们提供的分析结果。并给出了该模型与实验的关系。最后,借助精确对角化技术对有限通道数膜的主方程进行了数值分析。特别是,亚稳态溶液的衰减时间估计。所得结果与微扰法所得结果不一致,用所提出的冻结扩散法解释了这一差异。
2002-03-29 physics.bio-ph physics.gen-ph q-bio
Voltage dependence of rate functions for Na+ channel inactivation within a membrane
Na+通道的失活发生在结构域DIV的带电S4片段的激活之后,随后是细胞内疏水基序的结合,其阻断通过离子孔的传导。Na+通道失活的电压依赖性通常取决于每个域DI至DIV的S4传感器的速率函数。如果调节Na+通道电导的单个电压传感器的激活耦合到两阶段失活过程,则失活和从失活恢复的速率函数以及Na+电流在变量m(t)和h(t)方面的时间依赖性可以从相互依赖的激活和失活的主方程的解导出。速率函数具有与Hodgkin-Huxley经验确定的表达式一致的电压依赖性,并且表现出去极化和超极化钳位电位的饱和。
2015-10-20 physics.bio-ph q-bio.NC
Physical properties of voltage gated pores
单离子通道的实验在很大程度上促成了我们目前对细胞膜功能的看法。在这些实验中,主要的观测量是物理量:离子浓度、膜静电势和离子通量,它们都表现出很大的波动。Goldman-Hodking-Katz的经典理论假设开放通道可以很好地描述为物理孔隙,其中离子遵循统计物理学。然而,真正的分子通道是具有开放和封闭动力学状态的活性孔。通过跳过真实通道的分子复杂性,在这里,我们提出了两个活性孔模型的内部结构和校准。这些模型提出了一组最小的自由度,特别是离子位置和门状态,它遵循朗之万方程从一个独特的势能泛函,并通过使用统计物理的标准规则。对这两种模型进行了数值模拟,结果表明它们的动力学性质与Na和K分子通道的实验结果非常接近。特别是一个显着的影响,外部离子浓度上的门控动力学的预测,这是与以前的实验观察。这种方法可以扩展到具有更具体现象学的其他通道类型。
2018-04-16 physics.bio-ph
Voltage dependence of Hodgkin-Huxley rate functions for a multi-stage K channel voltage sensor within a membrane
在电压箝位期间在两个连续阶段中激活$K^+$沟道传感器可以被描述为布朗粒子在状态之间具有两个大势垒的能量景观中的移位。用于S4电压传感器的势函数的方阱近似的Smoluchowski方程的解满足主方程,并且具有可以根据前向和后向速率函数确定的两个频率。当较高频率项具有小幅度时,解简化为速率方程的松弛,其中导出的两状态速率函数取决于每个阶段的前向速率($α$和$γ$)和后向速率($β$和$δ$)的相对幅度。特别地,可以通过假设第一级的速率函数相对于第二级的速率函数-- $α\gg γ$和$β\gg δ$--大来导出$K^+$通道的Hodgkin-Huxley速率函数的电压依赖性。对于{ \em Shaker} IR $K^+$通道,第一向前和向后转变是速率限制的($α< γ$和$δ\ll β$),并且对于具有两个或三个阶段的激活过程,导出的两状态速率函数也具有与针对鱿鱼轴突确定的形式类似的电压依赖性。两级$K^+$离子通道和非失活$Na^+$离子通道之间相互作用产生的电位变化,在$K^+$离子通道活化时间较小时,由$K^+$离子通道活化的主方程和离子电流方程决定,如果$β\ll δ$和$α\ll γ$同时存在,系统可能在尖峰之间表现出小幅度振荡,或混合模式振荡。
2014-10-21 physics.bio-ph q-bio.NC
Modeling magnetosensitive ion channels in viscoelastic environment of living cells
我们提出并研究了一个假设的磁敏离子通道模型,该模型长期以来被认为是解释弱磁场对生物体(从趋磁细菌到鱼类、鸟类、大鼠、蝙蝠和包括人类在内的其他哺乳动物)影响的可能候选者。该模型的核心是由磁小体作为传感器的短链提供的,该传感器通过弹性连接器耦合到离子通道的门控元件,从而在细胞膜中形成小簇。磁传感器的一端固定在附着于膜的细胞骨架元件上,并暴露于粘弹性胞质溶胶。它的自由端可以响应外部磁场的变化而在粘弹性的胞质溶胶中随机和亚扩散地重新定向,并打开耦合离子通道的门。传感器的动态特性通常是不稳定的,这是由于门的双稳态,它可以处于两种状态,其概率取决于传感器的方向。对于现实的参数,它示出,该模型通道可以在地球的磁场为一个小数目(5至7)的单域磁小体构成的传感器棒,其中每个具有典型的大小中发现的趋磁细菌和其他生物体,甚至只是一个足够大的纳米粒子的特征尺寸也发现在自然界中。结果表明,由于介质的粘弹性,在打开和关闭状态下,通道的停留时间一般呈现幂律和拉伸指数分布。这提供了一个通用的物理机制,用于解释这种异常动力学的起源,为其他离子通道的传感器移动在粘弹性环境中提供的细胞质或生物膜,在一个相当普遍的情况下,超出了迷人的假设磁敏离子通道,我们探索。
2015-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Quantum entanglement in the voltage dependent sodium channel can reproduce the salient features of neuronal action potential initiation
我们调查的量子纠缠制度内的离子传导分子(离子通道)的神经细胞质膜上传播神经脉冲(动作电位)的起始动力学的影响。特别是,我们的模型中的霍奇金赫胥黎方程作为三个类似的,但独立的概率机制,成为量子纠缠的钠电流的起始参数。基础物理学是一般的,并且可以涉及在传导期间作为离子过渡态或“门控态”基础的各种自由度之间的纠缠,例如不同通道位置中的Na $^+$离子,或者离子与通道蛋白质的子区域内衬的原子的不同“亲和力”状态(“过滤态”)。我们发现,结合纠缠系统状态的“量子校正的”Hodgkin Huxley方程可以再现具有Naundorf等人最近在体内新皮层神经元中观察到的临界起始动力学的动作电位脉冲[Nature { \bf 440},1060(2006年4月20日)]。有趣的是,所建议的纠缠项也可以减慢动作电位的启动。
2007-12-10 physics.bio-ph
A Quantum-mechanical description of ion motion within the confining potentials of voltage gated ion channels
电压门控通道蛋白在神经细胞之间的膜电位传递中合作。随着原子尺度生物化学的最新进展,现在已经确定这些通道蛋白提供高度相关的原子环境,即使在温暖的温度下也可以保持电子相干性。在这里,我们展示了薛定谔方程的解决方案,代表了一个单一的钾离子在周围的羰基偶极子在Berneche-Roux模型的细菌\textit{KcsA}模型通道的相互作用。我们表明,根据周围的羰基衍生的潜力,碱金属离子可以成为高度离域的蛋白质在温暖的温度下的过滤器区域。我们提供的离子的动能的时间演变的估计取决于它们与其他离子的相互作用,它们的位置内的蛋白质过滤器区域的氧笼,并取决于周围的羰基不同的振荡频率。我们的研究结果提供了第一个证据表明,需要量子力学性质来解释一个基本的生物学特性,如跨膜离子电流中的离子选择性和对门控动力学的影响,并在电可兴奋细胞中形成经典电导。
2012-06-04 physics.bio-ph q-bio.NC