Signatures of protein structure in the cooperative gating of mechanosensitive ion channels
膜蛋白使周围的脂质双分子层变形，这可以导致相邻蛋白质之间的膜介导的相互作用。使用机械敏感通道的大电导（MscL）作为一个模型系统，我们展示了所观察到的蛋白质结构的差异如何影响膜介导的相互作用和膜蛋白之间的协同性。我们发现，不同的寡聚状态的MscL导致不同的网关状态的MscL的聚类，并预测签名的MscL的结构和空间组织的MscL的合作门控。我们的建模方法建立了观察到的形状和膜蛋白的合作功能之间的定量关系。
2016-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Ion channel gating: a first passage time analysis of the Kramers type
电压门控钾离子通道的开放速率表现出特征性的膝状周转，其中常见的指数电压依赖性突然变为线性。这种令人困惑的交叉提出了一个随机的首次通过时间分析的解释。该理论预测，指数电压依赖性与封闭停留时间的指数分布相关。当通道主要关闭时，该特征在大的负电压下发生。与此相反，电压依赖性的线性部分出现在一起的非指数分布的封闭停留时间随着电压的增加，产生一个大的开放率。取决于参数集，封闭时间分布显示出幂律行为，该行为持续了几十年。
2001-11-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Continuum gating current models computed with consistent interactions
神经和肌肉的动作电位信号是由电压敏感通道产生的，这些通道包括一个专门的装置来感知电压。现在已知电压传感器的门控电流取决于带正电荷的胆碱通过电压传感器域的疏水塞的来回运动。由跨膜电位的变化引起的这些永久带电的丝氨酸的瞬时运动进一步拖动S4区段并通过移动S4-S5接头诱导离子传导孔的打开/关闭。离子传导孔是与电压传感器分离的装置，通过S4-S5连接器的机械运动和电场变化连接（以未知方式）。这种移动的永久电荷在各处感应电容电流。在电压传感器中，所有的东西都与其他东西相互作用，所以所有的东西都必须与其数学模型中的其他东西相互作用，就像整个蛋白质中的所有东西一样。一个PNP-立体模型的C4段和一个机械模型相结合，使用能量变分法，其中所有的运动的电荷和质量满足守恒定律的电流和质量。由此产生的一维连续体模型用于计算与实验情况相对应的各种条件下的门控电流。基于常微分方程的化学反应型模型不能用一组参数来捕捉这种相互作用。事实上，它们可能无意中违反电流守恒。电流守恒是特别重要的，因为小的违反（<0.01%）迅速（<< 10-6秒）产生破坏分子的力。我们的模型再现了门控电流的特征：（1）门控电流中的开和关电荷相等（2）QV曲线中的饱和电压依赖性和（3）门控电流作为电压函数的形状的许多（但不是全部）细节。
2017-07-09 physics.bio-ph
Simulation of gating currents of the Shaker K channel using a Brownian model of the voltage sensor
钾通道电压依赖性门控的物理机制通常采用分子动力学模拟进行理论研究，但这种方法不仅计算量大，而且目前还不能完全预测通道门控的基本变量的行为，为了填补这一空白，我们提出了一个电压门控模型，将S4段视为布朗粒子在我们的模型中，S4段上的电荷通过位于通道蛋白的其他段上的带电残基和前庭中存在的离子来筛选，前庭的动力学使用通量守恒方程来评估。通过将泊松方程应用于系统中存在的所有电荷来一致地评估静电电压空间分布。将S4片段作为布朗粒子的处理允许使用朗之万随机微分方程来替代地描述单个S4片段的动力学，或者使用福克-普朗克方程来描述用于评估宏观门控电流的S4片段群体的行为。所提出的模型证实了门控电荷转移假说，与5个不同的稳定位置之间的门控电荷不同地与通道蛋白上的带负电荷的残基相互作用的S4段的运动。这种行为导致宏观门控电流显示与实验发现的特性非常相似的特性，包括非常快的分量，然后是在高去极化电压下具有明显上升相的较慢分量。
2018-09-14 physics.bio-ph
From Brownian Dynamics to Markov Chain: an Ion Channel Example
提出了一般多离子通道的离散速率理论，其中离子扩散的连续动力学被简化为马尔可夫离散状态之间的跃迁。在开放通道中，离子渗透过程涉及三种类型的事件：离子进入通道、离子从通道逸出或离子在通道中的不同能量最小值之间跳跃。连续的动态导致一个层次的福克-普朗克方程，索引通道占用。由此可以计算出平均逃逸时间和分裂概率（表示离子从哪一侧逃逸）。通过将这些与马尔可夫模型的相应表达式相等，可以确定马尔可夫转移率。该理论说明了一个双离子单阱通道。并与布朗动力学模拟和Fokker-Planck方程的稳态概率进行了比较。还研究了通道的电导率，并计算了最大化离子通量的最佳几何形状。
2012-06-28 physics.bio-ph
Lipid-mediated hydrophobic gating in the BK potassium channel
本研究通过分子模拟与自由能计算揭示BK通道中环形脂质进入孔道窗孔、诱导蒸汽泡形成的疏水门控机制，并解释Ca²⁺调控及阻断剂可及性实验。
2024-05-07 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Rate equations for a Na+ channel gating master equation during the action potential within a neural membrane
神经膜中的动作电位由Na+和K+通道离子电流产生，所述离子电流可以从电流方程和激活变量m和n以及Na+失活变量h的速率方程计算。假设Na+通道具有三个激活传感器，并且激活和失活是协同过程，当第一失活状态的占据概率小并且其余失活状态贡献于总失活状态时，描述通道门控的十二状态主方程可以简化为五状态系统的动力学方程。在独立激活传感器的情况下，失活速率通常取决于激活变量m（t）以及正向失活转变速率。然而，当m（t）具有比h（t）更快的时间常数时，失活速率可以通过电压依赖性函数来近似，因此，动作电位期间主方程的解可以通过m和h的Hodgkin-Huxley速率方程的解来近似。
2017-11-07 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
Study of Selectivity and Permeation In Voltage-Gated Ion Channels
离子通道是一种膜蛋白，具有广泛的生物学功能。离子选择性和渗透是基于简单的物理和化学定律。因此，离子通道是物理研究的理想候选者。一个简化的模型产生的电压门控L-型钙通道的选择性在广泛的离子条件下，使用只有两个参数不变的值。这个简化模型的成功背后的原因进行了调查。进行蒙特卡罗模拟，研究在宽范围的离子条件下侧链的灵活性在钙通道的选择性中的作用。结果表明，氧离子的确切位置和迁移率对钙通道的选择性行为几乎没有影响。钙通道中选择性的一阶决定因素是选择性过滤器中的电荷密度。灵活性似乎是一个二级决定因素。进行单通道平面脂质双层实验以确定大肠杆菌的细菌外膜通道NanC的选择性、渗透性和唾液酸特异性。NanC表现出随施加电压极性、阴离子选择性和电压门控而变化的大的单位电导。在缓冲液HEPES的存在下，NanC的单位电导显著降低。检测替代缓冲液。结果表明，NanC的唾液酸特异性应在低浓度盐溶液中进行，而无需调节至中性pH 7.0的pH缓冲液。Neu 5Ac改变了门控并显著增加了NanC的离子电导。Neu 5Ac对通过NanC的单位电流的影响在较高Neu 5Ac浓度下饱和。有趣的是，Neu 5Ac降低了OmpF的离子电导：观察到频繁的长闭合。因此，在大肠杆菌中，唾液酸易位由NanC特异性促进，而不是由OmpF促进。
2012-06-13 physics.bio-ph
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
Atomic Biology, Electrostatics, and Ionic Channels
我相信，如果我们要设计和理解蛋白质，以及定义，制造和使用它们，就需要原子生物学来补充当今的分子生物学。论文的主题是分子生物学和原子生物学。明渠中的电扩散。混合电解质中的电扩散。渗透模型。渗透的状态模型与电场不一致。做原子生物学的模型。分子动力学。时间限制;空间限制;周期性边界条件。明渠模型的层次结构。通道的随机运动。朗之万动力公司反应路径的模拟：Permion。化学反应。怎么了？回到等级制度：奥卡姆剃刀可以割断你的喉咙。Poisson-Nernst-Planck PNP模型通量比;场耦合泵浦。在一种构象的通道中进行门控。场开关选通;选通电流;分支通道选通;阻塞。回到层次结构：链接级别。有什么理论吗？在什么水平上进行调整？简单、进化和自然功能。
2013-05-15 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Multiple solutions of steady-state Poisson-Nernst-Planck equations with steric effects
测量通过单个蛋白质通道的电流的实验显示不稳定的电流。通道在一个自发的随机过程（称为门控）中在“打开”或“关闭”状态之间切换。一旦通道打开，电流要么（几乎）为零，要么处于确定的水平，这是每种蛋白质的特征，与时间无关。具有空间效应的稳态Poisson-Nernst-Planck方程（PNP-空间方程）在各种条件下都能很好地描述通过明渠的稳态电流。在这里，我们研究的存在多个解决方案的稳定状态PNP立体方程，看看他们自己，没有修改或增广，可以描述两个层次的电流。本文证明了（a）三种离子种类（两种阳离子和一种阴离子）带正的恒定永久电荷和（b）四种离子种类（两种阳离子和它们的反离子）带恒定永久电荷但无符号条件的PNP空间方程存在两个定态解。与这两个稳态的解决方案的过剩电流（由于空间位阻效应）的推导和表达为两个不同的公式。我们的结果表明，PNP-立体方程可能成为一个有用的模型来研究离子通道的自发门控。自发门控被认为涉及通道蛋白中的小的结构变化，其可能在决定离子流的自由能分布中产生大的变化。已知门控由外部结构调制。两者都可以包括在我们目前分析的未来扩展中。
2014-07-31 math-ph math.AP math.MP
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
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
Stochastic Dynamics of Electrical Membrane with Voltage-Dependent Ion Channel Fluctuations
建立了Hodgkin-Huxley（HH）电化学膜系统的布朗棘轮随机理论。该系统的特征在于一个连续变量$Q_m(t)$，代表移动膜电荷密度，和一个离散变量$K_t$代表离子通道构象动力学。当多个导电离子有一个共同的反转电位时，得到一个能斯特-普朗克-奈奎斯特-约翰逊平衡。细致平衡产生了以前未知的通道转换速率和膜电容之间的关系，绕过Eyring型显式处理的门控电荷动力学。从分子结构的角度来看，膜电荷$Q_m$是一个更自然的动态变量比潜在的$V_m$ ;我们的形式主义对待$Q_m$依赖的构象转变速率$λ_{ij}$作为内在参数。因此，原则上，$λ_{ij}$与$V_m$是实验方案依赖性的，例如，不同于电压或电荷箝位测量。对于恒定的膜电容每单位面积$C_m$和忽略膜电位引起的门控电荷，$V_m=Q_m/C_m$，HH的形式主义恢复。两种类型的离子的存在下，具有不同的通道和反转电位，引起一个非平衡稳态与正熵产生$e_p$。对于快速波动的通道，获得了$e_p$的表达式。
2014-04-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Cooperative and Inhibitory Ion Transport in Functionalized Angstrom-Scale Two-Dimensional Channels
本文研究了埃尺度乙酸酯功能化MoS2二维通道中的协同与抑制性离子输运，成功在人工系统中重现了生物离子通道的复杂门控与相互作用行为。
2024-10-11 physics.bio-ph physics.chem-ph
Internal friction as possible key factor governing the thermosensitivity of TRP channels
热激活瞬时受体电位（TRP）通道是哺乳动物温度感觉的分子基础。但他们的门控的分子来源仍然未知。在这封信中，我们提出了一个基于物理的模型的TRP通道，并表明，温度依赖性的“内部摩擦”可以是一个关键因素控制的离子通道门控。计算机建模的结果使我们能够成功地再现在不同温度和电压下TRPV1和TRPM8通道的开放概率Popen的实验数据。
2021-09-11 physics.bio-ph q-bio.QM
Effect Of Site Selective Ion Channel Blocking on Action Potential
在这项工作中，我们已经从理论上研究了如何在离子通道阻滞剂的存在下，通过适应Gillepie的随机模拟技术上的一个非常基本的神经元的霍奇金-赫胥黎型的动作电位的产生及其相关的内在特性的影响。通过对Hodgkin-Huxley Markov模型的简单扩展，我们主要研究了三种类型的药物阻断机制，并表明主要的实验和生理观察结果，例如离子电流、尖峰频率趋势、动作电位形状和持续时间的变化、门控动力学的改变等。由于离子通道阻滞剂的存在，可以很好地重现。在钠和钾通道阻滞剂存在下的动作电位终止过程的性质是不同的，并且在生理上彼此非常不同。通道阻滞剂对离子电流有不同的特征。在仅存在钠通道阻滞剂的情况下，动作电位产生的频率随着药物亲和力的增加而呈指数下降，而相反，对于仅钾通道阻滞剂，最初发现动作电位的尖峰活性增强，随后随着药物亲和力的增加尖峰频率逐渐降低。在具有相等钠和钾通道结合亲和力的双重类型阻断剂的情况下，由于通道数量波动与总体钠和钾电导之间的竞争，加标频率通过最大值和最小值。我们发现钠通道阻滞剂缩短动作电位时程，而钾通道阻滞剂延迟动作电位时程，我们还展示了离子通道阻滞剂如何改变门控动力学。通过我们的定点结合方案，验证了在不同体系中离子通道阻断的一些实验结果。
2018-10-01 physics.bio-ph q-bio.NC q-bio.SC
A quantized physical framework for understanding the working mechanism of ion channels
提出了一个量子化的物理框架，称为五锚模型，用于理解离子通道的工作机制。根据该模型的假设，每个锚点都有两个基本的物理原理：电子跃迁引起的极性变化和静电力引起的相互排斥和吸引。因此，许多独特的现象，如快速和缓慢失活，随机门控模式和恒定电导的一个单一的离子通道，电和光刺激（光遗传学），神经传导阻滞和动作电位的产生之间的差异，成为这个物理模型的内在特征。此外，该模型还为我们以前的C-P理论中用于计算电刺激结果的概率方程提供了基础。
2018-08-04 physics.bio-ph q-bio.NC
Quantum Tunneling Enables High-Flux Transport in Ion Channels
Tsinghua University（清华大学）；National Innovation Institute of Defense Technology（国防创新研究院）；Peking University（北京大学）
本研究通过量子隧穿机制揭示离子通道中高通量运输的量子效应，为理解生物离子通道的物理机制提供了新视角。
2026-03-07 physics.bio-ph physics.optics
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
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
Electrostatic determinants of voltage sensitivity in ion channels: Simulations of sliding-helix mechanisms
通过电压门控离子通道的电信号依赖于电压传感器（VS）的功能，其被鉴定为电压门控K通道的S1-S4结构域。在这里，我们调查一些物理方面的滑动螺旋模型的VS使用模拟的基础上VS收费，线性闪烁和全身运动。采用边界元法求解了电压箝位边界条件下的模型静电问题。的静电构型能量的统计机械后果的计算，以获得洞察的滑动螺旋机制，并预测实验测得的合奏性能，如门控电荷所施加的电压位移。这些后果和系综性质的变化进行了研究：S4配置（α-和3（10）-螺旋），内在的反电荷，蛋白质极化率，几何形状的门控通道，屏蔽S4电荷的浴，和蛋白质电荷位于浴界面。我们发现，滑动螺旋VS具有固有的静电稳定性，其功能作为VS是强大的参数空间探索。最大电荷位移受到几何形状的限制，特别是S4电荷和反电荷在弱电介质区域重叠的移动范围。在生理电压范围内电荷重排的陡度对静电能的景观很敏感：<2 kT的能量差异具有实质性后果。能源格局的这种变化是由测试的模型特征的所有变化产生的。滑动螺旋VS可以传递到通道的其他部分的每单位电压的自由能的量（电导电压灵敏度）受到最大位移电荷和电压引起的电荷再分布的陡度（传感器电压灵敏度）的限制。
2011-12-13 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
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
