Ранее изучались каналы пептида грамицидина А, ковалентно связанные друг с другом линкером [1,2], либо соединенные через белок стрептавидин в случае наличия у грамицидина А биотина на С-конце [3]. Грамицидин А – пептид, состоящий из 15 аминокислотных остатков, который образует ионные каналы в липидной мембране, формируя трансмембранный димер голова к голове. Было показано, что димеры грамицидина А, соединенные разными пептидными [1] или непептидными [2] линкерами формируют в липидной мембране ионные каналы, амплитуда которых приблизительно в два раза превышает амплитуду одиночного канала. Двойные каналы имеют целый ряд особенностей, в частности имеют продолжительное время жизни (минуты), превышающее примерно на один-два порядка время жизни исходного канала, которое составляет несколько секунд (в зависимости от условий измерения). Эта особенность получила свое объяснение в рамках представления о кооперативном влиянии соседних, т.е. расположенных рядом, каналов на упругую деформацию липидного бислоя [1-4].

Однако, другое свойство, а именно синхронность включения и выключения двойных каналов, образованных в результате взаимодействия двух одиночных каналов грамицидина, не получило должного объяснения. Наблюдение тока через мембрану имеет временное разрешение около 1 мс, и с такой точностью можно сказать, что каналы двойной амплитуды образуются одномоментно без видимой ступеньки промежуточного состояния. Точнее, такие ступеньки иногда наблюдались [1-3], однако в 40 % случаев акты открывания-закрывания двойных каналов были одномоментными. Трудно представить себе, что это обусловлено соответствующей структурой, позволяющей формировать латеральные комплексы с такими кинетическими характеристиками. Двойные каналы наблюдаются только в случае вышеперечисленных искусственно-коньюгированных пептидов, причем они имеют очень разную структуру. Действительно, двойные каналы наблюдались как на пептидах с двумя разными видами линкеров [1,2], так и при коньюгировании пептидов через стрептавидиновый мостик [3]. Это заставляет думать о какой-то другой причине синхронизации открывания-закрывания двух рядом расположенных каналов. В настоящей работе мы высказываем гипотезу о возможной причине такой синхронизации, основанной на феномене, который известен для других физических систем. Мы предполагаем, что синхронизация работы двух каналов обусловлена существованием общих колебательных мод, связанных с конформационной подвижностью в этих двух близко расположенных каналах. Упрощенно говоря, речь идет об аналогии с двумя гармоническими осцилляторами с сильной связью между ними.

В данной работе мы рассматриваем модель, в которой два проводящих канала могут взаимодействовать с коллективной ядерной модой, например с конформационной модой, создающей связь между ними и, таким образом, способствующей их смешиванию. Если предположить, что константа связи зависит от медленно меняющейся конформационной координаты, то можно объяснить (1) синхронное включение двух каналов; (2) долгоживущий характер состояния с двойной проводимостью; (3) образование короткоживущих состояний с одиночной проводимостью перед открытием двойного канала; и (4) закрытие двойного канала через те же короткоживущие одиночные состояния.

Мы предполагаем, что данное явление наблюдается не только с каналами грамицидина, но и с другими каналами, такими как каналы аламетицина и сирингомицина. Эти каналоформеры известны своей способностью формировать как каналы минимальной проводимости, так и каналы больших размеров, причем размеры этих каналов строго определены в данных условиях. Обычно считается, что большие каналы имеют больший размер благодаря участию большего количества мономеров пептидов в формировании стенки такого канала, то есть предполагается, что размер полости больших каналов растет с увеличением числа мономеров [5]. Однако более поздние работы показали, что как в случае аламетицина [6] так и в случае сирингомицина [7], размер пор больших и малых каналов одинаков. Можно предположить, что в данном случае тоже может иметь место одновременное открывание одиночных каналов в кластерах, как это наблюдается в двойных каналах грамицидина. Поскольку оба пептида являются природными, то можно предположить, что в данном случае формирование сильной связи между мономерами, приводящее к синхронизация их работы, может быть обусловлено структурными особенностями этих каналов. Такая модель предполагает, что каналы, скажем, аламетицина представляют из себя агрегат кластеров пептида, каждый из которых способен образовывать канал минимальной проводимости, однако в результате сильного взаимодействия с соседями происходит объединение открытых состояний, причем такие открытые состояния могут быть разной величины в зависимости от числа вовлеченных в них одиночных каналов.



1. R.L. Goforth et al., J. Gen. Physiol. 121 (2003) 477-493.



2. L. Al Momani et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 328 (2005) 342-347.



3. T.I. Rokitskaya et al., J. Gen. Physiol. 121 (2003) 463–476.



4. M.B. Partenskii, et al., J. Phys. Chem. 118 (2003) 10306-10311.



5. R. Latorre & O. Alvarez, Physiol. Rev. 61 (1981) 77-150.



6. Y.A. Kaulin, et al., Biophys. J. 74 (1998) 2918-2925.



7. S.M. Bezrukov & I. Vodyanoy, Biophys. J. 64 (1993) 16-25.

The pentadecapeptide gramicidin A (gA) is known to form an ion channel via head-to-head transmembrane association of two monomers. Earlier, dimers of synthetic gA analogues, with monomers either covalently linked [1,2] or connected via the binding of their biotin tags to the same avidin or streptavidin molecule [3] were studied. The conductance of these channels was found to be approximately twice the conductance of a single channel. The dual channels were long-lived, with the lifetime (minutes) being approximately one or two orders of magnitude longer than the lifetime of the original channel (several seconds, depending on the conditions), which was explained by the cooperative influence of neighboring, i.e., adjacent channels, on the elastic deformation of the lipid bilayer [1-4].

However, another property, namely, the synchronous switching on and off of doublechannels formed as a result of the interaction of two single gramicidin channels, was not fully understood. The current through the membrane was measured with a time resolution of about 1 ms. With such accuracy it can be said that double-conductance channels are formed simultaneously without a visible intermediate step. More precisely, such steps were sometimes observed [1-3], however, in 40% of events, the acts of opening-closing of double channels were simultaneous. Here, we used the ideas of the theory of excitons to hypothesize on a possible reason for such synchronization. We assume that the synchronization of the two channels is due to the existence of common vibrational modes associated with conformational mobility in these two closely spaced channels. To make it more clear, we are talking about the analogy with two harmonic oscillators with a strong coupling between them. We consider a model in which two conducting channels can interact with a conformational mode, which creates coupling between them and thus promotes their mixing. If we assume that the coupling constant depends on a slowly changing conformational coordinate, then we can explain (1) the synchronous switching on of the two channels; (2) the long-lived nature of the double-conductance state; (3) the formation of short-lived states with single conductance before the opening of the double channel; and (4) closing of the double channel via the same short-lived single states.

It can be proposed that the phenomenon of synchronous channel opening could take place not only with gA analogues, but also with some other channel-forming peptides, such as alamethicin and syringomycin, which are known for their ability to form channels of minimal conductance along with large (high-conductance) channels [5,6]. It is generally accepted that the conductance of the large channels is higher because of the involvement of an increased number of peptide monomers in the formation of the channel wall [5], thereby suggesting an increase in the internal pore dimensions. However, evaluation of the channel dimensions from water-soluble polymer exclusion revealed almost the same pore size for small and large channels of both alamethicin [7] and syringomycin [6]. These data could be explained by simultaneous opening of a number of single channels forming a cluster, similar to gA dual channels. It can be assumed that strong coupling of alamethicin single channels of minimal conductance with neighbouring ones leads to formation of collective open states, which may have different conductances depending on the number of single channels involved in the cluster.



1. R.L. Goforth et al., J. Gen. Physiol. 121 (2003) 477-493.



2. L. Al Momani et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 328 (2005) 342-347.



3. T.I. Rokitskaya et al., J. Gen. Physiol. 121 (2003) 463–476.



4. M.B. Partenskii, et al., J. Phys. Chem. 118 (2003) 10306-10311.



5. R. Latorre & O. Alvarez, Physiol. Rev. 61 (1981) 77-150.



6. Y.A. Kaulin, et al., Biophys. J. 74 (1998) 2918-2925.



7. S.M. Bezrukov & I. Vodyanoy, Biophys. J. 64 (1993) 16-25.