Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

13.2. Пассивный транспорт при участии переносчиков

При исследовании пассивного транспорта растворимых в воде веществ (сахара, аминокислоты, катионы) через искусственные мембраны, целиком состоящие из молекул фосфолипидов, было обнаружено, что такое движение происходит со скоростью на несколько порядков меньшей скорости движения тех же ионов через естественные мембраны. Поэтому предполагалось, что в естественных мембранах должны быть особые вещества, облегчающие прохождение малых полярных молекул и металлических ионов через липидный слой.

Эксперименты с биологическими мембранами показали, что гипотетические переносчики обладают очень высокой селективностью. Например, переносчик, облегчающий транспорт глюкозы через мембраны, не оказывает никакого влияния на транспорт аминокислот или других сахаров.

Валиномицин, нигерицин и другие антибиотики — комплексоны — оказались одними из первых соединений, у которых была открыта способность избирательно увеличивать вероятность прохождения ионов металлов через биологические и искусственные мембраны.

Для изучения механизма проницаемости мембран часто используются искусственные биомолекулярные фосфолипидные мембраны, или бислои. Такие мембраны образуются из пленок раствора фосфолипидов в неполярном растворителе (гептан, декан, ...). Пленкой закрывается отверстие в тефлоне, разделяющем сосуд на две части. При спонтанном «испарении» пленка утончается и образует биомолекулярный двойной слой толщиной 60—80 А.

Первые данные о значительном увеличении антибиотиками проницаемости бислоев для ионов щелочных металлов были опубликованы А. А. Львом и Э. П. Бужинским [39].

Чаппель с сотрудниками в Кембриджском университете разработали метод исследования селективного ионного транспорта через мембраны с помощью измерения электрического сопротивления мембран. Двойной липидный слой закрывал малое отверстие между двумя камерами с раствором содержащим ионы

С помощью электродов, погруженных в эти камеры, измерялось электрическое сопротивление двойного липидного слоя.

Измерения показали, что удельное сопротивление двойного липидного слоя при отсутствии валиномицина в растворе составляет Оно на несколько порядков выше удельного сопротивления ) типичных биологических мембран [128].

При добавлении в раствор малых количеств валиномицина (около ) удельное сопротивление двойного липидного слоя падает на пять порядков. На эту же величину возрастает пропускная способность мембраны относительно ионов калия. В растворах NaCl, содержащих ионы добавление молекул валиномицина приводит к очень малому изменению сопротивления.

Повышение проводимости двойного липидного слоя ионами при наличии молекул валиномицина достигает стационарного значения примерно через 40 мин после введения спиртового раствора валиномицина в раствор . При этом повышение проводимости не зависит от того, присутствуют молекулы валиномицина по одну или по обе стороны мембраны. Это указывает на то, что повышение проводимости бислоя связано с растворением в нем молекул валиномицина.

В Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе Красне с сотрудниками показали, что усиление транспорта ионов валиномицином прекращается, если двойной липидный слой «замораживается» при понижении температуры. Понижение температуры приводит к снижению подвижности молекул валиномицина в липидном слое. Таким образом, эффективность действия молекул валиномицина непосредственно связана с их подвижностью в липидном слое мембраны.

Уменьшение сопротивления бислоев при растворении в них молекул валиномицина, энниатина, монамицина и некоторых других исследовалось во многих лабораториях мира. Однако, как отмечается в работе [51, с. 289], «многие проблемы, связанные с изучением механизма этого явления, и поныне остаются нерешенными».

Антибиотики валиномицин, энниатин и монатицин представляют собой циклические депсипептиды, построенные из остатков аминокислот и оксикислот, соединенных между собой амидными и сложноэфирными связями.

В основе мембранной активности валиномицина и других родственных соединений лежит способность связывать ионы щелочных металлов с образованием липофильных (растворимых в липидах) положительно заряженных катионных комплексов, которые и участвуют в переносе ионов через внутреннюю гидрофобную зону мембраны. За способность переносить ионы через мембраны их называют ионофорами.

Рис. 29.

Схема конформационного изменения молекулы валиномицина при образовании комплекса с ионом калия: О — атом кислорода; — ион калия.

Антибиотик валиномицин впервые был выделен в 1955 г. Его синтез был проведен М. М. Шемякиным в 1963 г. Молекула валиномицина представляет собой -членную замкнутую структуру (цикл), содержащую 12 аминокислот. Она легко подвергается конформационным изменениям, поэтому ее конформационное состояние зависит от природы растворителя. В метанольных и этанольных растворах валиномицин образует весьма устойчивые комплексы с ионами . В воде способность к комплексообразованию резко падает, примерно с 104 до значений 1,3; 5,9 и 0,12 л/моль. Ионы натрия не образуют комплексов с валиномицином.

Конформация валиномицина в средах различной полярности и принципы его функционирования в качестве переносчика ионов калия были установлены М. М. Шемякиным, Ю. А. Овчинниковым и их сотрудниками [51].

Оказалось, что при образовании комплексов иона с молекулой валиномицина ее форма существенно меняется. В свободной молекуле валиномицина атомы сложноэфирных карбонильных групп молекулы направлены к внешней поверхности молекулы. При образовании комплекса с ионом в молекуле возникают дополнительные ион-дипольные взаимодействия положительного иона с атомами кислорода амидных карбонилов и сложноэфирных карбонильных групп (рис. 29). Молекула принимает форму браслета диаметром около 8 А и высотой 4 А. Внутри молекулы имеется полость диаметром 2,8 А в центре которой располагается ион

Липофильная поверхность комплекса, как и свободной молекулы, объясняет их высокую растворимость в полярных органических растворителях и плохую растворимость в воде.

В комплексе иона с валиномицином последний окружен как бы жесткой сольватной оболочкой. Весьма интересно, что валиномицин не образует комплексов с ионами имеющими меньший радиус. Причина такой большой избирательности подробно обсуждается в монографии [51].

Как уже отмечалось, скорость прохождения катионов через естественные мембраны на несколько порядков выше скорости их прохождения через мембраны, состоящие только из двойного липидного слоя. При добавлении валиномицина в концентрации моль пропускная способность таких искусственных

мембран сравнивается с пропускной способностью естественных мембран. В связи с этим было сделано предположение, что в естественных мембранах также присутствуют некоторые молекулы-переносчики, которые действуют подобно молекулам валиномицина.

Существование таких естественных переносчиков пока только постулируется. Все попытки обнаружить молекулы-переносчики в биологических мембранах не привели к успеху. Возможно, что их содержание в мембранах очень мало. Возможно также, что перенос ионов в естественных мембранах осуществляется и другими способами. Высказываются мнения, что в естественных мембранах существуют молекулярные или надмолекулярные образования, которые создают в мембранах проходы или поры.

Сторонники этих взглядов допускают существование в мембране не только малых пор, пропускающих молекулы воды, но и более крупных пор с диаметром, равным пли превышающим диаметр ионов. Вероятность переноса ионов через такие поры сопряжена с дегидрацией иона при переходе его из водной среды в пору под влиянием взаимодействий ионов с группами атомов, выстилающих пору. Внутри пор катионы могут быть сольватированы нейтральными лигандными группами. Так, например, Хилл [154] предполагает, что при внедрении катиона в натриевый канал нервных мембран образуются комплексы за счет связи с шестью кислородными атомами (лигандами). Движение иона рассматривается как процесс последовательных переходов между молекулами, образующими пору.

Гипотеза о существовании каналов — пор, избирательно пропускающих катионы через мембраны, — нашла поддержку в данных, полученных при изучении мембранной активности, обусловленной антибиотиками грамицидиновой группы (грамицидины А, В, С и ).

Грамицидины А, В и С представляют собой белковые цепи весьма близкого строения. Их первичная структура образована чередующимися гидрофобными остатками L- и -аминокислот. Грамицидины А, В и С отличаются друг от друга только одиннадцатым остатком. Пептидная цепь грамицидинов имеет спиральную конформацию, которую принято называть -спиралыо.

В отличие от а-спиральных структур, где карбоксильные группы ориентированы вдоль оси спирали, в -спиралях связи соседних пептидных (амидных) групп расположены антипараллельно. группы L-аминокислотных остатков ориентированы вдоль оси спирали по направлению к С-концу, соответствующие группы D-остатков и глицина к N-концу. Боковые цепи аминокислотных остатков направлены под углом примерно 90° к оси спирали и обеспечивают ее высокую липофильность.

Грамицидины очень плохо растворяются в воде и не образуют устойчивых комплексов с ионами щелочных металлов. Однако они весьма склонны к образованию димеров.

Расположение грамицидинов в двойном липидном слое мембран не установлено. Урри предположил, что грамицидины в мембране образуют димеры, в которых свернутые в виде яцгспиралей соседние молекулы соединены «голова к голове» водородными связями между амидными концами полипептидных цепей. Такой димер представляет собой как бы полую трубу, прошивающую насквозь мембрану. Димер имеет длину, приблизительно равную толщине бислойной мембраны (30—50 А).

Предполагается, что такая «труба» и является порой (каналом) для катионов. Грамицидины существенно увеличивают проницаемость бислойных липидных мембран для ионов щелочных металлов. Проницаемость пропорциональна квадрату концентрации молекул грамицидинов в водном растворе. Это подтверждает участие димеров в механизме увеличения проводимости. В отличие от катионной проницаемости, обусловленной валиномицином, проницаемость, вызываемая молекулами грамицидина, не зависит столь существенно от того, находится мембрана выше или ниже температуры фазового перехода липидного слоя. Следовательно, механизм проводимости не связан с движением молекул грамицидина в липидном слое.

В последнее время многие ученые придерживаются мнения, что перенос ионов через мембраны осуществляется через ионные каналы — специализированные участки мембраны, включающие белковые молекулы и окружающие молекулы липидов. В качестве подтверждения такой точки зрения используют экспериментально установленную возможность блокирования транспорта ионов определенного типа ингибиторами. Так, например, транспорт ионов калия можно блокировать с помощью молекул тетразтил-аммония.

Следует, однако, иметь в виду, что блокировка транспорта определенных ионов будет происходить и в том случае, когда ионы переносятся подвижными переносчиками. Несомненно, что в переносе ионов участвуют определенные белковые молекулы. В некоторых случаях перенос ионов связан с перемещением таких молекул внутри липидного слоя, в других же случаях белковые молекулы-переносчики пронизывают всю мембрану и движение иона осуществляется внутри комплекса, образованного белковой молекулой и липидными молекулами. По-видимому, в природе реализуются обе такие возможности.

В обоих случаях изменение напряженности электрического поля внутри мембраны может приводить к конформационному изменению комплексов, участвующих в переносе ионов, и, следовательно, изменять проницаемость мембраны.

При исследовании механизма работы мембран часто используются ионофоры, увеличивающие проницаемость мембран для протонов (ионов ). К таким ионофорам относятся молекулы

2,4-динитрофенола (DNP)

молекулы, имеющие структурную формулу

кратко обозначаемые FCCP; молекулы, имеющие структурную формулу

кратко обозначаемые и некоторые другие. В приведенных формулах молекулы изображены в состояниях с присоединенным протоном в местах, указанных кружками.

Все эти молекулы являются слабыми кислотами. Они легко отдают и приобретают протоны. Без протонов и при наличии протонов они растворимы в липидном слое клеточных мембран, поэтому такие молекулы могут переносить протоны через мембраны методом облегченной диффузии, т. е. под влиянием разности протонных концентраций и электрического поля. Механизм такого переноса аналогичен механизму переноса ионов калия валиномицином.

Перенос протонов через мембраны могут осуществлять и молекулы нигерицина. Однако такой перенос они осуществляют только в обмен на ионы калия. Эта особенность молекул нигерицина обусловлена тем, что они растворяются в липидном слое мембраны, присоединив ион калия или протон.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление