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

13.3. Молекулярный механизм мембранной активности валиномицина

Усиление избирательной способности транспортировки ионов щелочных металлов через мембраны с помощью переносчиков обусловлено тремя процессами: 1) узнаванием переносчиком иона и

его захватом в мембрану; 2) перемещением иона через всю толщу мембраны; 3) освобождением иона на другой стороне мембраны.

Исследования с помощью искусственных липидных мембран показали, что эти процессы осуществляются с помощью молекул валиномицина и родственных ему молекул.

Каков же возможный механизм переноса ионов молекулами валиномицина в таких мембранах? Высказываемое иногда предположение о том, что эти ионы переносятся через мембрану в виде комплексов по механизму прямого прохождения, согласно которому комплексы ионов образуются и распадаются в водных растворах, мало вероятно по трем причинам: 1) способность к комплексообразованию у молекул валиномицина в водном растворе в 104 раз меньше, чем в липидном слое; 2) вследствие плохой растворимости молекул валиномицина в воде их концентрация в водном растворе на несколько порядков меньше, чем в липидном слое; 3) для достижения стационарного значения проводимости мембраны требуется около 40 мин, в течение которых концентрация молекул валиномицина в липидном слое достигает высоких значений.

В силу указанных причин более вероятно, что происходит гетерогенная реакция комплексообразования, при которой молекулы валиномицина, локализованные в мембране, связывают ионы из водного раствора.

В отношении механизма движения ионов в липидном слое мембраны также нет единого мнения. Допускаются две возможности: 1) ионы перемещаются в липидном слое вместе с молекулами валиномицина в виде комплексов; 2) ионы перемещаются в липидном слое по механизму «эстафетной передачи», согласно которому эти ионы перескакивают с одной молекулы на другую.

Против второго механизма перемещения ионов можно выдвинуть несколько возражений. Из-за большого потенциального барьера, связанного с выходом ионов в неполярную среду, переход ионов от одной молекулы валиномицина к другой в гидрофобной среде возможен только при их непосредственном соприкосновении. Следовательно, молекулы валиномицина в мембранах должны образовать «проводящие цепочки». Вследствие теплового движения такие цепочки будут разрушаться. Поэтому проводимость мембраны по механизму эстафетной передачи имела бы большое значение при низких температурах. Эксперимент же показывает, что при снижении температуры проводимость уменьшается и практически исчезает, когда липидный слой становится жестким — «замерзает».

Температурная зависимость ионной проницаемости мембран, содержащих молекулы валиномицина, указывает, что основной

механизм движения ионов обусловлен диффузионным движением под влиянием разности концентраций ионов на границах мембраны и приложенной к мембране разности электрических потенциалов.

Для описания движения комплексов через мембрану предлагались различные модели, отличающиеся допускаемым характером движения ионов. Различные авторы рассматривали процесс перемещения комплексов внутри мембраны либо как диффузионное движение через изотропную среду, характеризующуюся соответствующим коэффициентом диффузии, либо как прохождение через одиночный потенциальный барьер особой формы.

Например, в работе Холла с сотрудниками для феноменологического описания некоторых экспериментальных свойств прохождения ионов через мембраны вводился потенциальный барьер трапецеидальной формы с высотой и шириной плоской части, равной 0,7 толщины мембраны.

При других феноменологических описаниях свойств мембран, содержащих молекулы валиномицина, использовались модели в виде электрических цепочек, образованных последовательно соединенными сопротивлениями, величина которых выбиралась обратно пропорциональной скорости переноса ионов через границы и внутреннюю зону.

В экспериментах по исследованию влияния валиномицина на электрическое сопротивление липидных мембран обычно измеряется ток, проходящий через мембрану при определенной разности потенциалов и одинаковой концентрации ионов на ее поверхностях. В этом случае комплексы перемещаются в мембране только под влиянием электрического поля.

Если разность потенциалов равна нулю, то при пренебрежении кулоновским взаимодействием между комплексами движение комплексов в мембране будет определяться разностью их концентраций на поверхностях мембраны. Роль переносчиков ионов в этом случае можно описать следующим образом.

Пусть вблизи поверхностей 1 и 2 мембраны концентрации ионов соответственно равны при Молекулы валиномицина равномерно распределены по объему мембраны с концентрацией С. На поверхности 1 ионы захватываются и освобождаются молекулами валиномицина так же, как поглощаются и испаряются молекулы воды на поверхности раздела вода — насыщенный пар. Тогда концентрация комплексов (валиномицин и ион ) на поверхности 1 будет

где — параметр, характеризующий вероятность комплексообразования на поверхности 1.

Такие же процессы захвата и освобождения ионов происходят на поверхности 2, поэтому концентрация комплексов на этой поверхности

Разность концентраций комплексов на обоих сторонах мембраны приводит к их диффузионному движению от поверхности 1 к поверхности 2.

Плотность потока комплексов и, следовательно, ионов определяется выражением

где D — коэффициент диффузии, зависящий от температуры; I — толщина мембраны. При таком диффузионном переносе ионов через мембрану концентрация молекул валиномицина внутри мембраны не меняется.

В некоторых случаях один ион может переноситься несколькими молекулами-переносчиками. Этот вид транспорта описан в работах [45, 47].

В настоящее время существует мнение, что в природных биологических мембранах перенос многих ионов осуществляется через специальные белково-липидные образования, вкрапленные в отдельные участки мембраны и пронизывающие ее насквозь. Эти каналы высокоселективны. Поэтому приходится вводить отдельно натриевые, калиевые, кальциевые и другие каналы. Необходимость введения большого числа весьма разнообразных каналов при отсутствии экспериментальных данных о возможности их выделения из мембраны несколько обесценивает представление об их реальном существовании. С другой стороны, подавление активности мембраны сравнительно малым числом молекул ингибиторов (некоторые яды) говорит в пользу их существования. Однако процесс ингибирования не противоречит и гипотезе о подвижных переносчиках.

Движение ионов в канале сводится к замене гидратной оболочки иона на сольватную оболочку полярных групп, выстилающих внутренность канала, к перемещению вдоль канала с помощью «эстафетного или прыжкового» механизма и замене сольватной оболочки на гидратную на выходе из канала.

До настоящего времени не установлены состав и структура предполагаемых каналов. Поэтому делаются попытки моделирования каналов на основе малообоснованных предположений о числе, высоте и расположении потенциальных барьеров по длине канала. Многочисленные модели этого типа рассмотрены в литературе.

Одним из недостатков феноменологических теорий пассивного транспорта ионов через специализированные ионные каналы в

мембранах является то, что описание пассивного транспорта ионов проводится в отрыве от активного транспорта тех же ионов.

В связи с мозаичной структурой биологических мембран, на поверхностях которых выступают колонии молекул белков, гликопротеинов и гликолипидов, возникает вопрос о возможности моделировать их электрическими двойными слоями с постоянными потенциалами на поверхностях.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление