2.4. Ионофоры

Пассивное движение ионов (в особенности катионов) через барьеры, целиком состоящие из липидов, протекает со скоростью, которая на несколько порядков меньше, чем скорость движения этих ионов через естественные мембраны, такие, как мембрана эритроцитов. Проницаемость искусственных липидных мембран для катионов может возрасти на несколько порядков в присутствии определенных органических молекул, называемых ионофорами. В число последних входит группа макроциклических антибиотиков, выделенных из микроорганизмов, а также ряд синтетических соединений со свойствами, близкими к свойствам природных ионофоров.

Рис. 26. Строение молекулы нонактина и комплекс, образованный этой молекулой с ионом К⁺. Структура комплекса стабилизована 8 координационными связями между кислородными атомами ионофора (изображены белыми кружками) и ионом К⁺

Некоторые соединения, относящиеся к этой группе (так называемые нейтральные ионофоры), не содержат ионизируемых групп. Это циклические полипептиды и линейные полипептиды (грамицидины), циклические молекулы, состоящие из чередующихся аминокислот и аα-оксикислот [валиномицин (рис. 27) и энниатины], макроциклические структуры, включающие четыре лактоновых кольца (макротетролиды), и некоторые синтетические циклические полиэфиры. Многие из этих соединений образуют стабильные комплексы с ионами щелочных металлов. Рентгеноструктурный анализ таких комплексов показывает, что катион входит во внутреннюю полость молекулы ионофора, причем образовавшаяся структура стабилизируется за счет 6-8 координационных связей между кислородными атомами ионофора и ионом металла (рис. 26). Неполярные группы ионофора направлены наружу, так что ион кажется заключенным в мешок с полярным содержимым и неполярным внешним чехлом. Некоторые ионофоры проявляют высокую избирательность к одним ионам по сравнению с другими. В этом отношении особенно характерно поведение валиномицина, который связывает ионы К⁺ в 10 000 раз эффективнее, чем ионы Na^+*.

^* (Валиномицин представляет собой один из ценнейших инструментов для изучения ионного транспорта через биологические мембраны. Большой вклад в изучение этого ионофора внесли советские ученые. Так, химическое строение валиномицина, его конформация в средах различной полярности и принципы функционирования в качестве К⁺-специфического переносчика были установлены М. М. Шемякиным, Ю. А. Овчинниковым и их сотрудниками. Открытие ионофорной активности валиномицина на искусственных мембранах является заслугой ленинградского исследователя А. А. Льва. В структурном отношении к валиномицину примыкает другая группа антибиотиков, так называемые энниатины. Обладая значительно меньшей специфичностью, чем валиномицин, они способны осуществлять трансмембранный перенос катионов разных валентностей и различных размеров. Подробно сведения о ионофорах приведены в книге Ю. А. Овчинникова, А. М. Шкроба и В. Т. Иванова "Мембрано-активные комплексоны", изд-во "Наука", М., 1975. - Прим. ред.)

Некоторые ионофоры, такие, как нигерицин и ноненсин, имеют нециклическую природу и несут концевую карбоксильную группу, ионизированную при нейтральных значениях pH. Эти соединения также обладают способностью связывать ионы щелочных металлов, однако их специфичность значительно ниже, чем у нейтральных ионофоров.

Рис. 27. Ионофоры, имеющие циклическую структуру

Аламетицин (рис. 27), макроциклическое соединение, имеющее в своем составе два остатка глутамина и один остаток глутаминовой кислоты, интересен тем, что вызывает проводимость, которую можно модулировать электрическими потенциалами, приложенными к липидной мембране.

Несомненно, что понижение энергии активации для процесса перехода катиона через границу раздела фаз вода - липид является важным фактором, увеличивающим скорость переноса катионов через липидные барьеры в присутствии ионофоров. Данные по энергетике образования комплексов между ионами и ионофорами свидетельствуют о том, что молекула ионофора захватывает ион на границе раздела фаз липид - вода (рис. 28). Этот процесс сопровождается замещением молекул воды, ассоциированных с ионом, на новые лиганды, в качестве которых выступают атомы кислорода ионофора. Такое постепенное замещение гидратной воды лигандами приводит к снижению энергетического барьера проникновения ионов в мембрану.

Рис. 28. Один из предполагаемых механизмов переноса катионов через мембрану при участии ионофора

Данные по индуцированному валиномицином транспорту ионов через липидные мембраны под влиянием электрохимического потенциала свидетельствуют о том, что комплекс ион - валиномицин диффундирует через липидный барьер в виде структурно независимой единицы. Скорость движения комплекса через углеводородную часть мембраны определяется природой липида, из которого построена мембрана. Однако процесс этот, как правило, протекает быстрее, чем пересечение границы самой мембраны. Таким образом, в мембранных системах, построенных из чистого липида, стадией, лимитирующей скорость индуцированного валиномицином транспорта ионов, является пересечение комплексом межфазной границы вода - липид. Ионы транспортируются через мембрану в виде индивидуальных комплексов ион - переносчик.

Напротив, индуцированное нециклическим полипептидом грамицидином А движение ионов через двойной слой липидов лучше согласуется с моделью, постулирующей, что это движение осуществляется по каналам. Согласно такой модели, каналы, пронизывающие липидный барьер, образованы несколькими молекулами грамицидина и заполнены водой.

Добавление макроциклических антибиотиков к суспензии эритроцитов вызывает утечку ионов К⁺ из клеток в обмен на ионы водорода. Таким образом, действие этих антибиотиков сводится к тому, что они повышают проницаемость мембраны эритроцитов для ионов калия. Аналогичное действие макроциклические антибиотики оказывают на некоторые бактерии и опухолевые клетки. Уже давно было показано, что валиномицин вызывает приток ионов калия в митохондрии, хотя концентрация в них этих ионов выше, чем в окружающей среде. Совершенно очевидно, что такое движение ионов и молекул против концентрационного градиента представляет собой активный транспорт. Движение ионов К⁺ обусловлено, вероятно, электрохимическим градиентом, возникающим в результате транспорта электронов по дыхательной цепи (гл. 5). Ионофоры же служат только для переноса катионов.

В результате воздействий различных ионофоров на искусственные фосфолипидные мембраны их проницаемость для катионов часто становится сравнимой с проницаемостью биологических мембран. Это обстоятельство послужило основой для различных предположений о природе неожиданно высокой проницаемости биологических мембран для катионов. До сих пор соединения, обладающие небольшим молекулярным весом и имеющие ионофорные свойства, не были найдены в биологических мембранах. Однако идея о том, что эффективность действия ионофоров связана со способностью этих соединений облегчать дегидратацию катионов, явилась исходной точкой для предположения, согласно которому специфическая конфигурация белковых компонентов мембраны обеспечивает протекание аналогичного процесса. Вместе с тем механизм, с помощью которого грамицидин А создает ионную проводимость в мембранах (формирование каналов, заполненных водой), может также иметь непосредственное отношение к транспортным процессам в биологических мембранах при участии белков.

Проститутки Кирова подробнее.