еста синтеза к месту сборки мембраны обычно сопровождается посттрансляционными изменениями его структуры. Многие мембранные белки, особенно предназначенные для плазматической мембраны эукариотических клеток, подвергаются гликозилированию. N Гликозилирование проходит через две основные стадии (рис. 319). Начальная стадия протекает в полости эндоплазматического ретикулума и представляет собой перенос

СН, СН, Н—(СН,—С=СН—СН2)П—СН2—СН—СНз—СН3ОН Дол их о л

Рис. 31°. Отдельные этапы N-гликоэи-ирования мембранных белков.

маннозосодержащего олигосахаридного фрагмента от гликозилиро- 589

ванного долнхо фосфата к новообразованной полипептидной цепи.--

После этого синтезированные белки транспортируются в аппарат Биогенез мембран

Гольджи, где происходит удлинение углеводной цепи.

Аппарат Гольджи выполняет также такую важную функцию, как «сортировка» белков, углеводов, липидов и мукополисахаридов предназначенных для различных внутриклеточных органелл. Пройдя через слой мембран Гольджи. они собираются в мембранных везикулах, которые отделяются от цистерн и транспортируются

к другим клеточным мембранам. Секреторные пузырьки направляются к плазматической мембране и сливаются с ней; при этом содержимое пузырьков изливается наружу (рис. 320). Таким образом, в клетке происходит постоянный перенос мембран от эндо-плазмати чес кого ретикулума в аппарат Гольджи и из аппарата Гольджи в плазматическую мембрану.

Безусловно, конкретные пути транспорта и комплектования тех или иных компонентов мембран требуют детального изучения. У митохондрий, например, часть мембранных структур (субъединиц белков и т. п.) синтезируется внутри мито хонд риал ьного матрикса н затем переносится к внутренней мембране, в то время как другая часть синтезируется в шероховатом эндо плазматическом ретику-луме, вие митохондрии, и транспортируется к ней через всю цитоплазму. В настоящее время биосинтез ряда мембранных систем изучен достаточно хорошо (Г. Шатц и др.).

590

Биологические мембраны

Транспорт через мембраны

Избирательный транспорт различных веществ и ионов — главная функция биологических мембран. Он обеспечивает активный обмен клетки и ее органелл с окружающей средой, служит основой всех биоэнергетических механизмов, определяет эффективность процессов рецепции, передачи нервного возбуждения и т. п. Именно функционирование многочисленных транспортных мембранных комплексов, строго скоординированных в пространстве н времени, делает клетку — элементарную ячейку живой материи — весьма совершенной динамической системой.

Все формы обмена между клеткой и внешней средой, за исключением явлений пинацитоза, предполагают пересечение окружающей клетку мембраны; это остается в силе и для любых других замкнутых мембранных структур, находящихся в клетке (ядро, митохондрии, лизосомы и т. п.). Для подавляющего большинства веществ и ионов биологические (и нскусственные) мембраны представляют диффузионный барьер, и в таком случае перенос через липидную фазу требует значительных энергетических затрат. В то же время вода и некоторые низкомолекулярные соединения проникают через мембрану с поразительной легкостью, вероятно, за счет использования дефектов жидкокристаллической решетки липидного бислоя. Высокая проницаемость клеток для воды — важный биологический фактор, обеспечивающий осмотическое равновесие.

Принято различать активный транспорт через биологические мембраны, требующий специальных источников энергии и обычно совершаемый против электрического или концентрационного градиента, и пассивный транспорт, определяемый только разностью концентраций переносимого агента на противоположных сторонах мембраны нли направлением поля. В обоих случаях, однако, должен существовать механизм селективного переноса данного вещества или иона, поскольку сама по себе липидная (липопротеиновая) мембрана для такого рода агентов практически непроницаема.

Наиболее детально исследованы процессы транспорта ионов через модельные мембраны, которые описываются в этом разделе. Собственно биологические системы, участвующие в транспорте различных метаболитов через клеточную мембрану, рассматриваются далее.

Принципиально возможны два пути переноса веществ и ионов через мембрану: с помощью так называемых переносчиков, функционирующих по «челночному» механизму, или с помощью каналов

Ионофоры

Под переносчиками понимаются специфические молекулы или их ансамбли, которые связывают транспортируемый агент на одной стороне мембраны и в виде комплекса переносят его через гидрофобную зону. После диссоциации комплекса иа противоположной стороне мембраны переносимый агент оказывается в водной фазе.

а переносчик возвращается в исходное положение. Таким образом, транспорт в целом включает стадии образования и диссоциации комплекса, а также движение в мембране как комплекса, так и свободного переносчика.

Идея о том, что в мембранах для переноса электролитов могут использоваться вещества, образующие с соответствующими нонами растворимые в липидах комплексы, высказывалась в общем виде еще в 1930—1935 гг. В. Остергоутом. Однако впервые явление транспорта ионов через биологические мембраны по механизму переносчиков было обнаружено Б. Прессманом а 1964 г. В качестве таких переносчиков он использоаал некоторые антибиотики, названные им ионофорами. Классическим представителем мембранных иоиофоров является антибиотик деле и пептидной природы — валиномицин.

Валиномицин выделен Г. Брокманном в 195*5 г., его строение как циклододекадепсипептида окончательно установлено М. М. Шемякиным и сотрудниками в 1963 г. и подтверждено полным синтезом как самого антибиотика, так и его многочисленных аналогов.

Молекула валиномицина построена из трех идентичных фрагментов, в каждый из которых входит остаток D вали не, L молочной кислоты, L-валина и D-гидроксиизовалериановой кислоты.

Уникальный принцип функционирования валиномицина в качестве ионофора выяснен на основе исследований, осуществленных главным образом в СССР М. М. Шемякиным н др. Валиномицин способен избирательно увеличивать проницаемость липидных бислоев для ионов щелочных металлов (А. А. Лев, 1967; П. Мюл р Д. Рудин, 1967). Валиномицин образует в неполярных растворителях устойчивые комплексы с К4 , Rb + , Cs + , но очень слабо взаимодействует с ионами Na"1 ; К, Na се ективность этого депсипептида является рекордной и составляет величину порядка 104—10J. Такое поведение валиномицина связано с его пространственным строением: де пс и пептидна я цепь антибиотика формирует «ионную ловушку», точно подогнанную под ионы калия.

Конформация самого валиномицина в неполярных средах напоминает собой браслет, стабилизированный шестью внутримолекулярными водородными связями (С—О—Н—N); в более полярных средах реализуется форма лишь с тремя Н-саязямн, а в водных растворах предпочтительной оказывается открытая форма, лишенная водородных связей (рнс. 321).

В конформацни валиномицина, установленной на основании данных ЯМР- и И К-с пек трос коп и и и подвержденной затем реит-геноструктурным анализом, амидные карбонилы участвуют в стабилизации «браслета в сложноэфирные карбонилы свободны (рис. 322,а).

591

Транспорт через мембраны

CHi I

но—СН—СООН

Молочная кислота СН(СН,)

но—сн—соон

Гидроисииэо.алеришм.ш

НГИОЭ

14

Рис. 321. Система внутримолекулярных водородных связей валиномицина в т-полярных средах (а), в средах редиса полярности (6) н в воде (в).

592 Комплексы валиномицина с К в любых средах сохраняют

конформацию браслета, при этом нон металла попадает во внутрен-Биопогические мембраны нюю полость молекулы и связывается шестью сложноэфирны-

ми карбонилами с помощью ион дипольнык взаимодействий (рис. 322,6).

Размеры полости хорошо соответствуют нонным радиусам не сольватироваиных ионов калия (г 0,133 нм) и рубидия (г = = 0,149 нм), но несколько малы для цезия ( 0 165 им) и слишком велики для натрия ( 0,098 нм), что находится в полном согласии с данными по селективности комплексообразования. Валиномицин, таким образом, обеспечивает связываемому иону идеальную «соль-ватную оболочку», фиксированную в оптимальном положении молекулярным каркасом антибиотика, и благоприятными для комплексообразования оказываются не только энергетические (энергия шести ион-дипольных азаймодействий), но и энтропийные факторы.

В комплексе валиномицин — калий ион оказывается хорошо «спрятанным» во внутренней сфере антибиотика, а внешняя сфера достаточно гидрофоб на и обеспечивает беспрепятственное передвижение иона через липидную мембрану. Установленный впервые на примере валиномицина принцип функционирования ионофоров оказался универсальным не только для мембранных переносчикоа, но и для других типов молекулярных ловушек и катализаторов, широко используемых в настоящее время в химии и в технике. Неудивительно поэтому, что скульптурная композиция, изображающая изящную структуру калиевого комплекса валиномицина, украшает здание Института бноорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР в Москве.

Достаточно часто высказывается мысль, что валиномицин во многих отношениях напоминает фермент. Действительно, роль ферментов сводится к катализу тех или иных химических реакций, т. е. к снижению их энергии активации. Валиномицин понижает энергетический барьер перехода ионов калия с одной стороны мембраны на другую. Как н ферменты, валиномицин действует в каталитических количествах (аплоть до 10 в—10"" моль/л), многократно регенерируясь после выполнения своей функции. Валиномицин имеет ярко выраженный специфический субстрат, а именно Рис. 322, Конформация валиномицина ион К \ причем проявляет по отношению к этому субстрату высока; и его к -комплекса fб), чайшую селективность. Более того, при связывании «субстрата»

(б)

молекула валиномицина претерпевает характерную для ферментов «индуцированную подгонку» (induced fit) своей конформацни, заключающуюся в переориентации сложноэфнрных карбонильных группировок из положения «наружу» в положение «внутрь» для захвата катиона. Наконец, валиномицин обладает высокой биологи ческой активностью как антимикробный агент, что позволяет четко контролировать его поведение.

Аналогично валиномицину ведут себя н делен пептидные антибиотики энниатнновой группы, открытые П. Платтнером в 1947 г. и охарактеризованные в структурном отношении М М Шемякиным и сотр. в 1963 г.

Меньшая эферектианость комплексообразования в данном случае связана с более открытой структурой комплекса и большей доступностью иона для растворителя. Однако этот недостаток может в существенной степени компенсироваться тем, что ионы щелочных металлов способны в таком случае переноситься через мембрану в виде «сэндвичей» или «стопок» (рис. 323), где соотношение макроцикл — катион равно 2:1 или 3:2 (рис. 324).

593

Транспорт через мембраны

^ОСНСо.

V

Эинимин А СН(СН,)ОН

Энниагин В СН(СН,)2

Энниотин С СНгСН(СН,)2

Боверицин СНзСбН^

Рис. 323. Транспорт ионов щелочных металлов мерен чиками энниатнновой группы.

__ Структура комплексов энннатина с К ' была выяснена Д. Данит-

Биологические мембраны цем с сотР- <в кристалле) и М. М. Шемякиным с сотр. (а растворе)

в 1969 г., а образование межмолекулярных «сэндвичей» н «стопок» в неполярных средах и в процессе транспорта через мембраны однозначно доказано на основе структурных и кинетических данных.

Рис. 324. Структура комплексов энниати-на В. Соотношение макроцикл - катион 1:1 (а), 2 : 1 (6) и 3 : 2 (в).

Другую известную группу ионофоров, открытую практически одновременно с депсипептндами, представляют макротетралнды группы нонактина. Строение этих макроциклических лактонов было установлено швейцарским исследователем В. Прелогом с сотр. в 1962 г., Д. Данитцем и др. в 1967 г. на основе рентгенографических данных выяснена структура кристаллического комплекса нонактина с К .

В калиевом комплексе нонактина форма цепи молекулы антибиотика напоминает бороздку теннисного мяча, а восемь О-атомов сложноэфирных и простых эфирных группировок расположены в вершинах куба и связывают ион за счет ион-дипольных взаимодействий. Существенно, что макротетралнды являются наиболее селективными переносчиками для ионоа аммония (NH ).

Позднее была открыта новая интересная группа антибиотиков-ионофоров, содержащих незамкнутую полиэфирную цепь; наиболее известными среди них являются моненсин, нигерицин, антибиотик А-537 и кальцнмицин (антибиотик А-23187).

Некоторые из этих антибиотиков» например моненсин, селективно связывают ноны щелочных металлов, в частности натрий. Однако особую популярность они получили как переносчики ионов Са и по масштабам использования в исследованиях мембран приближаются к валнномицину. Как установлено с помощью рентгеноструктуриого анализа, в комплексах с ионами молекулы полиэфирных антибиотиков «обволакивают» связываемый ион, удерживая его за счет ион-дипольных взаимодействий с простыми эфирными группировками. Подковообразная конформация антибиотика нередко стабилизируется водородной связью между группами, расположенными на противоположных концах цепи; в случае Са~т в

Нел цимиции (А—2Э1В7)

596 связывании обычно участвуют две молекулы соответствующего ан-

- тибиотнка, образующие «сэндвич». На рисунке изображены струк-

Биологические мембраны туры Na+ -комплекса моненсииа (а), Ag+ -комплекса нигери-

цина (б) (Л. Стейнрауф, 1968—1970), Са2^-комплекса кальцими-

цина (в) (М Чаней, 1976).

Л

Грелл (Сг«И) Эрнст (р. 1941), немецкий фиэикохимик Образование получил в Баэельском университете (1967), с 1978г работает в Институте биофизики Общества М Планка во Франкфурте не-Маине Основные работы посвящены изучению механизма ферментативных реакций методами быстрой кинетики и спектроскопии, в твкже ионного транспорта через мембраны.

Важной особенностью полиэфирных ионофоров является наличие в их молекуле карбоксильной группы, которая ионизуется в процессе комплексообразования. Поэтому, в отличие от положительно заряженных комплексов депсипептидов и нактинов (например, валиномицин К ) комплексы полиэфирных антибиотиков, как правило, электронейтральны. Отсюда и их различное поведение при индуцируемом ими транспорте ионов через биологические и искусственные мембраны: он практически ие зависит от мембранного потенциала.

Исследование ионофороа на протяжении длительного периода было, по существу, центральным направлением мембранологии н в настоящее аремя продолжает развиваться. Значительный вклад в эту область внесли теоретические работы Дж. Эйзенмаиа и П. Лойге-ра, кинетические исследования Э. Грелла создание новых ионофор-ных молекул В. Симоном и другие работы. Ионофоры — тончайшие инструменты изучения процессов транспорта ионоа через искусственные и биологические мембраны.

В этой связи можно отметить, что в настоящее время в химии, 597

химической технологии и медицине широко и успешно применяются--

синтетические молекулярные «ловушки» для нонов и других поляр- Транспорт

ных агентов, которые и построены и функционируют на основе тех через мембраны же принципов, что и ионофоры. Среди них наиболее известны полиэфиры, или «краун»-эфиры (К. Педерсен, 1967):

Соединен