ия этого типа селективно связывают ионы металлов, ионы аммония, аминокислоты и т. п.; если такой полиэфир обладает асимметрическим строением, т. е. является хиральным, он способен избирательно связывать L- или D формы соответствующих соединений (В. Прелог, Д. Крам. 1973—1975)

Неменьший интерес представляют предложенные Ж.-М. Леном криптанды (в) (и их комплексы — криптаты (б)), которые могут быть сконструированы для избирательного связывания самых разнообразных низкомолекулярных веществ и ионоа

Энэ нман [Eisernnanl Джордж, (р. 1929), американский Биофизик. Окончил Гарвардский университет (1949), с 1965 г.— профессор Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе. Основные работы — по изучению селективности ионного транспорта через биологические мембраны. Открыл катион-селективные стеклянные электроды (1956) и разработал теорию ионной селективности.

598

Биологические мембраны

Богатским Алексей Всеволодович

(1929—1983), советский химик-органик, академик АН УССР (1976). Окончил Одесский университет (1951); с 1977 г-— директор Физико-химического института АН УССР, председатель Южного научного центра АН УССР. Основные работы посвящены динамической стереохимии, конформационному анализу гетероциклов, химии физиологически активных веществ, химии макроциклов. Лауреат Государственной премии СССР (1980).

(a)

(6t

Циклогю иэфиры н криптанды в настоящее время эффективно используются в практике для перевода солей металлов в органическую фазу, создания ион-селективных электродов, в гомогенном катализе, для извлечения редких металлов, разделения изотопоа и т. п. Это направление получило развитие и в СССР (А, В. Богат-

СКИЙ).

В биологических мембранах ионофорный тип транспорта пока не обнаружен; сообщения о выделении из митохондрий и других мембранных систем «природных» ионофоров не получили подтверждения. В то же аремя быстро накапливается большой фактический материал, свидетельствующий о том, что для переноса ионов и веществ через мембраны клетка использует различного типа каналы.

Впервые существование ион проводящих мембранных каналоа было постулировано еще в 40—50-х годах нашего столетия при изучении проблемы проведения нервного импульса (А. Ходжкин, Э. Ф. Хаксли). Позднее получила распространение концепция «биологических насосов», обеспечивающих активный транспорт ионов через плазматическую мембрану клетки. Принцип переноса веществ и ионов через селективные каналы биологических мембран хорошо согласовывался с данными теории и кинетическими экспериментами. Все более очевидным становился факт, что роль каналоа в мембранах выполняют сложные белковые комплексы, однако нх выделение и структурное изучение представило значительную проблему.

Антибиотики-каналообразователи

Определенный прогресс в понимании того, какой может быть молекулярная организация трансмембранных каналов, связан с изучением антибнотиков-каналообразователей; среди них наиболее известны грамицидин А, амфотерицин В, аламетнцин.

Антибиотики грамицидиновой группы были открыты Р. Дюбо в 1939 г., строение основного представителя этого семейства, грамицидина А, установлено Р. Сарджесом и Б. Виткопом в 1965 г. Как оказалось, антибиотик является линейным пентадекапептидом с блокированными концевыми группами н чередующимися L- и О-конфигурациями аминокислотных остатков.

После того как Б. Прессманом было обнаружено индукционное влияние грамицидина А на ионный транспорт (К , Na + , Н 1 н др.) через биологические мембраны. С. Хладки и Д. Хейдон в 1970 г. Однозначно установили, что антибиотик функционирует в мембране по принципу канала.

599

Транспорт через мембраны

ОНС—L-Val—Gly— L-Ala—D-Leu—L-Ala—D-Vel—L-Vel—D-Val—L-Trp— -D-Leu-L-Trp-D-Leu-L-Trp-D-Leu-L-Trp-NHCH^H.OH Грамицидин A

Пространственное строение грамицидина А, хорошо согласующееся с его способностью функционировать в мембране в виде каналообразоаателя, было предложено в 1971 —1972 гг. независимо Д. Урри (США) и Г. Н. Рамачандраном (Индия). Согласно их модели, две молекулы грамицидина А в конформацни лЬр-спирали образуют димер «голова к голове» (см. также с- 117).

В такой конформацни молекулы грамицидина А образуют своеобразный полый цилиндр, в котором все СО- и NH-группы пептидной цепи соединены внутри- и межмолекулярными водородными связями.

Хейдон (Heydon) Двине (р. 1930), английский Биофизик. Образование получил в Лондонском университете, с 1980 г.— профессор Кембриджского университета. Известен работами по изучению харак еристин липидных Бн слоев и способов их формирования. Совместно с С. Хладки разработал методику измерения проводимости одиночных ионных каналов.

Хотя по саонм параметрам структура хорошо соответствует толщине липидного бислоя и удовлетворительно объясняет наблюдаемую эффективность и селективность ионного транспорта, тем не менее вопрос о конформацни грамицидина А в мембране требовал однозначных доказательств. В этой связи заслуживал внимания

600

Биологические мембраны

предложенный в 1974 г. Э. Блоутом и Б. Витчем альтернативный вариант пространственной укладки молекулы грамицидина А, в котором две молекулы антибиотика образуют двойную спираль

Как сейчас можно считать установленным, и в растворах, и в мембране грамицидин А участвует в сложном конформационном равновесии, наиболее важными компонентами которого являются одно- и двутяжевые спиральные димеры. Диаметр осевой полости как однотяжевык, так и двутяжевых спиралей около 0,3 нм, т. е. достаточен для внедрения ионоа металлов, а длина димера ( -~ 3 нм) близка толщине углеводородной зоны липидного бислоя. По-видимому, оба типа димеров способны образовывать ион проводящие каналы. Отметим, что производительность одиночного канала грамицидина А весьма высока, до 10 ионов в секунду, что значительно превышает соответствующий показатель для антибиотиков-переносчиков ( ^ 10 ионов в секунду). Предполагается, что «выключение» грамицидинового канала, т. е. переход в непроводящее состояние, сопряжено с флуктуацией толщины мембраны при увеличении толщины димер «голова к голове» диссоциирует до мономера, а двойная спираль частично расплетается. С этим предположением согласуется тот факт, что время жизни грамицидинового канала монотонно увеличивается при уменьшении средней толщины мемб раны. Возможные структурные перестройки грамицидина А в мембране схематически могут быть изображены так:

При выяснении поведения грамицидиновых антибиотиков в мембране большую роль сыграло исследование его синтетических аналогов, в том числе ковалентно связанных димеров и производных, несущих заряженные группы (В. Т. Иванов, Е. Бамберг и др.); важный вклад был внесен также на основе теоретических расчетов (А. Пюльман) и физико-химических измерений (В. Ф. Быстрое, В. Т. Иванов и др.). Следует отметить, что завершенный Б. Уоллес в 1985 г. первый рентгеноструктурный анализ кристаллов грамицидина А позволил сделать вывод, что в избранных условиях, т. е. в мембране, антибиотик представляет собой димер типа двойной спирали и содержит во внутренней полости два переносимых им иона.

Среди антибнотиков-каналообразователей особого внимания заслуживают некоторые полиеновые макролнды и прежде всего амфотерицин В

601

Транспорт через мембраны

СН

Пюльман (Pullman) Альберта (р. 1920). французский биохимик Руководит лабораторией Института физико'Химиче-ской биологии в Париже. Ею выполнены работы по анализу влияния среды на структуру биологических молекул, в том числе нуклеотидов, липидов, белков, и проведены теоретические исследования нон ионофорных взаимодеи

СТВИЙ.

Амфотерицин В

Как оказалось, такие антибиотики образуют в мембранах довольно селективные поры с радиусом Стокса — Эйнштейна порядка 0,4 нм. которые в силу своих размеров оказываются проницаемыми для воды, ионов одновалентных металлов, некоторых анионов и небольших нейтральных молекул, например глюкозы. Согласно модели, выдвинутой А. Финкельштейном и Р. Хольцем в 1973 г, амфотерицин В образует канал, состоящий из двух стыкующихся внутри мембраны полупор, каждая из которых представляет собой агрегат из чередующихся молекул антибиотика и стерина (обычно эргосте-рина, имеющего Зр-гидроксигруппу и при атоме С 9 боковую цепь), ориентированных длинными осями своих молекул перпендикулярно поверхности мембраны; размеры этих молекул и обычного мембранного фосфолипида — лецитина — практически совпадают. В образовании полупоры принимают участие 8—16 (обычно 10) молекул антибиотика, располагающихся так, что гидрофильные части (гид-рокснлы) ориентированы внутрь поры, а гидрофобные (полиеновые) части — в сторону мембраны; полупоры собираются на противоположных сторонах мембраны и стабилизируются на поверхности мембран полярными головками антибиотика, состоящими из заряженных группировок карбоксилат-нона и протомироваиного по аминогруппе остатка сахара (микозамииа), а внутри мембраны — водородными связями между шдроксильными группами при атоме С-35 (рис. 325).

602 В изучении механизма действия а м фоте рициновых каиа ообра

- зователей принимают активное участие лаборатории в Голландии

Биологические мембраны (Б. де Круиорф) и в СССР (Л. Н. Ермишкин).

Особую группу каналообразовате ей представляют собой антибиотик а а мети ци н 1 и родственные соединения (сузукациллины, антиамебнны эмернмицины трнхотоксины и др.), в состав которых входят остатки а аминоизомасляиои кислоты (Aib) и фенилалани иола (Phol)

(/ *\\—сн.—СН—снгон

\=/ NHZ

СО н и лв л в н ино л (2 вмино-3-фенил 1-проплнол)

Ас-АIb-Pro-Aib- Ala-A ib-Ale-GIn- Aib-Val-Aib-Gly-Leu-A ib-Pro -Val-Aib-Aib-Glu-Gln-Pnol

Alb—а июмкл на кислота Алвметицнн [

CH,

I

CHi—с—COOH

I

NH2

Амииоиюмасл на кислота

Аналогично амфотерицину и грамицидину А, аламе нцин образует в мембранах серию нон проводящих агрегатов. Число молекул аламетнцина в агрегате варьирует от 6 до 10. Агрегаты меньшего размера проводят только одновалентные катионы, напоминая в этом отношении каналы, образованные грамицидином А. В более крупных агрегатах диаметр канала достигает 1,5 им и появляется анионная проводимость. Характерной особенностью ала мети ци новой проводи-

Рис. 325. Модель мембранной поры, образованной молекулами амфот рицина В (а) и стеринов (б) (красным цветом показаны гидрофобные, синим — гидрофильные районы молекулы).

мости является ее зависимость от приложенного электрического поля. В отсутствие поля аламетицин ие образует нон проводящих форм, а по мере увеличения потенциала проводимость модифицированных аламетицииом мембран резко растет, т. е. увеличивается вероятность пребывания канала во включенном состоянии. В этом отношении аламетицин может рассматриваться как простейшая модель ионных каналов возбудимых мембран. Несмотря на большое число привлекательных гипотез, пока еще нет достаточных данных для окончательного суждения о молекулярной структуре аламети-цинового канала. Согласно одной из моделей такого канала, первоначально предложенной Р. Мюллером и долго служившей рабочей гипотезой, сконцентрированные на поверхности мембраны молекулы аламетицина (а) под действием поля ориентируются перпендикулярно плоскости мембраны (б) и затем образуют агрегаты, функционирующие в качестве канала (в).

Впоследствии появились модели, основанные на детальном изучении коиформацнонных особенностей аламетицина. В частности, было установлено (рис. 326), что в кристалле аламетицин принимает в основном а-спиральиую конформацию с изломом в районе остатка Pro-14 и несколько разупорядоченной С конце вон частью (Р. Фокс). На этом основании была предложена модель, согласно, которой аламетицин образует в мембране агрегаты с утопленной гидрофобной а спиральной частью и выступающей гидрофильной С-концевой частью. Агрегат, ввиду однонаправленности карбонильных групп в а-спирали, имеет высокий дипольный момент и смещается при включении электрического поля, дотягиваясь до противоположной стороны мембраны, в результате чего канал включается.

603

Транспорт через мембраны

Рис. 326. Аламетициновый ассоциат в мембране в отсутствие электрического поля (и); промежуточная форма, образующаяся под действием приложенного электрического поля (б), и открытая форма ионного канала (at.

Весьма правдоподобна модель Г. Юнга (рис. 327), суммирующая элементы двух рассмотренных выше моделей. В отсутствие поля аламетицин ассоциирует в мембране за счет электростатического взаимодействия аитипараллельно ориентированных а спиральных

Биологические мембраны

Рис. 327. Схематическое изображение мономера аламетицина (а) и его ассоциация в отсутствие (б) и в присутствии (в) внешнего электрического поля (флип — флоп и включение канала под действием поля).

участков; данное состояние не является проводящим. После приложения поля достаточной величины мономеры, ориентированные против поля, вынуждены переориентироваться. В результате расталкивания одинаково направленных диполей образуется пора достаточно большого диаметра.

Характеристика отдельных биологических мембранных систем

В каждой клетке сосредоточено множество функционально детерминированных мембранных систем или их комплексов, выполняющих задачи переработки и передачи информации, генерации энергии, синтеза важнейших метаболитов и т. п. Сейчас можно с достаточным основанием утверждать, что такие системы представляют собой белковые ансамбли, встроенные строго ориентированно в липидный матрикс мембраны и работающие как единое целое. Четкое структурное описание этих систем требует привлечения самых современных методов химии, физики и биологии и пока достигнуто лишь на отдельных примерах.

Пурпурная мембрана и бактериородопсин

Хотя соль обычно убивает бактерии и поэтому издавна используется для консервирования пищевых продуктов, тем не менее некоторые бактерии выработали способность жить в средах с очень высокой концентрацией (до 4 М) поваренной соли. Такие микроорганизмы получили название галофильиых (т. е. «любящих соль»); среди них особую известность приобрела культура Halobacterium halobium обладающая способностью преобразовывать энергию солнечного света.

В 1971 г. В. Стоккениус (США) и Д. Остерхельт (ФРГ) выделили из клеток Н. halobium мембраны интенсивно пурпурного цвета, главным белковым компонентом которых оказался хромо протеид, названный по аналогии с белком зрительного аппарата млекопитающих бактериородопсином. В качестве хромофорной

605

Характеристика отдельных биологических мембранных систем

Стоккениус (Stoeckenius) Вальтер

(р. 1921), американский биолог немецкого происхождения. Окончил Гамбургский университет(1950) с 1967 г.— профессор медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Основные работы посвящены клеточной биологии, фотобиологии, биоэнергетике и биологическим мембранам. Совместно с Д. Остер-х ель том открыл бактериородопсин (1971).

Рис. .428. Спето зависимый синтез АТР в клетках Halobacterium halobium.

606

Биологические мембраны

Хендерсон (Henderson) Ричард

(р. 1945), английский ученый, работающий в области молекулярной биологии и мембранологии, член Лондонского Королевского общества. Окончил Эдинбургский университет, с 1973 г.— в лаборато