Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

ы [443]. Изменение их спектров поглощения при наложении потенциала обусловлено так называемым явлением электрохро-мизма [722]. Переход молекулы зонда из основного состояния в возбужденное при поглощении кванта света сопровождается перераспределением электронов. На энергию электронного перехода влияет градиент потенциала, вектор которого параллелен направлению этого смещения заряда. Подобные электрохромные изменения спектра наблюдаются также для природных пигментов фотосинтетических мембран — каротиноидов [722]. Преимущество зондов этого типа состоит в том, что соответствующие реакции происходят очень быстро и не зависят от степени агрегации или распределения зонда. Все эти свойства делают такие зонды особенно полезными для быстрых кинетических измерений.

7.4.2. КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГИЗОВАННОЙ МЕМБРАНЫ [1065]

Термин «энергизованная мембрана» трактуется обычно довольно широко, но в действительности он означает лишь, что поток ионов через бислой может использоваться для совершения работы. Чаще всего ионный поток создают протоны (пример — митохондрии или хлоропласты), и разность электрохимических потенциалов протонов (Дн*) между двумя разделенными бислоем фазами называется протондвижущей силой.

Сторона 1: Дн + |1 = 2,Ъ0ЪКГ \og [Н + ], + Fiu

Сторона 2: Дн, 2 = 2,303RT log [Н + ]2 + F*2,

Разность (1 минус 2): ДДН+ = 2,303/?7'log [Hf\/[Hfl + FA*,

Протондвижущая сила (мВ): = А* - 2^RT дрн, (7.25)

где ДДН+ = (Дн',1 _ Дн + ,2) — разность электрохимических потенциалов протонов, выраженная в Дж/моль; частное от деления этой величины на постоянную Фарадея будет иметь размерность мВ.

Д* = (*i - ¦г) относительно наружного раствора,

ДрН = (pHi - рНг) относительно наружного раствора.

При 30 °С

ДДн* (мВ) = Д* - бОДрН. (7.26)

Протондвижущая сила является мерой изменения свободной энергии при переносе протонов с одной стороны мембраны на другую. В митохондриях и фотосинтетических системах за счет протондви-

326 Глава 7

жущей силы происходит синтез АТР, но она может использоваться и системами транспорта растворенных веществ (гл. 8). Все сказанное выше детально рассматривается в рамках хемиосмотической теории [1065].

Для нахождения Дн, нужно знать как Д*, так и ДрН. Методы определения Д* мы обсудили выше. ДрН обычно оценивают из данных по распределению по обе стороны мембраны слабых кислот или оснований [54]. Их нейтральные формы проникают через липидный бислой, а непроникающие заряженные формы накапливаются в зависимости от рН с той или другой стороны мембраны. Можно использовать для этой цели как радиоактивные производные, так и оптические зонды [131]. Один из наиболее часто используемых для измерения ДрН зондов — 9-аминоакридин — аккумулируется внутри везикул с кислым содержимым, что ведет к тушению флуоресценции зонда.

7.5. Проницаемость липидных бислойных мембран для ионов [311]

Как мы уже говорили, бислой создает весьма высокий энергетический барьер для ионов металлов. Коэффициент проницаемости однослойных везикул для Na+ составляет всего 10 " |2—10 ~14 см/с (см. табл. 7.1), но даже столь малая величина на порядок выше скорости, предсказываемой исходя из модели растворения—диффузии, если воспользоваться уравнением Борна для оценки энергии, необходимой для перемещения иона из водной фазы в центр мембраны. Механизм переноса ионов через липидный бислой пока неясен, но в литературе обсуждается несколько конкурирующих теорий, в основе которых лежит предположение о существовании дефектов упаковки молекул фосфолипидов в бислое. Постулируется, что эти дефекты возникают спонтанно, подобно флуктуирующим полостям или кинкам, либо формируются на границе раздела сосуществующих в мембране жидкокристаллической фазы и фазы геля. Ионная проницаемость в общем случае максимальна при температуре фазового перехода гель — жидкий кристалл, но это не так для воды и протонов (см. ниже). Следует напомнить, что стационарный поток ионов через бислой должен быть электронейтральным, т. е. для поддержания нейтральности поток одних ионов должен быть сопряжен с потоком других ионов.

Как бы то ни было, ясно, что бислой представляет собой труднопреодолимый барьер для простых анионов и катионов. Однако, как уже говорилось, ионы большего радиуса из-за уменьшения энергии Борна будут легко проникать через мембрану. Довольно легко могут пересекать бислой и гидрофобные ионы.

Взаимодействие низкомолекулярных соединений с мембранами 327

7.5.1. ПРОНИЦАЕМОСТЬ ДЛЯ ПРОТОНОВ [310, 562]

Как показывают измерения на модельных мембранах, проницаемость липидного бислоя для протонов исключительно высока. Экспериментально отличить проницаемость для протона от проницаемости для гидроксила довольно трудно, поэтому в литературе ее обозначают Н + /ОН" (например, так, как в табл. 7.1). В дальнейшем эту проницаемость мы будем для простоты называть протонной. Приводимые в литературе значения коэффициента проницаемости для протона варьируют в довольно широких пределах, обычно от 10~4 до 10'8 см/с. Столь значительный разброс объясняют экспериментальными различиями в размерах везикул, в величине создаваемого трансмембранного градиента рН, в степени ненасыщенности липидов [1139]. Ясно тем не менее, что проницаемость для протона по крайней мере в 106 раз выше, чем для других простых ионов, причем это относится как к биомембранам, так и к модельным системам [563].

Приведенные данные однозначно указывают на существование специального механизма протонной проницаемости. Это, в частности, подтверждает тот факт, что скорость транспорта протонов не определяется простым электростатическим барьером в мембране [1139]. Природа этого явления неизвестна. Согласно одной из моделей, в мембране имеются временные пересекающие всю толщу бислоя цепочки из молекул воды, соединенных водородными связями; по этим цепочкам по эстафетному механизму и осуществляется перенос протонов [1049, 310]. Однако прямых даннах о существовании таких цепочек воды пока нет. В других работах постулируется (и этому есть экспериментальные подтверждения), что аномально высокая проводимость фосфолипидных бислоев для протонов обусловлена в основном присутствием в мембране небольших количеств слабых кислот, например свободных жирных кислот, которые при физиологических рН выступают в роли переносчиков протонов [562]. Однако расчеты показывают, что всю аномально большую протонную проводимость липосом эта гипотеза объяснить не может [310].

Было показано также, что протоны способны быстро диффундировать вдоль границы раздела мембрана—раствор и протонировать анионные формы адсорбированных на поверхности мембраны слабых кислот [730]. При этом околоповерхностный барьер для быстрого установления равновесия по протонам между наружным раствором и протонированными группами на поверхности мембраны отсутствует.

Поскольку перенос протонов через бислой является ключевым процессом для большинства биоэнергетических систем [1065], вопрос о механизме диффузионной проницаемости мембраны для

328 Глава 7

протонов представляет особый интерес [789]. В экспериментальном плане протонная проводимость имеет большое значение при изучении реконструированных в фосфолипидные везикулы протонперено-сящих белков. Исследования показывают, что встраивание белков в такие системы почти не влияет на протонную проводимость [1086, 1325], однако важным фактором, способным изменить пассивную проницаемость мембраны для протонов, могут служить противоионы [1325] и величина трансмембранного потенциала [492, 789].

Другой важный для биоэнергетики вопрос заключается в том, каким образом происходит диффузия протона из одного места в другое на поверхности мембраны. Например, изображенный на рис. 6.5 протонный цикл предполагает диффузию протонов от про-тонпереносящих ферментов к АТР-синтазам. Весь вопрос в том, устанавливается ли равновесие между этими протонами и наружным раствором или существует некий локализованный путь переноса протонов вдоль поверхности или внутри мембраны. Как уже упоминалось, отсутствие околомембранного барьера для быстрого уравновешивания протона между локализованными на поверхности бислоя протолитическими группами и раствором доказано экспериментально [730]. Однако в серии изящных исследований было показано, что латеральная диффузия протонов вдоль поверхности фос-фолипидного монослоя может осуществляться в 20 раз быстрее, чем диффузия через объем [1175]. Предполагается, что диффузия идет посредством эстафетной передачи вдоль двумерной сетки водородных связей, образованных полярными головками фосфолипидов и молекулами воды на поверхности мембраны. Биологическую значимость обнаруженного явления, однако, еще предстоит выяснить, а с выводами согласны далеко не все исследователи [730].

7.5.2. ИОНОФОРЫ [1176, 1065]

Ионофоры — это довольно разнородная группа соединений, увеличивающих проницаемость мембран для ионов. Один ионофоры, например грамицидин А и аламетицин, формируют в бислое каналы (разд. 8.1.5), другие образуют стехиометрические комплексы с катионами и тем самым облегчают транспорт этих ионов через липидный бислой. Ионофоры являются весьма полезными инструментами в мембранных исследованиях, особенно при изучении биоэнергетических или иных зависимых от ионного градиента систем. Поскольку такие ионофорно-катионные комплексы могут проявлять довольно высокую специфичность к определенным ионам, с их помощью можно избирательно манипулировать ионными градиентами и электрическим потенциалом на мембране. Некоторые комплексы ионофора и катиона не заряжены, и катион переносится в

Взаимодействие низкомолекулярных соединений с мембранами 329

нейтрализованной форме. Другие комплексы заряжены и диффундируют через бислой подобно уже обсуждавшимся гидрофобным ионам. Ниже кратко охарактеризованы некоторые наиболее часто используемые ионофоры (см. рис. 7.12).

СССР (карбонилцианид-м-хлорфенилгидразон)

СССР и близкий к нему FCCP (карбонилцианид-л-трифторметоксифенилгидразон) представляют собой слабые кислоты. Протонированная форма электронейтральна и, как показано, легко проникает через мембрану (Р = 17 см/с), в то время как проницаемость депротонированной (анионной) формы составляет — 1 <Уо от проницаемости формы нейтральной [729]. Растворимость анионных форм этих и других протонофоров в гидрофобной области бислоя обусловливается несколькими причинами [730]. Отрицательный заряд этих молекул делокализован, а благодаря большому ионному радиусу уменьшается энергия Борна [уравнение (7.17)]. Кроме того, потенциал диполей, ориентированных положительным зарядом внутрь бислоя, стабилизирует анионы в мембране (рис. 7.4). И наконец, ионофор в мембране стабилизируют гидрофобные группы молекулы.

СССР, FCCP и другие слабые кислоты эффективно увеличивают проницаемость мембраны для протонов, что позволяет достичь электрохимически равновесного распределения протонов по обе стороны бислоя.

Валиномицин

Это циклодепсипептид, образующий с одновалентными катионами (предпочтительно с К+) комплекс со стехиометрией 1:1. Структура комплекса напоминает ячейку, в центре которой находится ион калия, стабилизированный взаимодействием с карбонила-ми эфирных групп (рис. 7.12). Комплекс К +-валиномицин является гидрофобным ионом и с легкостью проникает через бислой. С помощью этого ионофора можно создавать калиевый диффузионный потенциал на мембране везикул, концентрация К + в которых отличается от концентрации снаружи. В системе, где трансмембранный потенциал создается с помощью какого-либо активного процесса, К+-валиномицин будет устранять электрическую составляющую А*, не влияя непосредственно на величину ДрН.

Нигерицин и моненсин

Это полиэфиры, имеющие одну отрицательно заряженную карбоксильную группу [1464]. Как и валиномицин, они образуют ком-

330 Глава 7

А Карбонилцианид-п-трифторметоксифенил -гидразон (FCCCP) н /=\ 1 ,-cn f3c-0-^>n-n=c^cn Г /=\ ^cnT ^3c-o^Jhn=n-c^cnJ ? Валиномицин L -Валин , L -Лантат Ъ-гидронси- y-n-Z-o \$~Валин изовалератЛ Oj" ,.у х><~ -г*^?ч

В Нигерицин \Г\ °на. >н а23187 СН3 он Т н но''

Рйс. 7.12. Структура четырех ионофоров (обсуждение см. в тексте) [1176]. Жирными линиями иа рис. Б и В показаны связи ионов металлов с молекулами ионофоров (данные рентгеновской кристаллографии).

плексы с одновалентными катионами в стехиометрии 1:1, но эти комплексы электронейтральны. Нигерицин (рис. 7.12) селективно связывает К +, а моненсин — Na+ . Эти ионофоры также могут с успехом проникать через бислой в нейтральной протонированной форме, поэтому их используют для ускорения обмена Н+ на Na + (моненсин) или Н + на К + (нигерицин) через мембрану. Добавление рассматриваемых ионофоров к везикулам приводит к выравниванию градиентов Н+ и Na* (или К + ). Чаще всего их применяют для рассеивания ДрН на мембране. Поскольку при суммарной реакции обмена сохраняется электронейтральность, на Д* это прямым образом не сказывается.

А23187

Этот катионный переносчик содержит заряженную карбоксильную группу (рис. 7.12) и с высокой избирательностью связывает двухвалентные катионы [337]. Обычно А23187 используют как Са2 +-ионофор. Вероятно, при своей работе этот ионофор образует растворимый в бислое нейтральный комплекс, состоящий из двух молекул А23187 и одной молекулы Са2+; существование таких комплексов со стехиометрией 2:1 доказано экспериментально [337].

Взаимодействие низкомолекулярных соединений с мембранами 331

7.6. Резюме

Основная функция любой биологической мембраны состоит в создании барьера с селективной проницаемостью между разделяемыми ею водными компартментами. Тонкий гидрофобный центральный слой в мембране является очень эффективным барьером для неорганических ионов, но он в той или иной степени проницаем для неполярных веществ. Скорость проникновения неэлектролитов через бислой зависит от растворимости данного вещества в бислое, определяемой исходя из данных о коэффициенте его распределения между водой и органическими растворителями. Проницаемость модельных мембран для воды неплохо согласуется с растворимостью воды в органических растворителях, однако через некоторые биологические мембраны вода может проникать также по трансмембранным каналам белковой природы.

Липидный бислой является довольно хорошим барьером для неорганических ионов, однако проницаемость модельных и биологических мембран для протонов по не совсем понятным причинам необычайно высока.

Органические ионы или органические хелатные комплексы, содержащие неорганические ионы, могут растворяться в углеводородной области бислоя благодаря своим гидрофобным свойствам и большим размерам. К молекулам такого типа относятся и ионофоры.

Электрические свойства биологических мембран довольно хорошо изучены. Проницаемость биологических мембран для неорганических ионов практически полностью обусловлена работой трансмембранных ионных каналов белковой природы. Образующийся при разделении зарядов трансмембранный потенциал связан с электрической емкостью мембраны, которая практически одинакова для модельных липидных бислоев и биологических мембран. Существование зарядов на поверхности мембраны создает

страница 46
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(27.04.2017)