мембране со скоростью I04 молекул в 1 с), можно сделать заключение, что ионные каналы не могут работать по типу подвижных переносчиков. Очевидно, ионы калия и натрия, избавляясь от сольватной оболочки, движутся по каналу (поре) в соответствии с их градиентом концентрации.

Долгое время оставался неизвестным механизм открывания и закрывания каналов. И только в последние годы было обнаружено перемещение зарядов или заряженных групп в мембране аксона кальмара при деполяризации — воротный ток. Оказалось, что раньше натриевого входящего тока регистрируется ток, меньший натриевого в 300 раз и составляющий 0,13—0,14 пкА/мкм2. Это соответствует перемещению приблизительно 300 зарядов на I мкм2 мембраны, что подтверждается данными по десорбции бирюзового прямого светопрочного (БП). Десорбция БП усиливается при увеличении рН внешнего раствора, снижении в нем концентрации ионов кальция и при других условиях, активирующих натриевую проводимость.

В связи с этим можно предположить, что в начальной стадии генерации ПД происходят конформационные изменения мембранных компонентов, возможно, белковой природы — ворот натриевых каналов. При любом потенциале на мембране ворота могут находиться в положении «открыто» или «закрыто», т. е. МПП определяет выгодность нахождения ворот в том или другом положении. К сожалению, конкретное понимание устройства ворот, как и каналов, и механизмов их функционирования, далеко несовершенно. Поэтому выяснение молекулярных механизмов ионной проводимости возбудимых мембран является одной из самых актуальных задач биохимии и биофизики.

Сопрягающие мембраны. Основным достижением биоэнергетики в последние 10—15 лет было выяснение важной роли мембран в процессах превращения энергии в биологических системах. Работами советских (Скулачев, Козлов, 1972—1977; Рубин, Ясайтис, 1977—1979) и зарубежных (Арнон, 1949; Митчел, 1966; Витт, 1979) ученых установлено, что энергия света при фотосинтезе и субстратов окисления при дыхании используется для протекания окислительно-восстановительных реакций в редокс-цепях, образованных молекулами — переносчиками электронов, которые встроены в мембраны. Энергия, выделяющаяся при переносе электронов, трансформируется в энергию химических связей молекул АТФ.

Мембраны, в которых энергия внешних ресурсов превращается в энергию АТФ, получили название сопрягающих. К ним относятся внутренние мембраны митохондрий, тилакоидные мембраны хлоропластов, а также мембраны и хроматофоры некоторых бактерий. Сопрягающие мембраны содержат компоненты цепей переноса электронов и фосфорилирования, а также фосфолипиды. Соотношение белков и фосфолипидов, как правило, составляет 2 : 1, причем среди белков свыше 30 % составляют различные компоненты редокс-цепей, а среди фосфолипидов присутствует кардиолипин и почти отсутствует холестерин. Толщина сопрягающих мембран в разных биологических объектах варьирует незначительно и обычно достигает 7,0—9,0 нм.

Возможные пути превращения энергии в сопрягающих мембранах, рассмотренные с большой полнотой в работах П. Митчела, В. П. Скулачева и Ф. Витта, не сводятся только к образованию АТФ. Так, энергия, сообщенная сопрягающей мембране, может использоваться для выполнения как минимум четырех основных типов полезной работы, а также для образования тепла. Виды работы сопрягающих мембран:

а) химическая — синтез АТФ или других высокоэнергетических соединений и перенос электронов против нормального градиента редокс-потенциала (обратный перенос электронов);

б) электрическая — трансмембранный перенос зарядов против электрического градиента (образование электрического мембранного потенциала);

в) осмотическая — трансмембранный перенос веществ против концентрационного (осмотического) градиента;

г) механическая — перемещение органов движения некоторых бактерий.

Согласно получившей в последние годы наибольшее признание гипотезе П. Митчела, индуцированный светом или окислением субстратов перенос электронов в фотосинтетической или дыхательной цепях вызывает векторный транспорт электронов и протонов через сопрягающие мембраны. В результате на них возникает трансмембранная разность электрохимического потенциала водорода (Дрн+), которая определяется мембранным потенциалом (А4?*) и градиентом рН (ЛрН), возникающим в результате перемещения зарядов через сопрягающую мембрану,

Дцд + = FAty — 2,303/?Г — ДрН,

(20)

где F — число Фарадея, R — универсальная газовая постоянная, Г— абсолютная температура.

Процессы генерации Д|лн+ схематично изображены на

рис. 13. Донор водорода окисляется на одной поверхности мембраны переносчиком электронов. При этом протоны выделяются в раствор. Затем переносчик транспортирует электроны поперек мембраны и передает их акцептору, расположенному с другой стороны мембраны. Восстановление акцептора сопровождается присоединением протонов. В результате на мембране возникает Дцн+. В митохондриях

векторный перенос электронов вызывает транспорт протонов из матрикса в окружающую среду (знак «минус» возникает внутри сопрягающей мембраны). В хлоропластах и бактериальных хроматофорах протоны перекачиваются из окружающей среды внутрь мембраны. При этом знак «плюс» образуется внутри тилакоидов и хроматофоров.

Движущей силой реакций фосфорилирования, осуществляемого мембранной АТФ-азой, служит Дцн+. Образование АТФ происходит в результате переноса протонов через сопрягающую мембрану в направлении, противоположном направлению транспорта протонов дыхательной или фотосинтетической цепью, причем АТФ-аза может локализоваться на значительном удалении от переносчиков зарядов.

Таким образом, сопрягающая мембрана, «заряжаемая» при окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в редокс-цепях, «разряжается» в ходе реакций фосфорилирования (рис. 14). Очевидно, что изложенный выше механизм сопряжения может функционировать только в том случае, если мембрана, разделяющая внутреннее и внешнее реакционные пространства, замкнута и обладает низкой проницаемостью для протонов и ионов гидрокснл