Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 84
Текст из файла (страница 84)
10.14),перемещение интегральных мембранныхбелков с одной поверхности мембраны надругую (поперечная диффузия) идет крайнемедленно либо вовсе отсутствует. Следовательно, они не могут служить подвижнымипереносчиками.36.15. Антибиотики-переносчики имеютформу скорлупы ореха и связывают ионыв своей центральной полостиРис. 36.22.Влияние температуры на проводимость липидных двуслойных мембран, одна из которых содержит транспортныйантибиотик-каналообразователь,другая - транспортныйантибиотик, являющийся подвижным переносчиком.браны, содержащей транспортный антибиотик.
При этом берут температурный интервал, включающий температуру фазовогоперехода липида; в этом интервале углеводородная середина мембраны переходит отпрактически затвердевшего состояния досовершенно жидкого. Каналообразователь,опосредуя транспорт ионов через мембрану,сам по себе не диффундирует. Следовательно, застывание углеводородного слоя неокажет существенного влияния на его способность транспортировать ионы. Иная ситуация складывается с подвижным переносчиком ионов, который для проявленияактивности должен диффундировать сквозьуглеводородный слой мембраны: его эффективность при затвердении углеводородногослоя должна значительно уменьшиться.Данные экспериментов с валиномициноми грамицидином А действительно выявляют различие между двумя рассматриваемыми механизмами (рис. 36.22).
Проницаемость содержащей валииомицин двуслойной мембраны возрастает при ееразжижении более чем в 1000 раз. В то жевремя на транспортную активность грамицидина А переход мембраны в жидкое состояние почти не оказывает влияния.Важно подчеркнуть, что все известныев настоящее время природные системытранспорта представляют собой каналы.318Часть V.Молекулярная физиологияПо данным рентгеноструктурного анализаи спектроскопических исследований, антибиотики - подвижные переносчики ионов характеризуются определенной общностьюструктуры.
Все исследованные к настоящему времени переносчики по форме напоминают скорлупу ореха. Единственныйсвязываемый ион металла образует координационные связи с несколькими атомамикислорода, окружающими центральную полость. Число таких атомов кислорода(связывающих ион металла) обычно равно6 или 8. Периферическая часть структурыподвижного переносчика состоит из углеводородных групп (рис. 36.23).Функция центрально расположенных атомов кислорода, окруженных углеводородным наружным слоем, вполне очевидна.В самом деле, в водной среде ион металла,например К+, связывает через кислород несколько молекул воды. Антибиотик-переносчик конкурирует с молекулой воды засвязывание иона, образуя с ним хелатное соединение через несколько соответствующимобразом расположенных атомов кислородав центральной полости.
Благодаря углеводородной периферической части переносчи-Рис. 36.23.Схематическое изображениехелатирования К + атомамикислорода в транспортномантибиотике - подвижном переносчике.Рис. 36.24.Модели валиномицина (А)и его комплекса с К+ (Б). Присвязывании К+ происходит изменение конформации антибиотика. [Изображено в соответствиис атомнымикоординатами, любезно предоставленными д-ром W. Duax(для валиномицина) и д-ромL. Steinrauf (для комплексавалиномицин—К+).]ка его комплекс с ионом растворим в липидах мембран. По существу, каталитическоедействие рассматриваемых антибиотиковна транспорт ионов через мембраны и состоит в том, что они переводят ионы в растворимую в липидах форму.На рис. 36.24 показаны структуры валиномицина и его комплекса с К + .
Ион К+координирован с шестью атомами кислорода, описывающими октаэдр вокруг центральной полости молекулы. Эти атомыкислородапринадлежаткарбонильнымгруппам шести остатков валина в антибиотике. Метильные и изопропильные боковыецепи формируют углеводородную наружную часть молекулы валиномицина.Интересна также структура комплекса сК+ другого переносящего ионы антибиотика, а именно нонактина (рис. 36.25). В этомкомплексе К+ связан с восемью атомамикислорода в центре молекулы. Четыре атома кислорода из восьми принадлежат карбоксильным группам, а остальные четыре - эфирным связям.36.16.
Валиномицин связывает К+ в 1000 разпрочнее, чем Na+Каким образом соединения, транспортирующие ионы, различают такие сходныеионы, как Na+ и К + ? Валиномицин связывает К+ в 1000 раз прочнее, чем Na+, т.е. избирательность этого переносчика выше, чему (Na+ + К + )-АТРазы. Рассмотрим основустоль высокой избирательности.
Как показали спектроскопические исследования,комплексы валиномицина с Na+ и К+ оченьсходны по структуре. В частности, в обоихкомплексах одинаковы длины координационных связей между катионом в центремолекулы и атомами кислорода. Почему жетогда К+ связывается намного прочнее, чемNa + ? Причина этой избирательности в том,что К+ слабее, чем Na+, притягивает воду.Свободная энергия образования гидратнойоболочки для Na+ на 17 ккал/моль ниже,чем для К+ (табл.
36.2). Следовательно, валиномицин связывает К+ прочнее потому,что отделение воды от К+ требует менъТаблица 36.2. Свойства щелочных катионовИонПорядковыйномерэлементаРадиус иона, СвободнаяАэнергиягидратации,ккал/мольLi+Na+К+Rb +Cs +3111937550,600,951,331,481,6936. Мембранный транспорт-98-72-55-51-47319Рис. 36.25.Вид с двух сторон модели комплекса нонактина с К+.шей затраты энергии, чем отделение Na+.Пока еще не проводилось исследованияатомарной структуры какого-либо ионтранспортирующего соединения, предпочтительно связывающего Na + , однако можно представить себе, каким должна бытьключевая особенность такой структуры.
Повидимому, в ней должно отражаться использование того факта, что Na + имеетменьший ионный радиус (r = 0,95 А), чемК+ (r = 1,33 А), благодаря чему отрицательно заряженные атомы кислорода могутв большей степени приблизиться к Na + , чемк К + ; таким путем может быть преодоленболее высокий энергетический барьер дегидратирования Na + но сравнению с К+. Следовательно, можно предсказать, что участки специфического связывания Na+ должныобладать высокой плотностью отрицательного заряда и такой геометрией, котораяпозволяла бы Na+ плотно входить в них. Вотличие от этого участки специфическогосвязывания К+ должны, по-видимому, обладать отрицательным зарядом меньшейплотности и их геометрия должна меньшеподходить для образования очень короткихсвязей между катионом и координирующими группами.Примечательна также гибкость молекулывалиномицина (рис. 36.24).
Хелатирование320Часть V.Молекулярная физиологияК + представляет собой ступенчатый процесс, в ходе которого молекулы воды гидратной оболочки иона последовательновытесняются кислородными атомами антибиотика. Новые связи формируются по мереразрыва старых, и потому активационныйбарьер для связывания иона оказываетсянизким. Аналогичным образом и энергияактивации противоположного процесса - высвобождения иона - также низка.В итоге валиномицин присоединяет и высвобождает К + множество раз на протяжении секунды. Важная роль гибкости структуры в этом случае так же очевидна, каки при действии ферментов.36.17.
Можно выявить поток ионовчерез единичный канал в мембранеПроводимость планарной двуслойной мембраны, содержащей небольшое количествограмицидина А, не является постоянной.Как показал Денис Хейдон (Denis Haydon),проводимость этой мембраны для Na + изменяется во времени ступенчато (рис. 36.26).Эти ступени проведения иона определяютсяспонтанным открыванием и закрываниемобразованных грамицидином А каналов.Единичный канал остается открытым в течение примерно секунды. По такому каналулегко проходят одновалентные катионы, ноне анионы или двухвалентные катионы. Оказалось, что по одному каналу в течение секунды мажет, пройти более 107 ионов. Такаяскорость транспорта только на один порядок величины ниже скорости диффузии в чистой воде.
В отличие от этого максимальнаяскорость транспорта, осуществляемого подвижным переносчиком, составляет менееРис. 36.26.Ступенчатое изменение проводимости липидной двуслойноймембраны, содержащей несколько молекул грамицидинаА. Минимальное увеличениепроводимости обусловлено появлением одного открытогоканала. (Печатается с любезного разрешения д-ра О. Andersen.)103 ионов в 1 с, так как повороты и перемещение подвижного переносчика в мембранезанимают не менее 1 мс.Методами спектроскопии и дифракциирентгеновских лучей было показано, чтотрансмембранный канал образуется из двухмолекул грамицидина А (рис.
36.27). Внутримембраны обладающий свойством проводника спирализованный димер находитсяв равновесии с непроводящими мономерами. По существу, ступенчатое изменениепроводимости на рис. 36.26 соответствуетпроцессу образования и диссоциации димеров. Димер формирует обводненный каналдиаметром 4 А, окруженный полярнымигруппами пептидов. Гидрофобные боковыецепи располагаются на периферии каналаи контактируют с углеводородными цепямифосфолипидов мембраны.
Окружающие водную пору карбоксильные группы в каналеобразуюткратковременныекоординационные связи с катионом в момент егопрохождения по каналу. Как показал рентгеноструктурный анализ, связавший катионы канал становится короче и шире; этоеще раз подчеркивает динамическую природу молекул, обладающих транспортнойфункцией.Рис. 36.27.Схематическоеизображениеканала из грамицидина А. Канал образуется путем связывания N-формильных концовдвух полипептидов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
