Терлецкий - Металлы, которые всегда с тобой

Если концентрация клеточного раствора ниже, чем в окружающей среде, то вода, этот универсальный растворитель в живых системах, стремится вытекать из клетки для уравнивания концентраций. Поэтому объем внутриклеточной жидкости уменьшается, и клетка под действием наружных осмотических сил начинает сжиматься. Когда концентрация клеточного раствора выше, чем снаружи, вода устремляется в клетку, и она может разбухать до тех пор, пока не лопнет. Это — осмотический шок. Но его можно избежать, если мембрана проницаема и для растворённого вещёства, которое начинает переходить из более концентрированного раствора в разбавленный. Таким образом, вещёства начинают двигаться, диффундировать.

Итак, мембраны — это сложные биологические структуры, состоящие из белков и жироподобных вещёств — липидов. Мембраны разделяют как саму клетку, так и внутренние её образования: ядра, митохондрии, хлоропласты растений. Мембрана — не просто граница, не просто стена, это непосредственный и важнейший участник обменных процессов. Мембраны пропускают в клетку питательные вещёства и выводят наружу отходы жизнедеятельности. С помощью их белковых компонентов осуществляются внутриклеточное дыхание и фотосинтез. Они являются рецепторами запаха, вкуса, цвета, играют важную роль при передаче нервного импульса. Мембраны находятся в постоянном движении, мерцая, пульсируя, обновляясь. Их значение настолько велико, а свойства так разнообразны, что они привлекли к себе внимание не только биохимиков, но и других специалистов из различных областей естествознания и техники. Известные исследователи биомембран А. Котык и К- Яначек (Чехословакия) заметили по этому поводу: «Представление о том, что все явления, свойственные живым организмам, в той или иной степени связаны с клеточными мембранами, становится столь же популярным, как и часто цитируемый афоризм Энгельса «жизнь есть форма существования белковых тел».

Итак, ионы, мембраны и осмос — основные действующие лица переноса вещёств. Но взаимодействие их чрезвычайно сложно и до конца не Вполне ясно. Поэтому пока что объяснить этот механизм, как и многие другие процессы проявления жизни, можно лишь с помощью гипотезы. Дело в том, что обычно частицы растворённого вещёства несут ещё и электрические заряды. В связи с этим их диффузия через мембрану зависит не только от разности концентраций, но и от разности электрических потенциалов. А наши металлы — калий и натрий находятся в растворе в виде катионов — положительно заряжённых ионов. В противоположность им ионы хлора — составная часть хлористого натрия и хлористого калия заряжёны отрицательно (их называют анионами). В результате того, что ионы хлора более подвижны, чем ионы калия и натрия, они будут быстрее диффундировать в менеё концентрированный раствор, и вскоре он окажется заряжённым отрицательно, так как в нем будут преобладать анионы. По другую сторону мембраны раствор с катионами будет заряжён положительно. Так возникает разность потенциалов...

Вот, оказывается, зачем мы солим пищу: чтобы снабдить организм положительными и отрицательными ионами. К тому же ионы хлора необходимы для образования соляной кислоты, которая, как мы Знаем, входя в состав желудочного сока, участвует в процессе пищеварения. Когда впервые было обнаружено, что в соках нашего организма присутствует самая настоящая кислота, многие медики отказывались в это поверить.

Перемещёние ионов по градиенту концентрации от большей её величины к меньшей — вполне естественный процесс, и в нем бы не было ничего удивительного, если бы в живой клетке он не протекал слишком быстро. Теоретические расчёты показывают, что пассивный транспорт некоторых вещёств в клетку должен был бы происходить гораздо медленнеё, чем это имеет место на самом деле.

Мало сказать, что такой перенос назвали пассивным (об активном речь впереди), его к тому же нарекл и и облегчённой диффузией. Дело в том, что существуют особые соединения, которые способствуют переносу ионов и даже молекул через мембраны. Открытие этих вещёств раздвинуло горизонты научного поиска и привело к совершенно удивительным результатам.

Предположение, что существуют вещёства, способные ускорять перенос ионов из растворов электролитов через мембраны, не ново. Оно высказывалось ещё в начале 30-х годов, но подтвердилось лишь через 30 лет. В 1955 году немецкие исследователи X. Брокманн и Г. Шмидт-Кастнер из штамма одной из разновидностей плесени выделили антибиотик валиномицин. Это вещёство привлёкло внимание многих учёных мира. В 1964 году американский исследователь В. Прессман установил, что валиномицин обладаёт способностью образовывать комплексы со щелочными металлами и резко увеличивает способность переноса их ионов через мембраны.

Этим вещёством заинтересовались и советские учёные. Один из основателей биоорганической химии академик М. М. Шемякин, организатор и первый директор Института химии природных соединений (ныне Институт биоорганической химии, носящий его имя), в 1965 году расшифровал химическую структуру и осуществил синтез валиномицина. Несколько позже были получены и его искусственные аналоги. Переносчики ионов щелочных металлов получили название ионофоров. Валиномицин — первое соединение, признанное ионофором, причислили к пептидам — вещёствам, состоящим из остатков аминокислот, соединённых пептидной связью. Пептиды образуют обширный класс биологически активных соединений, к которому относятся антибиотики, различные гормоны, токсины и другие вещёства.

Антибиотики-ионофоры в последнее время прочно вошли в арсенал биохимии и биофизики как эффективные инструменты для исследования процессов, связанных с транспортом ионов через биологические мембраны. Ионофоры имеют разнообразное строение и принцип действия. Одни из них являются самыми настоящими переносчиками: цепляя к себе ион, они буквально протаскивают его через мембрану. Другие ионофоры образуют в биомембранах проницаемые для ионов поры, или каналы. Интересно, что валиномицин, относящийся к ионофорам-переносчикам, имеет макроциклическую структуру, иными словами — кольцо.

Другой антибиотик — грамицидин А (также являющийся продуктом жизнедеятельности плесневых грибков), относящийся к «канальным» ионофорам, имеет линейную структуру. Это изображено на рис. 16.

Самой, пожалуй, удивительной особенностью ионофоров оказалась их способность к избирательному транспорту ионов. Если для грамицидина все равно, какие ионы проводить через мембрану — калия или натрия, то валиномицин в этом отношении оказался совершенно уникальным (чем и привлёк к себе пристальное внимание). Этот ионофор может проводить в 10 тыс. раз (!) больше ионов калия, чем натрия. А в искусственных мембранах, которые в обычных условиях одинаково непроницаемы для ионов этих металлов, валиномицин способствует переносу 100 тыс. ионов калия на один ион натрия. Вот так работает этот «бублик».