4. Ионные каналы.

Гипотеза о существовании в живых тканях пор, заполненных водой, по которым осуществляется перенос, была сформулирована Э. В. Брюкке в 1842 г. при исследовании транспорта воды через стенку мочевого пузыря. Однако только через столетие - во второй половине XX в. - гипотеза Брюкке стала общепринятой концепцией, чему способствовали работы Ходжкина и Хаксли (1952), Давсона и Даниелли (1955) и исследования свойств грамицидинового канала, встроенного в искусственный липидный бислой [Хладни, Хайдон, 1970; 1972].

Согласно современной концепции, мембранный канал представляет собой интегральный белок (белковый комплекс, или гликопротеид), встроенный в липидный бимолекулярный каркас мембраны, пронизывающий ее насквозь и обеспечивающий перенос веществ через нее в сторону более низкого электрохимического потенциала. Вторичная структура компонентов мембранного белкового комплекса имеет характер -складчатости с цилиндрической порой внутри, заполненной водой. Коэффициент проницаемости ионных каналов составляет 10^-8-10^-9 м∙с^-1, что на 5-6 порядков меньше скорости переноса ионов при свободной диффузии в водной среде. Замедление обусловлено тем, что движение иона по каналу представляет собой последовательное замещение молекул воды гидратной оболочки иона на полярные группы, выстилающие полость канала.

Хилле в 1977-1984 гг. предложил функциональную модель ионного канала, согласно которой в нем имеются два основных компонента: селективный фильтр и воротный механизм. Первый имеет жесткую структуру, т.е. в этой части белковый комплекс, образующий канал, не может изменять размеры поры внутри него и регулировать проницаемость мембраны. Функция селективного фильтра - пропускать через канал определенное вещество или группу сходных с ним веществ, т.е. отбирать их из других.

Регулирование мембранной проницаемости обеспечивается так называемыми воротными процессами. Они осуществляются «воротами канала», которые представляют собой части белкового комплекса, способные «раскручиваться» и «скручиваться» в ходе их механохимических реакций и благодаря этому создавать просвет внутри белкового комплекса или перекрывать его (сжимать или восстанавливать пору).

Профиль просвета имеет размер, соизмеримый с размером пропускаемого вещества (десятые доли нанометра). Поэтому движение веществ по каналу однорядное и, следовательно, канал может пребывать только в одном из двух противоположных состояний: закрытом или полностью открытом, при котором достигается максимальная скорость транспорта. Например, скорость движения натрия и кальция через соответствующие потенциалзависимые каналы составляет 10⁷ ионов в секунду и не может быть меньшей или большей. Канал либо совсем не пропускает вещества (в закрытом состоянии ворот), либо пропускает их с определенной скоростью. Приведенная выше скорость ионного транспорта обеспечивает электропроводность одиночного канала, равную примерно 40 пСм.

Из сказанного следует, что проницаемость мембраны для данного вещества определяется не степенью раскрытия одной поры (она либо сжата, либо полностью раскрыта), а числом открытых каналов в данный момент. Поэтому мембранную проницаемость (Р) при переносе веществ по каналам рассчитывают по формуле:

[18]

где п - число открытых каналов на единице поверхности мембраны, r - радиус канала, D - коэффициент диффузии вещества в воде, h - длина канала (примерно равна толщине мембраны).

Переход канала из закрытого состояния в открытое и обратно осуществляется под действием определенных стимулов. Если таким стимулом служит сдвиг мембранного потенциала, то канал относится к группе потенциалзависимых ионных каналов. В них важным компонентом воротного механизма является сенсор напряжения, образованный связанными зарядами, которыми обладают аминокислотные остатки белкового комплекса, составляющего канал. Например, в потенциалзависимом натриевом канале сенсор напряжения, как полагают, образован катионными аминокислотными остатками (гистидином, лизином, аргинином).

Вторую группу каналов составляют потенциалнезависимые каналы. Они управляются не сдвигами мембранного потенциала, а стимулами других модальностей: химическими, механическими, световыми и др. Потенциалнезависимые каналы обычно функционируют во взаимодействии с мембранными рецепторами, воспринимающими соответствующие стимулы. Посредниками между рецепторами и каналами служат, как правило, внутриклеточные сигнальные системы.

Подразделение всех каналов на эти две группы - не единственная их классификация. Существуют классификации и по другим признакам, но приведенная классификация очень актуальна, поскольку с функционированием потенциал-зависимых ионных каналов связано важнейшее свойство живых тканей - возбудимость.

Кинетика и энергетическое обеспечение трансмембранного переноса гидрофильных веществ через каналы и посредством переносчиков существенно различны. Так, скорость транспорта ионов по каналам, как уже говорилось, составляет 10⁷ ионов в секунду, а посредством переносчиков - 10⁴ ионов∙с^-1, т. е. в тысячу раз меньше. Потенциальный барьер канального переноса - менее 13 кДж моль^-1, а транспорта с участием переносчика - более 67 кДж моль^-1.

По каналам мембрану преодолевают главным образом ионы, а переносчики транспортируют как ионы, так и моносахариды и аминокислоты. Нередко переносчики образуют комплексы с моносахаридом и ионом натрия, с аминокислотой и ионом натрия.

Подытоживая сложившиеся взгляды на механизмы транспорта веществ через клеточные мембраны, нельзя не отметить единодушного мнения о разнообразии транспортных процессов: диффузия сквозь липидный бислой, движение по мембранным каналам, перемещение в комплексе с переносчиком. Очевидно, перечисленные механизмы не исчерпывают гетерогенности мембранного транспорта, тем более что в пределах каждого из них существует большое разнообразие конкретных способов реализации общего принципа. Многие вещества могут транспортироваться разными способами (например, для ионов натрия есть и переносчики, и каналы, работающие одновременно и согласованно). Многообразие вариантов переноса является основой селективной (избирательной) проницаемости разных БМ по отношению к тем или иным веществам. Она зависит от того, какие механизмы и в какой степени сформированы в данной мембране. Так, в одних БМ нет переносчиков моносахаридов, а в других они есть, причем в разных мембранах - в неодинаковых количествах; в одних БМ присутствуют только потенциалнезависимые ионные каналы, а в других - как потенциалнезависимые, так и потенциалзависимые. Подобным примерам нет конца. С некоторыми из них читатель встретится на последующих страницах учебника.

В целом при пассивном транспорте селективность БМ определяется коэффициентом распределения вещества между липидом и водой, а в еще большей степени - избирательностью каналов и переносчиков по отношению к определеным агентам.