Страйер Л. Биохимия. Том 3

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 36.26. Ступенчатое изменение прово-

димости липидной двуслойной

мембраны, содержащей не-

сколько молекул грамицидина

А. Минимальное увеличение

проводимости обусловлено по-

явлением одного открытого

канала. (Печатается с любезно-

го разрешения д-ра О. Ander-

sen.)

ионов в 1 с, так как повороты и переме-

щение подвижного переносчика в мембране

занимают не менее 1 мс.

Методами спектроскопии и дифракции

рентгеновских лучей было показано, что

трансмембранный канал образуется из двух

молекул грамицидина А (рис. 36.27). Внутри

мембраны обладающий свойством провод-

ника спирализованный димер находится

в равновесии с непроводящими мономера-

ми. По существу, ступенчатое изменение

проводимости на рис. 36.26 соответствует

процессу образования и диссоциации диме-

ров. Димер формирует обводненный канал

диаметром 4 А, окруженный полярными

группами пептидов. Гидрофобные боковые

цепи располагаются на периферии канала

и контактируют с углеводородными цепями

фосфолипидов мембраны. Окружающие во-

дную пору карбоксильные группы в канале

образуют кратковременные координа-

ционные связи с катионом в момент его

прохождения по каналу. Как показал рент-

геноструктурный анализ, связавший ка-

тионы канал становится короче и шире; это

еще раз подчеркивает динамическую приро-

ду молекул, обладающих транспортной

функцией.

Рис. 36.27. Схематическое изображение

канала из грамицидина А. Ка-

нал образуется путем связыва-

ния N-формильных концов

двух полипептидов. Каждая

цепь скручивается в β-спираль,

похожую на свернутый в рулон

β-складчатый слой. Изобра-

женная модель была предложе-

на Деном Ури (Dan Urry).

[Weinstein S., Wallace В. А.,

Blout E. R., Morrow J. S.,

Veatch W., Proc. Nat. Acad. Sci.,

76, 4230 (1979).]

36. Мембранный транспорт

321

Рис. 36.28. Электронная микрофотогра-

фия изолированных листков

межклеточных щелевых соеди-

нений. Цилиндрические кон-

нексоны образуют гексаго-

нальную решетку с ребром

ячейки 85 А. Диаметр интенсив-

но окрашенной полости в цен-

тре - около 20 А. (Печатается

с любезного разрешения д-ра

N. Unwin и д-ра G. Zampighi.)

36.18. Через щелевые соединения ионы

и небольшие молекулы перетекают

из клетки в клетку

Большие водные каналы, через которые

происходит пассивный транспорт, свой-

ственны многим биологическим мембранам

прокариот и эукариот. Так, в наружной мем-

бране грам-отрицательных бактерий

имеются каналы, образованные порином —

трансмембранным белком массой 37 кДа

(разд. 32.14). По этим каналам диаметром

10 А легко проникают в периплазматиче-

ское пространство полярные молекулы мас-

сой, не превышающей примерно 600 Да. Да-

лее эти молекулы транспортируются

в цитозоль посредством симпорта, трансло-

кации групп или иных пермеаз. Подобным

же образом в наружных мембранах мито-

хондрий и хлоропластов имеются большие

водные каналы, образованные из анало-

гичных порину молекул.

Наиболее хорошо изученным типом во-

дного канала у эукариот является щелевое

соединение (щелевой контакт), называемое

322

Часть V.

Молекулярная физиология

также межклеточным каналом, поскольку

он служит протоком между внутренним со-

держимым многих смежных клеток. Ще-

левые соединения, открытые Жан-Полем

Ревелем и Морисом Карновским (Jean-Paul,

Revel, Morris Karnovsky), располагаются

скопом (кластерами) в определенных участ-

ках плазматических мембран прилежащих

друг к другу клеток. На электронных микро-

фотографиях листков щелевых соединений

(рис. 36.28) можно видеть, что каждое со-

единение образовано шестью субъединица-

ми, окружающими пору диаметром

15-20 А. На тангенциальном срезе

(рис. 36.29) видно, что эти гексамеры про-

низывают промежуток (щель) между сопри-

касающимися клетками (отсюда и назва-

ние - щелевое соединение). Для определения

внутреннего размера щелевых соединений

производили микроинъекцию ряда флуорес-

цирующих веществ в одни клетки и затем

наблюдали, как распространяется флуорес-

ценция по соседним клеткам. По данным

Вернера Лёвенштейна (Werner Loewenstein),

все полярные вещества массой до 1 кДа лег-

ко проходят по межклеточным каналам.

Другими словами, по щелевым соединениям

из одной клетки в другую могут поступать

неорганические ионы и большинство метабо-

литов (сахара, аминокислоты, нуклеотиды).

Что касается белков, нуклеиновых кислот

и полисахаридов, то из-за своих больших

размеров они не проходят по этим каналам.

Щелевые соединения играют важную роль

в межклеточной коммуникации. В ряде воз-

будимых тканей, например в сердечной мы-

шце, клетки объединены в единую систему

быстрым потоком ионов через эти соедине-

ния; таким путем достигается быстрый

и синхронный ответ на стимуляцию. Через

Рис. 36.29. Электронная микрофотогра-

фия тангенциального среза ще-

левых соединений между при-

лежащими клеточными мем-

бранами. [Hertzberg E. L., Gi-

lula N. В., J. Biol. Chem., 254.

2143 (1979).]

щелевые контакты происходит также пита-

ние клеток, удаленных от кровеносных сосу-

дов, например в костях или хрусталике гла-

за. Представляется вероятным, что рассма-

триваемые каналы коммуникации имеют

важное значение в регуляции процессов раз-

вития и дифференцировки.

Проницаемость щелевых контактов регу-

лируется ионами кальция. Повышение вну-

триклеточного содержания Са

приводит

к тому, что щелевой контакт в той или

иной мере закрывается. Межклеточные ка-

налы полностью открыты при концентра-

ции Са

ниже 10

-7

М и полностью закры-

ваются при концентрации Са

, превышаю-

щей 5•10

-5

М. Увеличение содержания

Са

указанном диапазоне приводит

к сужению просвета межклеточных каналов,

причем в первую очередь снижается прони-

цаемость для более крупных молекул.

Структурная основа таких изменений про-

света каналов была выявлена при анализе

реконструированных трехмерных изображе-

ний полей щелевых контактов, взятых

в двух различающихся по четвертичной

структуре состояниях. Эти структурные ис-

следования показали, что щелевой контакт

состоит из двух смыкающихся цилиндриче-

ских единиц, названных коннексонами.

Каждый коннексон образован шестью

субъединицами, имеет длину 75 А и на-

сквозь пронизывает плазматическую мем-

брану. Сегмент коннексока длиной 20 А вы-

ступает во внеклеточное пространство

и соединяется с коннексоном прилежащей

клетки. Длинная ось каждой из субъединиц

коннексона имеет наклон по отношению

к поперечной оси мембраны. Путем сколь-

жения субъединиц относительно друг друга

происходит уменьшение их наклона к попе-

речной оси мембраны, и канал при этом за-

крывается (рис. 36.31). Самые большие кон-

формационные изменения имеют место

в середине канала, где субъединицы двух

стыкующихся коннексонов скользят относи-

тельно друг друга на расстояние примерно

11 А, что соответствует повороту на 28

Анализ высокой степени разрешения позво-

лит в дальнейшем выявить, каким образом

Са

индуцирует скольжение и поворот.

Рис. 36.30. Схематическое изображение

щелевого контакта.

36. Мембранный транспорт

323

Рис. 36.31. Модель регуляции ионами

Са

степени закрывания ще-

левого соединения. (По рисун-

ку, любезно предоставленному

д-ром N. Unwin и д-ром

G. Zampighi.)

Заключение

Транспорт молекул и ионов через биологи-

ческие мембраны осуществляется транс-

мембранно ориентированными белками, ко-

торые формируют каналы. Транспорт

является пассивным, если ΔG для транспор-

тируемого компонента отрицательно; в слу-

чае активного транспорта величина ΔG по-

ложительна. Изменения свободной энергии

зависят от соотношения концентраций

транспортируемого компонента по двум

сторонам мембраны и от мембранного по-

тенциала, если мембрана заряжена. Ак-

тивный транспорт требует вклада свобод-

ной энергии. Наиболее распространенная

система транспорта в животных

клетках - (Na

+ K

)-насос, который выво-

дит из клетки три иона Na

и насасывает

в клетку два иона К

за счет энергии гидро-

лиза одной молекулы АТР. В присутствии

ATP фосфорилирует аспартатную бо-

ковую цепь в α-субъединице этого фермен-

тативного комплекса с субъединичным

составом α

. Образовавшееся фосфори-

лированное промежуточное соединение ги-

дролизуется в присутствии К

. Эту послед-

нюю реакцию подавляют кардиотонические

стероиды (например, дигиталис), являющие-

ся высокоспецифичными ингибиторами

(Na

+ К

)-насоса. В результате цикла кон-

формационных изменений, обусловленных

фосфорилированием и дефосфорилирова-

нием, происходит перенос ионов Na

и К

Транспорт ионов кальция, играющих важ-

ную роль в регуляции мышечного сокраще-

324

Часть V.

Молекулярная физиология

ния, осуществляется иной АТРазной систе-

мой, локализованной в мембране сарко-

плазматического ретикулума. Однако и

в этом случае процесс транспорта сопряжен

с фосфорилированием остатка аспартата.

Обе системы транспорта - как Са

, так и

(Na

+ К

) - удалось реконструировать из

соответствующих очищенных АТРаз и фос-

фолипидов.

Для ряда транспортных систем непосред-

ственным источником энергии служит не ги-

дролиз АТР, а градиент концентрации ио-

нов. Так, активный транспорт глюкозы

и аминокислот в ряде животных клеток со-

пряжен с одновременным входом Na

; та-

кой процесс называется котранспортом.

Одновременный вход Na

и глюкозы обес-

печивается специфическим симпортом.

(Na

+ К

)-насос создает тот градиент кон-

центрации ионов Na

, который необходим

для сопряженного входа Na

и глюкозы.

У бактерий, как правило, непосредственным

источником энергии для симпортов и анти-

портов служит градиент концентрации Н

а не Na

. Например, активный транспорт

лактозы, осуществляемый пермеазой для

лактозы, сопряжен с входом протона в бак-

териальную клетку. Этот транспортный

процесс протекает за счет протонодвижу-

щей силы, генерируемой переносом элек-

тронов по дыхательной цепи. Бактериям

свойствен и иной тип транспорта, а именно

так называемая транслокация групп; в этом

случае происходит модификация растворен-

ного вещества в процессе переноса. Так,

фосфотрансферазная система, переносящая

сахара, фосфорилирует их (например, глю-

козу в глюкозо-6-фосфат) по мере поступле-

ния в клетку. Донором фосфорильной

группы в этом процессе служит фосфоенол-

пируват. Фосфорилирование опосредовано

тремя разными ферментами и небольшим

белком (HPr) - переносчиком фосфорильной

группы.

Клетки прокариот и эукариот содержат

также наполненные водой каналы, по ко-

торым ионы и небольшие полярные моле-

кулы могут пассивно диффундировать

сквозь мембраны. Например, в наружных

мембранах грам-отрицательных бактерий

имеются пориновые каналы диаметром

около 10 А. Между соприкасающимися

клетками высших организмов во многих

случаях имеются щелевые соединения. По

этим каналам диаметром 20 А ионы и боль-

шинство метаболитов (например, моносаха-

риды, аминокислоты и нуклеотиды) могут

перетекать из одной клетки в другую. Ще-

левые соединения закрываются под дей-

ствием Са

. Эти протоки между соприка-

сающимися клетками играют важную роль

в межклеточной коммуникации.

Транспортные антибиотики повышают

проницаемость мембран для определенных

ионов, функционируя в качестве подвижных

переносчиков (например, валиномицин) ли-

бо каналообразователей (например, грами-

цидин А). Молекула антибиотика подвижно-

го переносчика, имеющая форму скорлупы

ореха, связывает в центральной полости

один ион металла. Благодаря углеводород-

ной периферической части весь комплекс

способен проходить сквозь внутренний

углеводородный слой мембраны. Кана-

лообразующие антибиотики формируют

пронизывающие мембрану водные по-

ры.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ

ЛИТЕРАТУРА

С чего начать

Hobbs A.S., Alberts R.W., 1980. The

structure of proteins involved in active

membrane transport, Ann. Rev. Biop-

hys. Bioeng., 9, 259-291.

Wilson D.В., 1978. Cellular transport

mechanisms, Ann. Rev. Biochem., 47,

933-965.

Harold F.M., 1978. Vectorial meta-

bolism. In: Ornston L.N. and So-

katch J.R. (eds.), The Bacteria, vol. 6,

pp. 463-521, Academic Press.

Saier M.H., Jr., 1979. The role of the

cell surface in regulating the internal

environment. In: Sokatch J.R. Orn-

ston L.N. (eds.), The Bacteria, vol. 7, pp.

167-227, Academic Press.

Estes J.W., White P.D., 1965. William

Withering and the purple foxglove, Sci.

Amer., 212(6), 110-117. (Любопытное

описание истории открытия и ис-

пользования дигиталиса.)

Книги

Andreoli Т.E., Hoffman J.F., Fane-

stil D.D. (eds.), 1978. Physiology of

Membrane Disorders, Plenum. (Содер-

жит прекрасные статьи, касающиеся

многих аспектов мембранного транс-

порта.)

Rosen В.P. (ed.), 1978. Bacterial

Transport, Dekker.

Транспорт ионов Na

и К

Skou J.C., Norby J.G., (eds.), 1979. Na,

K-ATPase: Structure and Kinetics,

Academic Press,

Fishman M.C., 1979. Endogenous

digitalis-like activity in mammalian

brain, Proc. Nat. Acad. Sci., 76,

4661-4663.

Sweadner K.J., Goldin S.M., 1980.

Active transport of sodium and

potassium ions: mechanism, function,

and regulation, New Engl. J. Med., 302,

777-783.

Cantley L.C., Jr., Resh M.D., Guidot-

ti G., 1978. Vanadate inhibits the red

cell (Na

, K

)-ATPase from the

cytoplasmic side, Nature, 272, 552-554.

Akera Т., 1977. Membrane adenosi-

netriphosphatase: a digitalis receptor?

Science, 198, 569-574. (Обзор данных,

показывающих, что (Na

+ К

)-АТРаза является мишенью

фармакологического действия диги-

талиса.)

Jardetzky О., 1966. Simple allosteric

model for membrane pumps, Nature,

211, 969.

Транспорт ионов кальция

DeMeis L., Vianna A.L., 1979. Energy

interconversion by the Ca

-dependent

ATPase of the sarcoplasmic reticulum,

Ann. Rev. Biochem., 48, 275-292.

MacLennan D.H., Campbell K.P., 1979.

Structure, function, and biosynthesis of

sarcoplasmic reticulum proteins, Trends

Biochem. Sci., 4, 148-151.

Tada M., Yamamoto Т., Tonomura Y.,

1978. Molecular mechanism of active

calcium transport by sarcoplasmic

reticulum, Physiol. Rev., 58, 1-79.

Racker E., 1972. Reconstitution of

a calcium pump with phospholipids and

a purified Ca

-adenosine triphos-

phatase from sarcoplasmic reticulum, J.

Biol. Chem., 247, 8198-8200.

Wasserman R.H., Fullmer C.S., Tay-

lor A.N., 1978. The vitamin D-depen-

dent calcium binding proteins. In:

Lawson D. E. M. (ed.), Vitamin D,

Academic Press.

Kretsinger R.H., 1976. Calcium-binding

proteins, Ann. Rev. Biochem., 45,

239-266.

Система транспорта у бактерий

Kaback H.R., Ramos S., Robert-

son D.E., Stroobant P., Tokuda H.,

1977. Energetics and molecular biology

of active transport in bacterial mem-

brane vesicles, J. Supramol. Struc., 7,

443-461.

Saier M.H., Jr., 1977. Bacterial phos-

phoenolpyruvate sugar phosphotran-

sferase systems: structural, functional,

and evolutionary interrelationships,

Bacteriol. Rev, 41, 856-871.

Simoni R.D., Postma P.W., 1975. The

energetics of bacterial active transport,

Ann. Rev. Biochem., 44, 523-554.

Каналы между клетками

Loewenstein W.R., Kanno Y.,

Socolar S.J., 1978. The cell-to-cell chan-

nel, Fed. Proc., 37, 2645-2650.

Unwin P.N.T., Zampighi G., 1980.

Structure of the junction between

communicating cells, Nature, 283,

545-549.

Hertzberg E.L., Gilula N.B., 1979.

Isolation and characterization of gap

junctions from rat liver, J. Biol. Chem,

254, 2138-2147.

Staehelin L.A., Hull B.E., 1978. Junc-

tions between living cells, Sci. Amer,

238(5), 140-152.

Транспортные антибиотики

Urban В.W., Hladky S.B., Haydon

D.A., 1978. The kinetics of ion

movements in the gramicidin channel,

Fed. Proc., 37, 2628-2632.

Ovchinnikov Y.A., 1979. Physico-che-

mical basis of ion transport through

biological membranes: ionophores and

ion channels, Eur. J. Biochem., 94,

321-336.

Lauger P., 1972. Carrier-mediated ion

transport, Science, 178, 24-30.

Krasne S., Eisenman G., Szabo G., 1971.

Freezing and melting of lipid bilayers

and the mode of action of nonactin,

valinomycin, and gramicidin, Science,

174, 412-415.

Koeppe R.E., Berg J.M., Hodg-

son K.O., Stryer L., 1979. Gramicidin

A crystals contain two cation bind-

ing sites per channel, Nature, 279,

723-725.

ГЛАВА 37

Возбудимые мембраны и

сенсорные системы

Мембраны многих клеток способны возбу-

ждаться под действием специфических хи-

мических или физических стимулов. Ответы

мембраны аксона нервной клетки на элек-

трический стимул, синапса на выделение ме-

диатора, палочек сетчатки на свет, под-

вижных клеток на молекулы аттрактан-

тов - все это реакции, опосредованные воз-

будимыми комплексами, присутствующими

в мембранах. Эти и другие процессы, опо-

средованные возбудимыми комплексами,

имеют следующие общие особенности.

1. Стимул воспринимается высокоспеци-

фичным белком-рецептором, который

является интегральным компонентом возбу-

димой мембраны.

2. Специфический стимул вызывает изме-

нение конформации рецептора, что в свою

очередь приводит к изменению проницае-

мости мембраны или активности связанно-

го с мембраной фермента. При этом во мно-

гих случаях происходит многократное уси-

ление ответа на специфические стимулы.

3. Как конформационный сдвиг, так

и возникающие в результате функцио-

нальные изменения рецептора обратимы.

Существуют специальные механизмы, воз-

вращающие рецептор в состояние покоя

и восстанавливающие его возбудимость.

В этой главе мы рассмотрим четыре типа

возбудимых комплексов, начав с натриевого

канала в мембранах аксонов нервных кле-

ток; этот зависимый от потенциала канал

участвует в возникновении потенциала дей-

ствия в нервах. Далее мы обратимся к хими-

чески регулируемому каналу и рассмотрим,

326

Часть V.

Молекулярная физиология

как рецепторы ацетилхолина обеспечивают

проведение нервного импульса в опреде-

ленных синапсах. Затем перейдем к палоч-

кам сетчатки глаза - исключительно чув-

ствительному детектору света. При этом мы

познакомимся с ролью фоторецепторного

белка родопсина в преобразовании света

в нервный сигнал. Последняя тема данной

главы - хемотаксис, т. е. движение клеток по

направлению к веществам-аттрактантам

и от веществ-репеллентов. В последние годы

получено много новых сведений относи-

тельно сопряжения хеморецепторов с двига-

тельным аппаратом у бактерий.

37.1. Потенциалы действия опосредованы

кратковременными изменениями

проницаемости для Na

и К

Нервные импульсы представляют собой

электрические сигналы, создаваемые током

ионов через плазматическую мембрану ней-

ронов. В нейроне, как и в большинстве кле-

ток, К

содержится в высокой концентра-

ции, a Na

- в низкой. Градиенты концен-

трации этих ионов генерируются (Na

Рис. 37.1. Электронная микрофотогра-

фия синапса. (Печатается с лю-

безного разрешения д-ра

U. Jack McMahan.)

+ К

)-насосом (разд. 36.2). В состоянии

покоя проницаемость мембраны нервной

клетки для К

гораздо выше, чем проницае-

мость для Na

, и поэтому мембранный по-

тенциал определяется главным образом от-

ношением внутриклеточной концентрации

к внеклеточной (рис. 37.2, А). В нестиму-

лированных аксонах мембранный потен-

циал составляет -60 мВ; это близко к

величине -75 мВ (равновесный К

-потен-

циал), которая соответствует проницае-

мости мембраны для одних только ионов

. Нервный импульс, или потенциал дей-

ствия, возникает при деполяризации мем-

браны, выходящей за пределы выше порого-

вого уровня (а именно с —60 до —40 мВ).

За несколько миллисекунд мембранный по-

тенциал становится положительным и до-

стигает примерно +30 мВ, после чего

вновь делается отрицательным. Эта усилен-

ная в несколько раз деполяризация распро-

страняется по нерву, достигая нервного

окончания. В раскрытии природы потенциа-

ла действия важную роль сыграло изучение

гигантского аксона кальмара. Поскольку

в этот необычайно крупный аксон (диаме-

тром около миллиметра) нетрудно ввести

электроды, он стал излюбленным объектом

исследователей.

Каков механизм возникновения потен-

циала действия? Ален Ходжкин и Эндрью

Хаксли (Alan Hodgkin, Andrew Huxley) про-

вели остроумные исследования, показав-

шие, что потенциал действия возникает в ре-

зультате сильных кратковременных измене-

ний проницаемости мембраны аксона для

ионов Na

и К

(рис. 37.2, Б). Сначала ме-

няется проницаемость мембраны для Na

Деполяризация мембраны выше порогово-

го уровня приводит к открытию

-каналов. В силу существования высо-

кого трансмембранного электрохимическо-

го градиента концентрации Na

ионы

натрия начинают входить в клетку. Вход

усиливает деполяризацию мембраны

и способствует тому, что открывается еще

большее число Na

-каналов. Эта положи-

тельная обратная связь между деполяриза-

цией и входом Na

приводит к очень бы-

стрым и очень большим по величине

изменениям мембранного потенциала: от

—60 до +30 мВ за одну миллисекунду.

Вход прекращается при достижении при-

мерно +30 мВ, так как это значение со-

ответствует равновесному Na

-потенциалу.

Другими словами, по достижении этого по-

тенциала исчезает та термодинамическая

Рис. 37.2. Потенциал действия возникает

в результате деполяризации

мембраны аксона нервной

клетки. Показано изменение во

времени мембранного потен-

циала (А) и проводимости ио-

нов натрия и калия (Б).

движущая сила, за счет которой происходил

вход Na

. Na

-каналы спонтанно закры-

ваются, и к этому времени начинают откры-

ваться К

-каналы (рис. 37.2, Б). В результа-

те ионы калия входят в клетку, и мем-

бранный потенциал вновь становится отри-

цательным. Примерно через две миллисе-

кунды мембранный потенциал становится

равным —75 мВ, т. е. равновесному К

-по-

тенциалу. Уровень покоя —60 мВ вос-

станавливается еще через несколько милли-

секунд, когда проводимость К

снижается

до величины, характеризующей нестимули-

рованное состояние. Необходимо подчерк-

нуть, что во время потенциала действия че-

рез плазматическую мембрану проходит

очень малое количество ионов Na

- примерно одна миллионная часть от

содержания этих ионов в нервной клетке.

Другими словами, при одном нервном им-

пульсе расходуется лишь ничтожно малая

часть (Na

-K

)-градиента. Из этого яв-

ствует, насколько эффективен потенциал

37. Возбудимые мембраны

и сенсорные системы

327

Рис. 37.3. Избирательность натриевого

канала в отношении ионов ча-

стично определяется стериче-

скими факторами. Ионы Na

вместе с присоединенной

к ним молекулой воды, так же

как гидроксиламин и гидразин,

соответствуют размерам кана-

ла. В отличие от этого К

с присоединенной молекулой

воды оказывается слишком

большим для канала.

(Keynes R. D., Ion-channels in

the nerve-cell membrane,

Scientific American, Inc., 1979.)

действия как средство сигнализации на

большие расстояния.

-канал проводит Na

в 11 раз лучше,

чем К

. Как достигается такая избиратель-

ность? Окончательный ответ на этот вопрос

будет получен только после анализа струк-

туры канала при высоком разрешении. Од-

нако электрофизиологические исследования

относительной проницаемости канала для

различных щелочных катионов и органиче-

ских катионов все же дают определенный

ключ к решению данного вопроса. Зависи-

мость проницаемости от размера иона

(табл. 37.1) указывает на то, что канал узок:

через него не проходят ионы, диаметр ко-

торых превышает 5 А. Однако проводи-

мость определяется не только размерами.

Так, метиламин (H

CNH

) имеет почти та-

кие же размеры, как гидразин (H

NNH

)

и гидроксиламин (HONH

), но при этом не-

сравненно хуже проходит через канал. При-

чина, по всей вероятности, кроется в том,

что метильная группа метиламина в отли-

чие от аминогруппы гидразина или гидрок-

328

Часть V.

Молекулярная физиология

сильной группы гидроксиламина не обра-

зует водородной связи с кислородным

атомом канала. В результате метиламин не

проходит по каналу. Обнаружен еше один

важный факт: проводимость Na

-канала

в отношении всех проникающих катионов

значительно уменьшается при снижении рН.

По существу, относительная проницаемость

соответствует кривой титрования кислоты

с рK 5,2, что указывает на присутствие отри-

цательно заряженного карбоксилат-иона

в активной форме канала. Таким образом,

избирательность Nа

-канала в отношении

обусловлена наличием отрицательно

заряженного участка с малым радиусом.

Ион К

, будучи крупнее, чем Na

, практи-

чески не может пройти через эту область

(рис. 37.3).

37.2. Тетродотоксин и сакситоксин

блокируют натриевые каналы в мембранах

аксонов нервных клеток

Тетродотоксин - сильнодействующий яд

рыбы иглобрюха - блокирует проведение

нервных импульсов вдоль аксона и в возбу-

димых мембранах нервных волокон, что вы-

зывает паралич дыхания. Летальная доза

для мыши составляет около 0,01 мкг. В свя-

Таблица 37.1. Относительная проницаемость натриевого

и калиевого каналов в мембранах аксонов

Ион

HONH

NNH

CNH

канал

0,93

1,00

0,09

<0,01

0,16

0,94

0,59

<0,01

канал

<0,01

1,00

0,91

<0,08

0,13

<0,03

<0,02

Рис. 37.4. Блокаторы Na

-канала.

зи с высокой специфичностью действия те-

тродотоксин с успехом используется при

экспериментальных исследованиях. Он

Иглобрюх, считающийся в Япо-

нии деликатесом.

очень прочно (К 10

-9

М) связывается с

-каналом и блокирует поток ионов на-

трия, не влияя при этом на К

-канал. Та-

ким же действием обладает и сакситоксин,

вырабатываемый одним из морских дино-

флагеллят. Моллюски, питающиеся дино-

флагеллятами, в особенности съедобные

двустворчатые моллюски и мидии, тоже

становятся ядовитыми. Так, одна мелкая

мидия может содержать сакситоксин в дозе,

достаточной чтобы убить 50 человек! Об-

щая структурная особенность тетродотокс-

ина и сакситоксина - наличие гуанидиновой

группы (рис. 37.4). Эта положительно заря-

женная группа токсина взаимодействует

с отрицательно заряженным карбоксилат-

ионом в устье канала на внеклеточной сто-

роне мембраны. В сущности, эти токсины

являются конкурентными ингибиторами

Тетродотоксин и сакситоксины в силу

своей специфичности и высокого сродства к

-каналу оказались ценнейшими сред-

ствами анализа. Так, измерением связыва-

ния меченого тетродотоксина с высокой

удельной радиоактивностью определяли

плотность Nа

-каналов в различных возбу-

димых мембранах. Немиелинизированные

нервные волокна, которые лишены изоля-

ционного слоя миелина, обычно характери-

зуются низкой плотностью Na

-ка-

налов - порядка 20 на 1 мкм

. В мембранах

таких аксонов Na

-каналы отделены друг

от друга расстоянием 2000 А. Что касается

миелинизированных нервных волокон, то

в специфических участках, называемых пере-

хватами Ранвье, плотность Na

-каналов, на-

против, достигает очень высоких значе-

ний - порядка 10

на 1 мкм

. Перехваты

Ранвье, расположенные на аксоне с интерва-

лом 2 мм,- это единственные участки, в ко-

торых мембрана аксона миелинизированно-

го нерва соприкасается с внеклеточной

жидкостью. Участки мембраны между пере-

хватами Ранвье содержат очень мало кана-

лов и не участвуют в проведении. Потен-

циал действия перескакивает от перехвата

к перехвату, вследствие чего импульс прово-

дится быстрее и эффективнее, чем в немие-

линизированном волокне. Наличие 10

ка-

налов на 1 мкм

в перехвате Ранвье озна-

чает, что значительная часть поверхности

мембраны в этой области занята

Nа

-каналами.

Специфичность связывания тетродоток-

сина с Na

-каналами была использована

также при их выделении и очистке. Для это-

го интегральные мембранные белки возбу-

димых мембран солюбилизировали с по-

мощью детергента, после чего разделяли на

ионообмсннике. Связывание тетродоток-

сина с солюбилизированным Na

-каналом

позволило количественно определять канал

в процессе очистки. Выделенный таким пу-

тем Na

-канал оказался белком массой

230 кДа, состоящим из субъединиц раз-

личных типов. Сложность устройства

37. Возбудимые мембраны

и сенсорные системы

329

Рис. 37.5. Электронная микрофотогра-

фия миелинизированного аксо-

на из спинного мозга. Миели-

новая оболочка аксона («оберт-

ка», образованная многочис-

ленными слоями мембран) вы-

полняет роль изолятора. Ско-

рость проведения в миелинизи-

рованных нервах намного вы-

ше, чем в лишенных миелино-

вой оболочки нервах того же

диаметра. (Печатается с любез-

ного разрешения д-ра Cedric

Raine.)

-канала частично обусловлена, видимо,

тем, что он является не только высокоизби-

рательной порой в мембране, но и содержит

структуру, воспринимающую напряжение

(сенсор напряжения). Заряженные группы

этой структуры реагируют на изменение

мембранного потенциала во время потен-

циала действия и передают информацию на

ту часть канала, которая составляет пору

в мембране. Действительно, до начала пото-

ка натрия через мембрану выявляется поток

через канал (так называемый воротный ток),

обусловленный движением заряженных

групп в белке.

37.3. Ацетилхолин является нейро-

медиатором

Взаимодействие между нервными клетками

осуществляется в местах их соединения, на-

330

Часть V.

Молекулярная физиология

зываемых синапсами (рис. 37.6). Нервные

импульсы передаются через большинство

синапсов с помощью химических нейроме-

диаторов - небольших легко диффундирую-

щих веществ, например ацетилхолина или

норадреналина. Ацетилхолин служит также

медиатором в двигательных концевых пла-

стинках (нервно-мышечных соединениях),

являющихся участками контактов между

нервом и поперечнополосатой мышцей.

Пресинаптическая мембрана холинергиче-

ского синапса (т. е. синапса, в котором в каче-

стве нейромедиатора используется ацетил-

холин) отделена от постсинаптической мем-

браны так называемой синаптической

щелью шириной около 500 А. Окончание

пресинаптического аксона наполнено синап-

тическими пузырьками (везикулами), содер-

жащими ацетилхолин. Пришедший к синап-

су нервный импульс вызывает высвобожде-

ние ацетилхолина в синаптическую шель.

Далее молекулы ацетилхолина диффунди-

руют через щель и достигают постси-

наптической мембраны, где связываются со

специфическими рецепторными молекула-

ми. Это приводит к деполяризации постси-

наптической мембраны, и далее волна депо-

ляризации распространяется вдоль электри-

чески возбудимой мембраны второй нерв-

ной клетки. Ацетилхолин гидролизуется

ацетилхолинэстеразой, и постсинаптическая

мембрана поляризуется вновь.

Ацетилхолин синтезируется вблизи пре-

синаптического окончания аксона путем

переноса ацетильной группы от ацетил-СоА

Рис. 37.6. Схематическое изображение

холинергического синапса.