К вопросу изучения селективноти ионных каналов биомембран

Zaripov Abdisalim Abdikarimovich

Assistant of the Department of Biology

The Karakalpak State University of. Berdaha

Rozumbetov Kenzhabek Umarovich

Second-year student in the specialty "Biology"

The Karakalpak State University of. Berdaha

Nukus, Republic of Uzbekistan

TO THE QUESTION OF STUDYING THE SELECTIVITY OF IONIC CHANNELS BIOMEMBRAN

Создание эффективных профилактических, диагностических, лекарственных средств и материалов для медицины, микробиологии и биотехнологии относится к актуальным проблемам химической науки. Одним из решений этих проблем является изучение соединений, обладающих биологической (физиологической) активностью на биомембраны.

Ионные каналы высокоселективны и пропускают только ионы определенного вида. Например, проницаемость натриевых каналов гигантского аксона кальмара для разных ионов щелочных металлов составляет (в отн. ед.): Na+ - 1,0; Li+ - 1,1; K+ - 0.083; Rb+ - 0.025; Cs+ -0.016. Селективность калиевых каналов еще выше: их проницаемость для ионов натрия на два-четыре порядка ниже, чем для ионов калия. Казалось бы, понятно, почему больший ион калия не может пройти через натриевый канал: его диаметр, определенный Л. Полингом, составляет 0,27 нм, тогда как диаметр иона натрия – 0.19 нм (Табл.1). Но почему меньший ион натрия не может пройти через больший калиевый канал? Ясно, что здесь не годится представление о канале, как об ионном сите, через ячейки которого проходят частицы определенного размера.

Таблица. 1.

Свойства биологически важных ионов (По данным Л. Полинга)

Высокая избирательность канала для ионов Na+ определяется размерами самой узкой области, называющейся селективным фильтром. По данным Б. Хилле, изучившего проницаемость натриевого канала для неорганических и органических катионов разного размера, селективный фильтр Nа+-канала должен иметь размеры 0,32х0,52 нм. Соответствующие размеры кальциевого канала – 0,34х0,34 нм, а калиевого канала – 0,41х0,41

нм. Хилле пришел к выводу, что ионы проникают через канал более сложным способом, чем простая диффузия. Селективность канала обеспечивается как стерическими причинами (размеры поры и катиона вместе с гидратной оболочкой), так и энергетикой взаимодействия иона и его гидратной оболочки с полярными группами в стенках канала. Увеличение свободной энергии в результате потери гидратной оболочки иона компенсируется ее уменьшением при взаимодействии с полярными группами канала. Важную роль в ионной проницаемости играют атомы кислорода, выстилающие стенку канала в области селективного фильтра.

Согласно модели Хилле (Рис.3), свободный ион вместе с гидратной оболочкой (состояние А на Рис.3.А) входит в канал, преодолевая некоторый потенциальный барьер. В канале он связывается с кислородными атомами (состояние В) и частично дегидратируется, т.е. теряет некоторое количество связанной воды с помощью других кислородных атомов, которые образуют водородные связи с молекулами воды. Энергетическая стабилизация иона достигается за счет притяжения к кислороду карбоксильной группы внутри канала. Для входа в узкий селективный фильтр ион должен преодолеть еще один потенциальный барьер (С). Энергия комплекса иона с каналом, т.е. высота потенциального барьера (С) различна для разных ионов, что обеспечивает селективность канала. Преодолев селективный фильтр, ион входит в более широкую область канала и вновь гидратируется, т.е. связывает некоторое количество воды (состояние D). Затем он перемещается по каналу, преодолевая ряд меньших потенциальных барьеров, и выходит наружу. Энергетическая диаграмма этого процесса (Рис.3, Б) принципиально сходна с ранее обсуждавшийся диаграммой (Рис.1, Б). Наиболее высокий потенциальный барьер, который должен преодолеть ион, соответствует области селективного фильтра. Он определяет скорость всего процесса.

По данным Хилле, селективный фильтр натриевого канала "выстлан" 8 атомами кислорода, принадлежащим к разным аминокислотам. Зависимость натриевой проводимости от рН свидетельствует о присутствии в этой области карбоксильных групп СОО-. Диаметр иона Nа+ намного меньше диаметра К+ (0,19 против 0,27 нм), а заряды у них одинаковые. Поэтому энергия гидратации Nа+ намного выше, и они связывают воду сильней, чем К+. По данным Хилле (1981), диаметры гидратированных ионов натрия могут варьировать от 0,48 до 0,66 нм., а ионов калия - от 0,32 до 0,44 нм, а энергия их гидратации - 98 и 81 ккал/моль. По другим данным, приводимым в этой статье Хилле, энергии гидратации Na+ и К+ равны 72 и 42 ккал/моль, соответственно. Эти значения приближаются к энергиям ковалентных связей. Поэтому в водных растворах катионы всегда гидратированы, но К+ связывает меньше молекул воды, чем Na+: 2,9 и 4,5, соответственно (Табл.1).

Поскольку размер иона К+ хорошо соответствует диаметру селективного фильтра, он взаимодействует с наибольшим количеством атомов кислорода на внутренней поверхности канала (допустим, например, с четырьмя). Если энергия взаимодействия К+ с атомами кислорода стенки калиевого канала примерно равна энергии его взаимодействия с молекулами воды гидратной оболочки, он сможет легко освобождаться от гидратационной воды, молекулы которой будут замещаться атомами кислорода, координирующими этот ион. В отличие от ионов калия, ионы Na+ связывают воду значительно сильнее, и энергия их взаимодействия с атомами кислорода стенок канала ниже энергии их связи с молекулами воды.

Кроме того, поскольку ионы Na+ меньше, они не точно прилегают к стенкам канала, могут обменять на кислородные атомы не четыре молекулы связанной воды, как калий, а только две, как в примере, приведенном на рис.4, или три, по данным Хилле (1981). Поэтому ион Na+ должен продвигаться по каналу вместе с некоторым количеством связанных молекул воды (в данном примере - одной), и эффективный размер этой группы значительно выше, чем размер свободного от гидратной оболочки иона К+. Эти рассуждения позволяют прояснить возможный механизм селективности ионных каналов. Они были недавно подтверждены Мак Кинноном и соавторами (1998) в блестящих рентгеноструктурных исследованиях калиевых каналов KcsA.

В отличие от простых пор, ионные каналы открыты не все время. Натриевый канал может находиться в трех основных состояниях: открытом, закрытом и инактивированном. Переходы между ними регулируются мембранным потенциалом: деполяризация мембраны активирует канал, т.е. повышает вероятность его открытия. Инактивация – закрытие канала. Эти процессы могут быть быстрыми, протекающими менее чем за миллисекунду, или медленными, длящимися десятки миллисекунд. Из потенциала зависимости проводимости канала можно предположить, что в мембране есть «ворота» или «воротный механизм», несущий электрические заряды или диполи, которые позволяют ему перемещаться при изменении электрического поля и закрывать или открывать канал. Эти подвижные заряды могут служить сенсором напряжения, реагирующим на изменения трансмембранного потенциала и приводить в движение воротную частицу.