Волькенштейн М.В. Общая биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

3.9.

ИНДУЦИРОВАННЫЙ

ИОННЫЙ

ТРАНСПОРТ 151

тронной плотности и конформационных смещений окружающей

среды. Такие представления особенно важны в применении к

мембранам митохондрий и хлоропластов, в которых осуществ-

ляется электронный транспорт (см. гл. 6, 7).

§ 3.9. ИНДУЦИРОВАННЫЙ ИОННЫЙ ТРАНСПОРТ

Очень

важную

информацию об ионном транспорте и устрой-

стве

проницаемых мембран

дают

исследования явлений, проис-

ходящих при перемещении ионов внешними переносчиками.

В § 3.3 рассмотрена общая феноменологическая теория

облег-

ченного транспорта, о роли переносчиков говорилось не раз.

Весьма эффективными переносчиками щелочных катионов

служат

депсипептиды, изучавшиеся в

работах

Шемякина, Овчин-

никова

и их сотрудников

[154—157],

Льва

и Бужинского [158],

а также Прессмана с сотрудниками [159, 160]. Депсипептиды

представляют собой циклические антибиотики, построенные из

чередующихся

а-аминокислот и а-оксикислот. Сюда относятся

палиномицин,

энниатины и др.

Другая

группа переносчиков —

монактин,

нонактин и т. д. — макротетролиды, циклические со-

единения,

содержащие четыре эфирные и четыре сложноэфирные

связи.

Строение некоторых циклических переносчиков показано

на

рис. 3.11. Подробное описание строения и свойств переносчи-

ков

и мембранного транспорта ионов, происходящего с их уча-

стием, содержится в фундаментальной монографии [157] (см.

также обзор [161]). Теория явлений ионного транспорта, индуци-

рованного переносчиками, изложена в монографии [162].

Внутренняя гидрофобная часть мембраны, обладающая ма-

лой диэлектрической проницаемостью, представляет существен-

ное препятствие для диффузии ионов К

и Na+, поступающих

из

водной среды. Активационный барьер, однако, резко снижает-

ся,

и проницаемость мембраны для таких ионов возрастает на

несколько порядков в присутствии циклических переносчиков

(ЦП).

Молекулярная природа этих явлений состоит в том, что

ЦП

образуют

специфические клатратные комплексы с щелоч-

ными

катионами, причем одна сторона ЦП гидрофильна, а дру-

гая— гидрофобна. На рис. 3.12 показана

структура

комплекса

валиномицин

—К

[156].

Действие ЦП с

успехом

изучается на искусственных двуслой-

ных липидных мембранах (см. стр. 140). В растворе КС1 элек-

трическое сопротивление такой мебраны равно по порядку вели-

чины 10

Ом/см

. Проводимость мембраны линейно возрастает

с концентрацией ЦП в растворе. При малом содержании К

растворе (менее 10 ' М) проводимость пропорциональна кон-

центрации К

. Эти

результаты

показывают, что активным яв-

ляется комплекс ЦП с одним ионом К

152

ГЛ.

МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ

н,с

сн,

н,с

сн, н,с сн,

сн

-сн

J4 / в Ч. / X /

сн,

сн сн сн

Г I

I I IT

—О—СН—С—NH—СН—С—О—СН—С—NH—СН—С—

и и и ii J,

Вамшюмицин

Н,С

СН, Н.С СН.

Ч/

сн

сн,

сн

1 1

—О—СН—С—N—СН—С—•

II J

Знниатин

г\ Г' I г

уу\

сн,

=о

сн,

I. \_/~\,

—'

сн,

Монактин

Рис.

3.11. Химическое строение некоторых циклических переносчиков.

Оо

® N

связь

Рис.

3.12.

Структура

комплекса валиномицина с К

3.9. ИНДУЦИРОВАННЫЙ ИОННЫЙ ТРАНСПОРТ

153

Способность образовывать такого рода комплексы зависит

от конформационных свойств молекул ЦП. В цитированных

выше работах были детально изучены различные аналоги ЦП,

обладающие разной способностью к комплексообразованию.

Сама эта способность есть необходимое, но недостаточное усло-

вие для увеличения проницаемости мембраны. Существенно кон-

кретное строение циклического соеди-

нения.

Кинетическая

теория транспорта

ионов,

облегченного переносчиками,

развивалась в

двух

группах работ —

Лейгера и сотрудников [161, 163, 164]

Маркина, Либермана и др. [162,

165—170,

184]. Обе теории приводят

сходным результатам. Рассмотрим

сначала результаты, полученные в ра-

ботах

второй группы.

В растворе имеются ионы А (ще-

лочные металлы) и жирорастворимые

переносчики

С, дающие комплекс

АС(г=Х).

Вблизи билипидной мем-

браны находятся неперемешиваемые

слои толщиной h, в пределах которых

ионы

диффундируют с коэффициента-

ми

£>с и Dx- Частицы С и X

могут

пе-

реходить через границу мембраны, на

которой возможно и образование X.

Общая схема модели представлена

Рис.

3.13. Схама модели пе-

реносчиков. Внизу эквива-

лентная

схема

мембраны.

на

рис. 3.13. Предполагается, что ионы в мембране распола-

гаются в

двух

потенциальных ямах ширины К вблизи поверхно-

стей мембраны,

между

которыми они совершают переходы с

константами

скоростей kc и kx- Проводимость мембраны вычис-

ляется на основе рассмотрения кинетики перемещения ионов.

Если

на мембрану наложен внешний потенциал ф, то он делится

между

емкостями, указанными на рис. 3.13, на доли

*-•£•

+ q

Со

(3.127)

где q\, qi — изменения зарядов у потенциальных ям в мембране,

fl —заряд раствора электролита у левой границы мембраны.

Заряды q\, Цг связаны со сдвигом концентраций С и X от

равновесных значений. Вычисляются потоки ионов и перенос-

чика.

Наложение потенциала гр{ меняет константы скорости

expfi'/zZipi/^B^)

раз, где z — заряд иона. Определяются по-

токи

через границы мембраны и внутри нее, используются урав-

нения

диффузии для веществ С и X и условия непрерывности на

154 ГЛ. 3. МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ

границах мембраны. Проводимость g, т. е. отношение ионного

тока Kt|)B предельном

случае

малых токов, выражается весьма

сложной функцией А, С, X. Это выражение упрощается в

неко-

торых предельных

случаях.

Если А и X очень малы, то

£°

*" 2h/D + 2/*, + k

{

' к

где С — концентрация переносчика, D — его коэффициент диф-

фузии,

ki — константы скорости. Вольт-амперная характеристика

процесса зависит от лимитирующей стадии. Если эта стадия —

диффузия

в примембранных слоях, то сила тока равна

/==i

£_DC

(

Рассмотрим противоположный случай. Пусть q

< q, так

что распределение ионов в мембране не сказывается на распре-

делении потенциала. Тогда

2z<TCk

sh (у, гц>)

+ 2k

ch [V, гг|) (С, + СуДС, + 2C

)] ' ^

где С

— емкости.

Напротив,

если заряды <7i и <7г

дают

заметный вклад в рас-

пределение потенциала, возможны различные случаи. Если

&cCi ^

C<2,

то благодаря высокой подвижности ионов поле

внутри мембраны может экранироваться. Это произойдет, если

С\ «С

z*kbT@"k-£-C.

Тогда все напряжение падает на границах

«2

мембраны и делится

между

ними поровну. Получаем

2z&~k

Csh(

zty).

(3.131)

Если

же

kcCu

то напряжение сосредоточено в мембране и

Вообще говоря, вольт-амперная характеристика может зави-

сеть от самых разных факторов — от неоднородности мембраны,

от типа движения ионов (эстафетного или диффузионного)

т. д. Установление механизма транспорта по вольт-амперной

характеристике пока невозможно.

На

тех же основаниях удается рассмотреть переходный ток

при

фиксации напряжения на мембране [171], прохождение через

мембрану переменного тока [172] и т. д.

Рассмотрим теперь зависимость проводимости от концентра-

ций

А и С [165]. Допустим, что на границе мембраны обмен

3.9. ИНДУЦИРОВАННЫЙ

ИОННЫЙ

ТРАНСПОРТ 155

ионами

С и X идет медленнее, чем

другие

стадии. Проводимость

принимает

вид

Ионы

С и X сквозь мембрану практически не проходят. Пере-

носчик

захватывает А на одной стороне мембраны и освобож-

дает

его на

другой

стороне. Маркин говорит о «малой кару-

сели», заключенной внутри мембраны. «Большая

карусель»

возникает,

если поверхностные ограничения реализуются не

только на границах мембраны, но и в прилегающих слоях рас-

твора. Если коэффициенты диффузии малы и обмен ионами А

на

границе мембран идет медленно, т. е. малы k

и &

> то

Bxbcx

ё0

^ k,k

(fe

+ 2k

) К + k

+ 2k

) A ' <

где К — константа ассоциации ионов А и С в комплекс X.

«Большая

карусель»

захватывает и неподвижные слои раствора.

Зависимость g

от концентрации А имеет в обеих «карусе-

лях»

сходный характер. Так как X = ВА/(А + К), где В =

С -\- X есть суммарная концентрация переносчика, то

ёо

~~ рл

+ Y4 + 6

(а,

р, у. б —константы), т. е. зависимость go (А) является

колоколообразной.

Максимум для «малой карусели» отвечает

[

I k, \-]Чг

Т it

)\ •

(ЗЛ35)

Для «большой карусели»

/ k,k

+ 2k

\4t

{к^ •

(ЗЛ36)

Действительно, для многих разобщителей окислительного фос-

форилирования,

играющих роль переносчиков (см. гл. 6), на-

блюдается колоколообразная зависимость go(A) в хорошем со-

гласии с теорией [173, 174].

Теория

объясняет наблюдаемую линейную зависимость про-

водимости от концентрации переносчика.

Дальнейшие подробности, относящиеся к вольт-амперным

характеристикам системы и т. д., можно найти в цитированных

выше работах.

Изложенная

теория

дает

выражения для проводимости

вольт-амперные характеристики, существенным образом

156

ГЛ. 3.

МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ

зависящие

от

конкретных модельных предположений

содержа-

щие большое число параметров. Общие закономерности

вос-

производятся теорией правильно

получают,

тем

самым,

над-

лежащее объяснение. Однако,

силу сказанного, теория

не по-

зволяет установить конкретные механизмы облегченного транс-

порта

[161, 163, 164].

Модель Лейгера более проста,

но

имеет преимущества,

так

как

содержит меньше параметров

свободна

от

предположения

о равновесном образовании комплекса

растворе. Модель пред-

ставлена

на рис. 3.14.

&А

—

константа скорости образования

комплекса

А-С,

kr>

—

константа скоро-

сти

его

распада.

более простой

тео-

рии

удается

получить выражение

для

проводимости

и без

ограничения

сла-

быми полями.

Это

выражение имеет

вид

g-go-(l

+ b)

1 +

6ch(n/2)

(3.1

где

go —

проводимость

при

малом

на-

пряжении,

—

&~VIRT (катионы

од-

новалентны)

Рис.

3.14. Упрощенная мо- „, , .

дель

процессов облегченного

и X i л

X ,« i

OQ\

транспорта.

° ~ Т^

"+"

1^7'

iM)

Параметр

находится

из

экспериментальных значений

g/go\

если

g/go

измеряется

как

функция концентрации ионов

А, два

члена

в b

определяются независимо. Значение

равно

где

Nc —

поверхностная концентрация молекул переносчика

в равновесии. Таким образом, измерения проводимости

дают

три

независимых комбинации пяти неизвестных параметров

&D,

ftx,

£c

и Nc-

Определение отдельных кинетических констант может быть

осуществлено релаксационными методами ([131],

гл. 7).

Приме-

нение

релаксационных методов

не

ограничено гомогенными

хи-

мическими системами,

но они

могут

использоваться

и для

кине-

тического анализа мембранного транспорта

[161, 164, 165].

Элек-

трический релаксационный

метод

состоит

следующем:

ячейка

с двуслойной липидной мембраной соединена

источником

на-

пряжения

электронным включателем, позволяющим повысить

силу тока менее

чем за 1 мс. Ток

сквозь мембрану измеряется

на

осциллографе

как

падение напряжения

на

внешнем сопро-

тивлении

Немедленно после скачка напряжения наблю-

3.9.

ИНДУЦИРОВАННЫЙ

ИОННЫЙ

ТРАНСПОРТ

157

дается спайк тока, определяемый мембранной емкостью. Затем

ток релаксирует

стационарному значению

/«,,

которому отве-

чает

неравенство

X на

двух

сторонах мембраны

(рис. 3.15

[161]).

Теория показывает,

что ход I(t)

определяется

двумя

време-

нами

релаксации

х\ и тг:

причем

а], а

, т

тг

зависят

от

кинетических констант

[161, 164].

В сочетании

со

стационарными параметрами проводимости

эти

величины позволяют опре-

делить необходимые конс-

танты. Такие определения

были проведены

для

систе-

мы валиномицин—К

и мем-

браны, полученной

из фос-

фатидилинозитола [162].

Установлено,

что

транс-

локация

свободного

ЦП и

комплекса через мембрану

диссипация комплекса

на

границе характеризуются

константами скорости

Напряжение

•

M-'-c""

•

с"

Ь«5-10

с"

«2-

с"

а концентрация /Vc

состав-

Рис

-15-

Схема установки

для

электри-

.„„.

in 1П'2

МППРКУП

ия- ческого релаксационного метода (а), за-

ляет

\,£ Ш

молекул

ва

висимость

„

ап

жения

(б) и

тока

(в) от

лнномицина

на 1 см-

, т. е.

времени.

Среднее раССТОЯНИе Между ЛГ-мембрана, R

—внешнее сопротивление;

МОЛекулаМИ

ЦП

ОКОЛО О—осциллограф.

100

А.

Транспорт происхо-

дит

не

путем

обычной диффузии,

так как

заряженный комплекс

должен преодолеть высокий электростатический барьер внутри

мембраны. Поэтому близость кинетических констант

для сво-

бодного переносчика

заряженного комплекса

требует

спе-

циального объяснения.

Константа скорости комплексообразования

ЦП->Х

на

поверхности мембраны оценивается

но

порядку величины

3-10

М~' -с-

Это на

четыре порядка меньше,

чем та же кон-

станта

метанольном растворе,

что

свидетельствует

суще-

ственно иных условиях

на

поверхности раздела мембраны

158 ГЛ. 3. МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ

водной фазы. Причины такого различия пока не ясны, возмож-

но,

что валиномицин приобретает измененную конформацию на

мембране.

Можно сравнить действие молекулы переносчика с функцией

фермента [164]. Фермент снижает активационный барьер реак-

ции.

Переносчик снижает барьер для переноса щелочного иона

внутри липидной мембраны. Активность фермента характери-

зуется

концентрацией полунасыщения и числом оборотов. Для

переносчиков концентрация полунасыщения

отвечает

концентра-

ции

ионов в водной фазе, при которой половина молекул пере-

носчика, связанных в мембране, образовала комплексы. В слу-

чае валиномицин — К

эта концентрация 20 М (в метаноле

25 мМ). Таким образом, в условиях опыта концентрация связан-

ного мембраной валиномицина еще далека от насыщения.

Число оборотов есть максимальное число ионов К

, переноси-

мых в 1 с одной молекулой валиномицина. Это число оказалось

равным 10

с"

, что много больше, чем для большинства фер-

ментов. Валиномицин, обладающий на поверхности мембраны

малым сродством к К

, является эффективным переносчиком

именно

вследствие большого числа оборотов.

Изложенная

теория не обязательно означает, что перенос-

чики

являются таковыми в истинном смысле слова. Как указы-

вает

Маркин [170], здесь имеются две

другие

возможности. Во-

первых, оказываясь в

среде

с малой диэлектрической проницае-

мостью, жирорастворимые переносчики (ионофоры)

образуют

агломераты [176, 177]. В этом

случае

возможно более сложное

комплексообразование и возрастание проницаемости мембран.

Реализуется коллективный транспорт [162, 170].

Вторая возможность — изменение конформационной струк-

туры

мембраны ионофорами и возникновение эстафетного

меха-

низма

передачи иона от одного ионофора к

другому.

Цепочка

ионофоров может возникать и распадаться, но эстафетный ме-

ханизм, конечно, отличается от прямого переноса ионов от одной

границы мембраны к

другой.

Если нет прямого переноса, то изложенная теория является

эффективной,

а кинетические константы, найденные из опыта,—

эффективными

константами.

Теория коллективного транспорта ионов димерными ионофо-

рами была развита Маркиным [162, 170, 178]. Есть основания

считать, что по этому механизму

работают

многие разобщители

окислительного фосфорилирования (см. гл. 6).

Эстафетный механизм исследован в теоретических

работах

[179—181]

(см. также [162, 170]). Он, очевидно, родствен

меха-

низму пассивного транспорта, рассмотренному в § 3.6. Сходна

теория. Как мы видели, есть основания считать, что ионный

транспорт без участия переносчиков действительно происходит

3.9. ИНДУЦИРОВАННЫЙ

ИОННЫЙ

ТРАНСПОРТ 159

по

эстафетному механизму. Справедливо ли это для облегчен-

ного транспорта — пока не

ясно.

При

коллективном и эстафетном механизмах зависимость

проводимости от концентрации ионофоров не линейна (кривая

g(B) выгнута), зависимость go{A) колоколообразна, как и для

«каруселей».

Существенные различия для разных механизмов

должны проявляться в зависимости мембранного потенциала

(Л),

а также в зависимости высокочастотной проводимости

До сих пор, однако, соответствующие эксперименталь-

ные

исследования не проведены и механизмы ионного транс-

порта, облегченного переносчиками, не установлены.

Прежде чем перейти к рассмотрению генерации и распростра-

нения

нервного импульса, подведем некоторые итоги.

Структуре

и функциям мембран посвящена колоссальная

литература.

Многое можно считать уже установленным и объ-

ясненным,

но сложность строения и поведения мембран столь

велика, что

трудно

ожидать скорого решения

всех

относящихся

сюда

проблем. Мы располагаем феноменологической термоди-

намикой

мембранных процессов, рядом разумных кинетических

моделей пассивного, активного и облегченного переносчиками

транспорта. Развиты содержательные теоретические представ-

ления

о кооперативных конформационных свойствах мембран.

Накоплена

очень богатая и разнообразная экспериментальная

информация.

Тем не менее физика мембранного транспорта на-

ходится на ранней стадии своего развития. Модельная теория

имеет пока фрагментарный характер, не установлены внутрен-

ние

связи

между

рядом направлений исследования. Физика

мембран — чрезвычайно быстро развивающаяся и весьма ак-

туальная область науки. Дальнейшее ее изложение приведено

последующих

главах.

Л А В А 4

НЕРВНЫЙ

ИМПУЛЬС

4.1. АКСОН

НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС

Генерация и распространение нервного импульса в организ-

мах животных, возбуждение нервных и мышечных клеток — важ-

нейшие мембранные явления. Мембранная теория возбуждения

была сформулирована Бернштейном еще в 1902 г. [1]. Согласно

его теории, возбуждение определяется электрохимическими про-

цессами, локализованными в мембранах нервных и мышечных

клеток. Эти процессы сводятся к перемещению малых ионов.

Позднее Лазарев опубликовал монографию об ионной природе

нервного возбуждения [2]. Исследования, проведенные Ходжки-

ном,

Катцем, Хаксли, Тасаки и другими учеными [3—6], рас-

крыли принципиальные механизмы генерации нервного импульса

его распространения (см. также [7—9]).

Нервное возбуждение распространяется по нервным волок-

нам—

аксонам.

Принято разделять нервную систему высших ор-

ганизмов на центральную и периферическую. Периферическая

система содержит аксоны, служащие для передачи сигналов,

а также ганглии вегетативной нервной системы. Аксоны яв-

ляются коммуникациями для

афферентных

сообщений от орга-

нов

чувств,

направляемых в центральную систему, и для

эффе-

рентных

сигналов, направляющихся от центральной системы

мышцам. Аксоны представляют собой отростки центрально

расположенных клеток. Нервная система беспозвоночных имеет

иное строение, но она также содержит коммуникационные

аксоны.

Исследование генерации нервного импульса и его распро-

странения в аксоне — старая и традиционная проблема биофи-

зики.

Уже Гельмгольц измерял скорость распространения нерв-

ного возбуждения. В настоящее время решены важные физиче-

ские задачи, относящиеся к функции аксона. Напротив, совре-

менное состояние науки позволяет лишь формально моделиро-

вать

работу

центральной нервной системы и мы еще далеки от

понимания

физической природы высших ее функций — памяти

мышления.

На

рис. 4.1, заимствованном из [5], представлена

схема

строе-

ния

нервной клетки, именуемой иначе

нейроном.

Нейрон полу-