Металлы, которые всегда с тобой
Шрифт:
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
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.
Проводники-невидимки, или Чудеса в решете
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».
Природа, однако, игнорировала такие «бублики» для пропуска ионов через мембраны. Она пошла по пути использования
Ионофоры нашли применение в химической технологии для извлечения и разделения редких металлов, и в приборостроении — для создания весьма чувствительных датчиков. Электроды, изготовленные на основе валиномицина, -используются в медико-биологических исследованиях для определения, например, уровня калия в крови или в клетках. С помощью таких приспособлений можно влиять на деятельность ферментов, регулировать величину электрического мембранного потенциала, воздействовать на внутриклеточное осмотическое давление — и тем самым изменять проницаемость вещёств. Высокая биологическая активность ионофоров даёт возможность применять их в качестве лекарственных вещёств. Так, некоторые из них оказались эффективным средством выведения вредных металлов из организма (мы говорили об этом выше). А валиномицин к тому же способен снижать внутриглазное давление при глаукоме.
Остаётся добавить, что ученики и последователи Шемякина академик Ю. А. Овчинников и член-корреспондент АН СССР В. Т. Иванов продолжили дело своего учителя. Они детально исследовали валиномицин и другие ионофоры, такие как грамицидин и антаманид, подавляющий действие сильнейшего яда бледной поганки. За работы в области ионного транспорта через мембраны эти учёные в 1978 году были удостоены Ленинской премии.
Насос, который не смастерил бы и Левша
Теперь настало время вспомнить о том, почему ионы натрия и калия действуют по разные стороны клетки и чем интересна разность потенциалов, возникающая в растворах организма.
Ионы калия находятся преимущественно внутри клеток, а ионы натрия — во внеклеточном пространстве. Именно этот факт представляет собой одно из удивительнейших и не совсем пока объяснённых феноменов жизни. Казалось бы, все должно было бы быть наоборот: ведь ион натрия почти в 1,5 раза меньше иона калия, он легче проникает через мембраны и, следовательно, в самой клетке его должно было бы быть больше, чем неповоротливых ионов калия. Однако ионы натрия легче притягивают к себе молекулы воды, образуя вокруг себя толстую гидратную оболочку, препятствующую проходу через мембрану. Собственно говоря, поэтому и считают, что натрий способен удерживать воду. Вот почему издавна солдат в летних походах, чтобы уменьшить жажду, кормили селёдкой. Сегодня по этой же причине в горячих цехах рабочих обеспечивают подсоленной водой.
Видимо, поэтому же клетка стремится изгнать из себя натрий,— чтобы в ней не накапливалась вода и не происходил бы осмотический шок. В крови, например в эритроцитах, калия больше, чем натрия, почти в 15 раз, тогда как в плазме его в 20 раз меньше. Лишь после гибели организма внутри и вне клеток устанавливается величина ионов калия и натрия, соответствующая их коэффициентам диффузии. Но зачем же необходимо различие в этих ионах? Для создания разности потенциалов, как известно, способствующей перемещёнию зарядов.
Удивительная и даже где-то противоестественная на первый взгляд способность живого организма регулировать потоки калиевых и натриевых ионов породила много толков о механизме этого процесса. Считали даже, что дело в особых свойствах внутриклеточной воды, но постепенно многие предположения отпали. Сегодня все многообразие этого явления рассматривается в виде модели, которая получила название ионного, или натриевого насоса. Это очень точное название живого устройства, которое «перекачивает» ионы «против течения», препятствуя градиенту концентрации.