Мембранные каналы и переносчики как ферменты

До сих пор мы рассматривали работу мембранных транспортных белков на микроскопическом молекулярном уровне. Оказывается, что применение прямо противоположного, феноменологического, способа описания транспортных мембранных процессов позволяет эксперимен­тально определять многие параметры транспортных белков, даже не про­водя микроскопические исследования методами молекулярной биологии.

Кинетическую теорию переходного состояния Эйринга и Поляни, используемую в ферментативном катализе, успешно применяют для описания различных транспортных систем, в том числе для количест­венного описания работы молекул-переносчиков и ионных каналов.

В основе этого подхода лежит предположение о том, что система может находиться в нескольких дискретных состояниях, каждому из которых соответствует стандартное значение электрохимического потенциала. При этом взаимные переходы между двумя состояниями происходят с преодолением энергетических барьеров и константы скоростей переходов зависят от высоты этих барьеров.

На рисунке 99 представлена схема ионного канала и соответствую­щие профили свободной энергии.

Рисунок 99 - Изменение профиля свободной энергии иона в ионном канале при деполяризации мембраны

Эти профили соответствуют случаю, когда в канале имеется единственное место связывания, локализованное где-то вблизи от входа в канал. Глубина впадины (точка А) отвечает слабому связыванию.

При наличии трансмембранной разности потенциалов на профиль свободной энергии накладывается профиль электрического потенциала щ(г). В этом случае высота энергетических барьеров, соответствующих к, и к₂, будет меньше, и скорость транспорта катионов через канал увеличится. Минимумы на кривых изменения свободной энергии соответствуют местам связывания транспортируемых веществ.

При достаточно высоких концентрациях переносимого вещества все эти места оказываются занятыми, и скорость переноса достигает своего максимального значения w_max, равного максимальной скорости работы фермента.

Примем для простоты, что ионы изначально присутствуют только с одной стороны мембраны, внутри канала имеется единственное место связывания, и что ионы не могут свободно проникать внутрь канала или покидать его.

Случай, когда внутри канала имеется много мест связывания, по которым ион может последовательно передаваться, формально сводится к ситуации, когда в канале есть единственное место связывания, и кинетика работы такого фермента сводятся к стационарной кинетике Михаэлиса- Ментен [9].

Если принять, что мембранный потенциал ср_м равен нулю, то такую "ферментативную реакцию" можно представить следующим образом

где £ - канальный белок (фермент) в "открытом" состоянии; 5_1п и S_out - транспортируемое вещество (субстрат) внутри и снаружи мембраны; ES - комплекс субстрата с местом связывания внутри канала.

На рисунке 99 показаны профили свободной энергии для закрытого и открытого каналов.