Ионофоры

Липидный бислой природных мембран представляет собой непроницаемый барьер для свободной диффузии ионов, обла­дающих низкой липофильностью из-за сильной гидратации. Ионофоры предназначены для того, чтобы облегчить транспорт ионов через эти мембраны.

Хотя диуретики и сердечные гликозиды так или иначе свя­заны с переносом ионов, их не следует рассматривать как ионо­форы. Даже ИаД-АТФаза осуществляет лишь вспомогательное действие. Так, в натриевом насосе этот фермент, связанный с мембраной, используется для выведения натрия и введения ка­лия в клетку. Энергия, необходимая для протекания этого про­цесса, выделяется при гидролизе АТФ. Фермент связывает и высвобождает катионы на разных стадиях цикла работы ионно­го насоса. Конформационные изменения во время цикла приво­дят к тому, что катион, войдя с одной стороны мембраны, вы­деляется на противоположной. Частично механизм заключается в следующем: гидролиз АТФ вызывает натрийзависимое фос­форилирование аспартильной группы фермента, сопровождаю­щееся калийзависимым переносом этой фосфорильной группы фосфатазой от аспартата в воду. Существует мнение о том, что по крайней мере у некоторых видов ванадат-анион, конкури­рующий с АТФ за места связывания, принимает участие в фи­зиологической регуляции этого фермента. Родственный фермент Са,М§-АТФаза выступает в роли совершенно аналогичного насоса, нагнетающего катионы магния в клетку и выводящего кальций. Природа ионофоров подвижного типа у млекопитаю­щих изучена слабо.

В противоположность процессу хелатирования (разд. 11),. при котором атом водорода лиганда замещается неорганиче­ским катионом, транспорт последних ионофорами нуждается лишь в постадийном замещении ионофором молекул воды, включенных в координационную сферу катиона. Энергия де­сольватации компенсируется энергией связывания иоиофора. В процессе теплового движения сольватированный катион сна­чала сталкивается с полярными группами лиганда-ионофора, который затем обволакивает катион, и образующийся комплекс, имеющий липофильную внешнюю сторону, поглощается цито­плазматической мембраной. Конформационные изменения, со­провождающие захват катиона, протекают очень быстро, но могут быть обнаружены (для валиномицина) с помощью релак­сационных методов (например, быстрых температурных скачков или поглощения звуковых волн) [Grell, Eggers, Funck, 1972].

Некоторые метаболиты грибов повышают пассивный захват калия. Одни из них, например ионактин и монактин (14.6), от­носятся к классу макротетролидов (многозвенных циклических сложных эфиров), другие (валиномицин)—к классу депсипеп- тидов. Валиномицин (14.7) (из Streptomyces fulvissimus) пред­ставляет собой 36-членный макроцикл, включающий по три остатка L-валина, D-валина, L-молочной кислоты и остаток a-D-гидроксиизовалериановой кислоты, связанных сложноэфир­ными и амидными связями [Shemyakin et al., 1963]. Он раст­ворим в липидах и нерастворим в воде. Периметр этой плоской молекулы липофилен, тогда как внутренняя часть кольца выст­лана незаряженными гидрофильными группами. В результате конформационных изменений, вызванных захватом катиона ка­лия, молекула приобретает браслетообразную форму.

Валиномицин способствует проникновению ионов калия в эритроциты, митохондрии [Moore, Pressman, 1964] и через бак­териальные плазматические мембраны [Harold, Baarda, 1967], но почти не влияет на проникновение ионов натрия, лития и во­дорода. Нонактин обладает подобным действием, а моноактин, кроме того, слегка повышает проницаемость для ионов натрия [Henderson, McGivan, Chappell, 1969].

Рентгеноструктурный анализ показал, что ионы калия коор­динируют с четырьмя эфирными и четырьмя карбонильными атомами кислорода нонактина [Dobler, Dunitz, Kilbourn, 1969] и с шестью атомами кислорода карбонильных групп валиноми- цина. Таким образом, ранее гидратированный ион калия при­обретает внешнюю липофильную оболочку и поэтому способен

достаточно легко проникать в клеточные мембраны. При столк­новении этого комплекса с наружной границей между мембра­ной и водой часть ионов калия проходит через нее, а другая часть обменивает молекулу нонактина на воду (медленная ста­дия пенетрации). В этом движении анион (например, С1~) должен сопровождать К⁺, но на небольшом расстоянии и по­стоянно подвергаясь обмену. Предпочтительность захвата но- нактином ионов калия, а не натрия, определяется скорее более низкой энергией дегидратации первого, чем размерами внутрен­ней полости циклической молекулы [Prestegard, Chan, 1970].

С помощью аламетицина — линейного пептида, выделенного из грибов Trichoderma viride, можно установить, как образуют­ся калиевые каналы. Этот пептид, кроме терминального L-фе- нилаланинола, содержит 20 аминокислотных остатков, в том числе восемь остатков а-аминомасляной кислоты, а другие — обычные аминокислоты, входящие в состав белков. Данные рентгеноструктурного анализа кристаллов этого соединения свидетельствуют о том, что гидрофильные фрагменты направ­лены в одну сторону, а липофильные — в другую.

21-734

321

С помощью молекулярных моделей удалось показать, что это соединение может образовывать агрегаты, причем каждые восемь молекул образуют гидрофильные поры диаметром около 0,45 нм, которые могут быть блокированы глутаминовым остат­ком (Gln-7) в ответ на изменения дипольного момента.

Простые синтетические и недорогие циклические полиэфиры, называемые «краун-эфирами», способны переносить катионы щелочных и щелочно-земельных металлов из водного слоя в липофильный с очень высокой избирательностью. Одно из наи­более активных соединений — дициклогексил-18-краун-6 (14.8), представляет собой кольцо, в котором две молекулы 1,2-дигид­роксициклогексана связаны двумя молекулами диэтиленглико­ля. Комплексообразующая способность краун-эфиров относи­тельно невелика, несмотря на то, что катион взаимодействует с несколькими атомами кислорода одновременно, например с шестью в эфире (14.8) [Izatt et al., 1971]. Этот краун-эфир связывает преимущественно калий, а не натрий; эфир с мень­шим числом атомов кислорода — натрий, а еще с меньшим — литий. При захвате солей эти молекулы часто изменяют свою конформацию [Pedersen, 1970].

Вслед за открытием Pedersen краун-эфиров в США, во Франции начали работать с криптандами. Эти смешанные мак- ромолекулярные аминоэфиры не просто включают катион в цикл подобно краун-эфирам, но прочно связывают его по всем направлениям [Lehn, Sauvage, Dietrich, 1970]. Так, соединение (14.9) является мощным комплексообразователем катионов ка­лия. И краун-эфиры, и криптанды не нашли широкого приме­нения в биологии из-за высокой токсичности. Соединение (14.9), например, обладает раздражающим действием на глаза и кожу, а его высшие гомологи поражают ЦНС [Pedersen, 1972]. И все- таки эти соединения очень полезны — их можно рассматривать как модели многочисленных и очень дорогих природных ионо­форов. Большинство наиболее липофильных краун-эфиров или криптандов связывают преимущественно одновалентные, а не двухвалентные катионы, т. е. натрий имеет преимущество перед кальцием, несмотря на то, что размеры этих катионов в негид- ратированном состоянии почти одинаковы.

Краун-эфиры были использованы в качестве модели транс­порта анионов сквозь мембраны против градиента концентрации (ср. с транспортом типа 2, разд. 3.2.2). Транспортируемыми анионами были N-бензоилированные аминокислоты и короткие пептиды; мембрана представляла собой перемешиваемый слой хлороформа, с обеих сторон соприкасающийся с водой. Так как краун-эфиры малорастворимы в воде, они накапливались в хлороформе. К первой границе раздела вода — хлороформ были

подведены ионы калия. Это привело к экстракции ионов в хло­роформенный слой с образованием тройного комплекса (анион,

Литиевый ионофор (14.10)

К+, ионофор), из которого оба иона выделялись во вторую вод­ную фазу (за мембраной). Освобожденный ионофор снова за­хватывал анион и катион из первой водной фазы, т. е. цикл повторялся [Tsukube, 1982]. О комплексообразовании анионов криптандами см. Dietrich и сотр. (1978).

Ациклический ионофор (14.10) для катионов лития образует вокруг иона липофильную гексадентатную оболочку иона, име­ющую октаэдрическую структуру. Предпочтительность захвата катиона лития в 40 раз выше по сравнению с катионом натрия. Это соединение при внутривенном введении повышает захват лития мозгом крыс [Shanzer, Samuel, Korenstein, 1983].