Металлы, которые всегда с тобой

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 особых канальных белков, которые образуют в мембранах проходы для ионов. Тем не менее исследование ионофоров представляет исключительный интерес, так как позволяет изучить влияние различных катионов, в особенности натрия и калия, на внутриклеточные процессы.

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.

Первым, кто сообщил о существовании разности электрических потенциалов в организме и усиленно изучал его электрическую активность, был известный немецкий физиолог прошлого века Э. Дюбуа-Реймон. Его излюбленным «инструментом» в этом деле была обыкновенная лягушечья кожа. Именно она является прекрасным пособием при изучении как биологических мембран, так и натриевых насосов.

Судите сами. Если поместить кожу лягушки в раствор поваренной соли, то окажется, что она способна перекачивать ионы со стороны своей наружной поверхности по направлению к внутренней. Этот процесс может продолжаться даже тогда, когда концентрация соли в растворе с внутренней стороны кожи станет в 10 тыс. раз больше, чем с наружной. Естественно, что лягушечья кожа гораздо сложнее, чем просто мембрана, но она представляет собой удобную модель для экспериментов. Исследования ионных насосов проводятся на самых разных органах животных, таких, как желчный пузырь золотых рыбок, мочевой пузырь жаб, нервные волокна кальмаров и крабов... Транспорт ионов при помощи натриевого насоса назвали активным.

Как мы знаем, для действия любой машины нужна энергия. Что же движет нашим насосом?

В течение многих лет учёные не могли подобрать ключи к энергетическому механизму натрий-калиевого насоса. Он оставался вещью в себе, как любят сейчас говорить кибернетики,— «черным ящиком». А между тем ящик этот открывался довольно просто: источником энергии для его работы служит тот же аденозинтрифосфат — АТФ.

Как полагают, живой натриевый насос представляет собой фермент, расщепляющий АТФ, который встроен в саму мембрану (подобно самым совершенным техническим агрегатам, где насос и двигатель скомпонованы в единую систему — моноблок). Такая машина запускается в работу при повышении концентрации натрия внутри клетки или калия вне её

Остаётся добавить, что действие этого фермента, называемого натрий-калий зависимая АТФаза, подавляете» различными ядами, которые тормозят и работу натриевого насоса. Это обстоятельство, собственно говоря, позволило сделать выводы, что именно АТФаза является генератором энергии нашего насоса.

Коль у нас пошли такие индустриальные, что ли, аналогии, то ещё заметим, что из натриевого насоса можно сделать генератор по типу такого, какой имеется в гидроэлектростанции, заставив его вращаться от потока ионов. В самом деле, экспериментаторы доказали, что если пропускать ионы натрия и калия по градиенту концентрации, а не против, как это имеет место в живой клетке, то будет происходить синтез АТФ. Не сулит ли это в перспективе создание ультрамикрогенераторов для каких-либо бионических устройств, имитирующих, скажем, человеческий мозг?

Остановимся на одном типе натриевого насоса, который встречается лишь у галобактерий — микроорганизмов, обитающих в очень солёных водоёмах. Они могут развиваться только в воде с содержанием хлористого натрия не менее 12 %. Всякое понижение концентрации солей для них гибельно (начинает возникать осмотический шок). Поэтому-то впервые они были обнаружены именно в испарительных бассейнах, из которых добывают соль. У галобактерий натриевый насос работает, помимо всего прочего, за счёт световой энергии, поскольку часто им не хватает энергии окисления, энергии дыхания. Для этого служит специальный белок — бактериородопсин.

Родопсин, или зрительный пурпур,— это светочувствительный сложный белок, который заключён в сетчатке глаза к качестве зрительного пигмента палочковых клеток. Поглощая квант света, родопсин распадается, вызывая возбуждение зрительного нерва. В темноте же он синтезируется вновь. Так вот, аналогичный белок, обнаруженный в галобактериях, назвали бактериородопсином. У них ро-. допсин служит дополнительным насосом, работающим от световых квантов. Сложную структуру и этого белка удалось расшифровать коллективу исследователей под руководством академика Ю. А. Овчинникова.