Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ 2003 ГОДА. МЕМБРАННЫЕ КАНАЛЫ: ВОДА ОТДЕЛЬНО ОТ ИОНОВ, А ИОНЫ - ДРУГ ОТ ДРУГА

Кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ

Питер Эгр (Peter Agre), Медицинская школа Университета Джона Хопкинса, Балтимор (США), получил премию за открытие водных каналов.
Родерик Мак-Киннон (Roderick MacKinnon), Университет Рокфеллера, Нью-Йорк (США), удостоен премии за структурные исследования ионных каналов.
Эксперимент с незрелыми яйцеклетками шпорцевой лягушки Xenopus laevis, мембрана которых не содержит аквапорина (это необходимое условие выживания яйцеклетки в природной водной среде).
В центре водного канала, образованного белком аквапорином, сосредоточен положительный заряд. Поэтому положительно заряженные ионы, например ион гидроксония, через канал пройти не могут.
Этот ионный канал пропускает ионы калия, но не натрия. Вне клеточной мембраны (А) ионы калия и натрия находятся в окружении молекул воды (показаны на рисунке красным цветом).
Меньший по размеру ион натрия не соответствует структуре фильтра и не может пройти через канал.

Нобелевская премия 2003 года по химии присуждена за исследования, имеющие непосредственное отношение к биологии, а именно к жизнеобеспечению живой клетки - элементарной ячейки биологических организмов. Открытия двух американских ученых - Питера Эгра и Родерика Мак-Киннона - позволили досконально разобраться в том, каким образом протекает водно-солевой обмен клетки с окружающей средой.

Каждая живая клетка окружена мембраной, состоящей из двойного слоя липидных (жировых) молекул с вкраплениями белков. Примечательное свойство такой мембраны - избирательная проницаемость: эффективно защищая клетку от агрессивной внешней среды, она пропускает внутрь все, что необходимо для жизнедеятельности, в том числе и воду. Ученые еще в середине XIX века высказывали предположения о том, что в клеточной оболочке существуют поры для просачивания воды, однако длительное время преобладало мнение, что вода просто диффундирует через клеточную мембрану.

В конце 1950-х годов было установлено, что в мембранах эритроцитов есть специальные каналы, через которые вода проходит, а ионы - нет. При этом клеточный "водопровод" обладает потрясающей пропускной способностью: до миллиарда молекул воды в секунду. Логично было предположить, что, как и в случае других веществ, например сахаров и аминокислот, транспорт воды через мембрану происходит с помощью белка. Но какой именно белок выполняет данную функцию? Этот вопрос довольно долго оставался без ответа.

Открытие аквапорина - белка, образующего водную пору, - произошло благодаря счастливой случайности. В 1987 году Питер Эгр, изучая белки-антигены эритроцитов, обнаружил мембранный белок с неизвестной функцией. Оказалось, что такой же белок в изобилии присутству ет в почечных канальцах - тканях, которые способны прокачивать огромные количества воды. Это и навело ученого на мысль, что найденный белок имеет отношение к транспорту воды через клеточную мембрану. П. Эгр и его коллеги смогли установить аминокислотную последовательность белка и затем клонировали участок ДНК, кодирующий синтез аквапорина. Ученые провели несколько экспериментов, неоспоримо доказывающих ключевую роль этого белка в транспорте воды. Например, если "заставить" клетку производить аквапорин в больших количествах, она начинает интенсивно всасывать воду, набухает и буквально разрывается от избыточного внутреннего давления.

Пространственная структура аквапорина напоминает цилиндрический канал, по которому движутся молекулы воды. Через него проходит только вода, но не ионы. Аминокислоты в белке расположены таким образом, что полярность создаваемого ими электростатического поля "переключается" в центре молекулы на обратную. Поэтому молекулы воды, дойдя до середины канала, переворачиваются так, что их дипольные моменты в верхней и нижней части канала направлены в противоположные стороны. Такое переориентирование предотвращает просачивание через канал ионов. Аквапорин не пропускает даже ионы гидроксония H3O+ (то есть гидратированны е протоны), от концентрации которых зависит кислотность среды.

Открытый П. Эгром белок - первый, но не единственный из семейства аквапоринов. К настоящему времени известно около 200 разновидностей белков водных каналов у растений и животных, в том числе 11 - у человека. Благодаря аквапоринам клетки не только регулируют свой объем и внутреннее давление, но и выполняют такие важные функции, как всасывание воды в почках животных и корешках растений.

Создав белковые поры, пропускающие сквозь клеточную мембрану чистую воду, природа позаботилась и о том, чтобы обеспечить каналы для переноса компонентов растворенных в воде солей, прежде всего ионов натрия и калия. Транспорт этих заряженных частиц позволяет клетке генерировать и передавать электрические сигналы.

Еще в 1890 году Вильгельм Оствальд, нобелевский лауреат 1909 года, показал, что электричес кие токи в живых тканях могут быть вызваны ионами, которые перемещаются через клеточную мембрану. Основные принципы работы ионных каналов и роль ионов в работе нервной системы установлены в 1950-1960-е годы. В 1963 году за открытия в этой области британским исследователям Алану Ходжкину и Эндрю Хаксли присудили Нобелевскую премию, но молекулярные механизмы ионного транспорта оставались неясными до последнего времени.

Ученых особенно интересовало устройство канала, который пропускал ионы калия, однако почему-то не давал пройти чуть меньшим по размеру ионам натрия. Высказывалось предположение, что белок, образующий канал, содержит фильтр из нескольких атомов кислорода, которые имитируют оболочку из молекул воды, окружающую ион калия в нормальном состоянии. Чтобы внести в этот вопрос окончательную ясность, требовались данные рентгеноструктурного анализа, но получить их оказалось не просто - для этого требовалось выраcтить из белка кристалл. Первым, кто сумел достичь результата, стал Родерик Мак-Киннон. В 1998 году он представил трехмерную структуру калиевого ионного канала бактериальной мембраны. Это позволило изучить работу ионного фильтра во всех деталях. Оказалось, что расстояния между атомами кислорода и ионом калия внутри канала в точности соответствуют расстояниям между калием и кислородом воды в растворе. Именно поэтому калий беспрепятственно проходит через канал, а натрий остается в водном растворе.

Изучение мембранных каналов, как водных, так и ионных, имеет не только теоретическое значение. Открытия нобелевских лауреатов 2003 года способствуют пониманию причин заболеваний почек, сердца, мышечной и нервной систем.



Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Лицом к лицу с природой»

Детальное описание иллюстрации

Эксперимент с незрелыми яйцеклетками шпорцевой лягушки Xenopus laevis, мембрана которых не содержит аквапорина (это необходимое условие выживания яйцеклетки в природной водной среде). Если ввести в клетку РНК, содержащую информацию о синтезе аквапорина, начнется производство этого белка. Такие яйцеклетки интенсивно поглощают воду и набухают.
Этот ионный канал пропускает ионы калия, но не натрия. Вне клеточной мембраны (А) ионы калия и натрия находятся в окружении молекул воды (показаны на рисунке красным цветом). Внутри фильтра (В) атомы кислорода образуют структуру, которая имитирует водную оболочку иона калия.