36.18. Через щелевые соединения ионы и небольшие молекулы перетекают из клетки в клетку
Большие водные каналы, через которые происходит пассивный транспорт, свойственны многим биологическим мембранам прокариот и эукариот. Так, в наружной мембране грам-отрицательных бактерий имеются каналы, образованные порином — трансмембранным белком массой 
(разд. 32.14). По этим каналам диаметром 10 А легко проникают в периплазматическое пространство полярные молекулы массой, не превышающей примерно 600 Да. Далее эти молекулы транспортируются в цитозоль посредством симпорта, транслокации групп или иных пермеаз. Подобным же образом в наружных мембранах митохондрий и хлоропластов имеются большие водные каналы, образованные из аналогичных порину молекул.
Наиболее хорошо изученным типом водного канала у эукариот является щелевое соединение (щелевой контакт), называемое также межклеточным каналом, поскольку он служит протоком между внутренним содержимым многих смежных клеток. Щелевые соединения, открытые Жан-Полем Ревелем и Морисом Карновским (Jean-Paul, Revel, Morris Karnovsky), располагаются скопом (кластерами) в определенных участках плазматических мембран прилежащих друг к другу клеток. На электронных микрофотографиях листков щелевых соединений (рис. 36.28) можно видеть, что каждое соединение образовано шестью субъединицами, окружающими пору диаметром 15-20 А. На тангенциальном срезе (рис. 36.29) видно, что эти гексамеры пронизывают промежуток (щель) между соприкасающимися клетками (отсюда и название - щелевое соединение). Для определения внутреннего размера щелевых соединений производили микроинъекцию ряда флуоресцирующих веществ в одни клетки и затем наблюдали, как распространяется флуоресценция по соседним клеткам. По данным Вернера Лёвенштейна (Werner Loewenstein), все полярные вещества массой до 
легко проходят по межклеточным каналам. Другими словами, по щелевым соединениям из одной клетки в другую могут поступать неорганические ионы и большинство метаболитов (сахара, аминокислоты, нуклеотиды). Что касается белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, то из-за своих больших размеров они не проходят по этим каналам.
Щелевые соединения играют важную роль в межклеточной коммуникации. В ряде возбудимых тканей, например в сердечной мышце, клетки объединены в единую систему быстрым потоком ионов через эти соединения; таким путем достигается быстрый и синхронный ответ на стимуляцию. Через
Рис. 36.29. Электронная микрофотография тангенциального среза щелевых соединений между прилежащими клеточными мембранами. [Hertzberg E. L., Gi-lula N. В., J. Biol. Chem., 254. 2143 (1979).]
щелевые контакты происходит также питание клеток, удаленных от кровеносных сосудов, например в костях или хрусталике глаза. Представляется вероятным, что рассматриваемые каналы коммуникации имеют важное значение в регуляции процессов развития и дифференцировки.
Проницаемость щелевых контактов регулируется ионами кальция. Повышение внутриклеточного содержания Са+ приводит к тому, что щелевой контакт в той или иной мере закрывается. Межклеточные каналы полностью открыты при концентрации Са2+ ниже 
и полностью закрываются при концентрации Са2+ , превышающей 
Увеличение содержания Са2+ в указанном диапазоне приводит к сужению просвета межклеточных каналов, причем в первую очередь снижается проницаемость для более крупных молекул. Структурная основа таких изменений просвета каналов была выявлена при анализе реконструированных трехмерных изображений полей щелевых контактов, взятых в двух различающихся по четвертичной структуре состояниях. Эти структурные исследования показали, что щелевой контакт состоит из двух смыкающихся цилиндрических единиц, названных коннексонами. Каждый коннексон образован шестью субъединицами, имеет длину 75 А и насквозь пронизывает плазматическую мембрану. Сегмент коннексока длиной 20 А выступает во внеклеточное пространство и соединяется с коннексоном прилежащей клетки. Длинная ось каждой из субъединиц коннексона имеет наклон по отношению к поперечной оси мембраны. Путем скольжения субъединиц относительно друг друга происходит уменьшение их наклона к поперечной оси мембраны, и канал при этом закрывается (рис. 36.31). Самые большие конформационные изменения имеют место в середине канала, где субъединицы двух стыкующихся коннексонов скользят относительно друг друга на расстояние примерно 11 А, что соответствует повороту на 28°. Анализ высокой степени разрешения позволит в дальнейшем выявить, каким образом Са2+ индуцирует скольжение и поворот.
Рис. 36.30. Схематическое изображение щелевого контакта.
Рис. 36.31. Модель регуляции ионами Са2+ степени закрывания щелевого соединения. (По рисунку, любезно предоставленному д-ром N. Unwin и д-ром G. Zampighi.)
Заключение
Транспорт молекул и ионов через биологические мембраны осуществляется трансмембранно ориентированными белками, которые формируют каналы. Транспорт является пассивным, если 
для транспортируемого компонента отрицательно; в случае активного транспорта величина 
положительна. Изменения свободной энергии зависят от соотношения концентраций транспортируемого компонента по двум сторонам мембраны и от мембранного потенциала, если мембрана заряжена. Активный транспорт требует вклада свободной энергии. Наиболее распространенная система транспорта в животных клетках - (Na+ + К+)-насос, который выводит из клетки три иона Na+ и насасывает в клетку два иона К+ за счет энергии гидролиза одной молекулы АТР. В присутствии 
фосфорилирует аспартатную боковую цепь в 
-субъединице этого ферментативного комплекса с субъединичным составом 
Образовавшееся фосфорилированное промежуточное соединение гидролизуется в присутствии К+. Эту последнюю реакцию подавляют кардиотонические стероиды (например, дигиталис), являющиеся высокоспецифичными ингибиторами (Na+ + К+)-насоса. В результате цикла конформационных изменений, обусловленных фосфорилированием и дефосфорилированием, происходит перенос ионов 
Транспорт ионов кальция, играющих важную роль в регуляции мышечного сокращения, осуществляется иной АТРазной системой, локализованной в мембране саркоплазматического ретикулума. Однако и в этом случае процесс транспорта сопряжен с фосфорилированием остатка аспартата. Обе системы транспорта - как Са2+, так и 
удалось реконструировать из соответствующих очищенных АТРаз и фосфолипидов.
Для ряда транспортных систем непосредственным источником энергии служит не гидролиз АТР, а градиент концентрации ионов. Так, активный транспорт глюкозы и аминокислот в ряде животных клеток сопряжен с одновременным входом Na+; такой процесс называется котранспортом. Одновременный вход Na+ и глюкозы обеспечивается специфическим симпортом. (Na+ + К+)-насос создает тот градиент концентрации ионов Na+ , который необходим для сопряженного входа Na+ и глюкозы. У бактерий, как правило, непосредственным источником энергии для симпортов и антипортов служит градиент концентрации Н+, а не Na+. Например, активный транспорт лактозы, осуществляемый пермеазой для лактозы, сопряжен с входом протона в бактериальную клетку. Этот транспортный процесс протекает за счет протонодвижущей силы, генерируемой переносом электронов по дыхательной цепи. Бактериям свойствен и иной тип транспорта, а именно так называемая транслокация групп; в этом случае происходит модификация растворенного вещества в процессе переноса. Так, фосфотрансферазная система, переносящая сахара, фосфорилирует их (например, глюкозу в глюкозо-6-фосфат) по мере поступления в клетку. Донором фосфорильной группы в этом процессе служит фосфоенолпируват. Фосфорилирование опосредовано тремя разными ферментами и небольшим белком (HPr) - переносчиком фосфорильной группы.
Клетки прокариот и эукариот содержат также наполненные водой каналы, по которым ионы и небольшие полярные молекулы могут пассивно диффундировать сквозь мембраны. Например, в наружных мембранах грам-отрицательных бактерий имеются пориновые каналы диаметром около 10 А. Между соприкасающимися клетками высших организмов во многих случаях имеются щелевые соединения. По этим каналам диаметром 20 А ионы и большинство метаболитов (например, моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды) могут
перетекать из одной клетки в другую. Щелевые соединения закрываются под действием Са2+. Эти протоки между соприкасающимися клетками играют важную роль в межклеточной коммуникации.
Транспортные антибиотики повышают проницаемость мембран для определенных ионов, функционируя в качестве подвижных переносчиков (например, валиномицин) либо каналообразователей (например, грамицидин А). Молекула антибиотика подвижного переносчика, имеющая форму скорлупы ореха, связывает в центральной полости один ион металла. Благодаря углеводородной периферической части весь комплекс способен проходить сквозь внутренний углеводородный слой мембраны. Каналообразующие антибиотики формируют пронизывающие мембрану водные поры.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
(см. скан)
