Как происходит питание клеток

Белки, ферменты и другие биологические структуры достаточно малы, чтобы считаться крупными молекулами. Тем не менее, они отвечают за выполнение физических задач в организме, таких как транспортировка питательных веществ и отходов, а также служат барьерами в стенках органов. Но как важные химические вещества, такие как вода и ионы металлов, перемещаются внутри тела? В 2003 году Нобелевская премия по химии была присуждена двум ученым, которые помогли нам понять, как эти вещества проникают в клетки и выходят из них.

Клеточные мембраны состоят из белков — крупных цепочечных молекул, построенных из повторяющихся аминокислотных звеньев. Эти белки преимущественно липофильны (отталкивают полярные частицы), что предотвращает утечку содержимого клетки через мембрану и его смешение с окружающей средой. Сложные структуры белковых молекул позволяют им самоорганизовываться в трехмерные конструкции. Внутри этих структур области с относительно высокой полярностью (например, скопления связей углерод–кислород или заряженные R-группы) могут функционировать как «каналы» для прохождения небольших полярных молекул и ионов.

Представление рентгеновской структуры канала иона калия в виде трубки и ленты, созданное Родериком МакКинноном (Университет Рокфеллера), который получил Нобелевскую премию по химии 2003 года за эту работу. Ключевая часть канала, выбирающая ион K⁺, показана с боковыми и нисходящими расширениями с использованием моделей заполнения пространства группами C=O, которые выстилают канал, и синими ионами калия

Доктор Питер Эгр изучал мембранные каналы, которые позволяют воде проникать в клетки и выходить из них, не пропуская ионы H₃O⁺. Клеткам необходима вода для регулирования объема и осмотического давления. Однако, поскольку клетки хранят энергию, поддерживая разность зарядов с окружающей средой, необходимо предотвратить потерю протонов через канал в виде H₃O⁺.

Эгр выделил предполагаемый белок водного канала и продемонстрировал его функцию с помощью простого эксперимента: он ввел его в тестовые клетки, которые затем погрузили в водные растворы, заставив их поглощать воду и разрываться. Рентгеноструктурный анализ этого белка раскрыл атомную логику избирательности водного канала. Когда молекулы H₂O и ионы H₃O⁺ движутся по каналу, они сталкиваются с узким участком, где аминокислотные звенья белка расположены особенно близко друг к другу. Этот «проход» шириной 2,8 Å настолько мал, что через него могут пройти только молекулы воды. Два аминокислотных звена, расположенных рядом, имеют R-группы с положительными зарядами, поэтому электростатическое отталкивание также помогает блокировать проход H₃O⁺. Белки, содержащие водные каналы, называются аквапоринами; их дисфункция связана с задержкой жидкости, обезвоживанием, диабетом и заболеваниями почек.

Транспорт ионов металлов в клетках биологически важен, поскольку наши мышечная и нервная системы регулируются заряженными частицами. Клетки используют мембранные каналы для избирательного извлечения ионов калия из среды, содержащей как K⁺, так и Na⁺. Поскольку ион K⁺ крупнее иона Na⁺, этот процесс не может быть осуществлен простым ограничением диаметра канала. Доктор Родерик Маккиннон показал, что избирательность по калию возникает благодаря предпочтительному взаимодействию между катионом калия и атомами аминокислот белка, образующих стенки канала.

Ионы K⁺ и Na⁺ изначально попадают в ионный канал в сольватированном виде, окруженные оболочками из молекул H₂O. Однако в конечном итоге они должны сбросить воду, чтобы пройти через узкие кольца атомов кислорода аминокислот, выступающих из стенок канала. Расстояние между «голым» ионом K⁺ и этими атомами кислорода аналогично расстоянию между K⁺ и атомами кислорода его сольватной оболочки. Таким образом, ион калия может сбросить водную оболочку и войти в кольца с минимальными энергетическими затратами (см. рисунок). В отличие от этого, меньший ион Na⁺ не может «достать» все атомы кислорода в кольце канала для образования связей; энергетический барьер для десольватации выше, и ион Na⁺ исключается.

Рисунки, показывающие, как ионный канал избирательно пропускает ионы K⁺, но не меньшие катионы Na⁺. K⁺ слева достаточно большой, чтобы одинаково хорошо взаимодействовать со всеми четырьмя квадратно-плоскими атомами O, выстилающими верхнюю часть ионного канала. Поэтому при диссоциации координированных молекул воды (для ясности показаны только четыре) теряется мало энергии, когда ион K⁺ входит в канал. Однако ионы Na⁺ слишком малы и не могут хорошо взаимодействовать со всеми четырьмя атомами O, выстилающими канал. Это представляет собой ситуацию с более высокой энергией, и ион Na⁺ предпочитает оставаться в растворе, где он может взаимодействовать с большим количеством молекул воды

Человеческое тело, без сомнения, является самым сложным химическим реактором в мире. Забавно осознавать, как наши клетки хитро используют инструменты — молекулярные «соломинки» и атомные «рулетки» — чтобы поддерживать внутренние запасы питательных веществ в порядке.