За счет чего селективный фильтр осуществляет отбор нужных ионов

Обновлено: 04.07.2024

Пить воду из крана можно далеко не всегда, поскольку в ее составе содержатся различные примеси и вредные компоненты. С целью очистки питательной влаги люди используют различное фильтрующее оборудование. Нередко они устанавливают в доме ионообменный фильтр для очистки воды.

Устройство ионных фильтров

Ионообменные фильтры представляют собой специальную очистительную систему, которая включает в себя пластиковый или стальной корпус, картридж со смолой, распределительные устройства и емкость для регенерирующего раствора. В центре расположен фильтрующий блок. Его изготовляют на основе ионообменного сырья с волокнистой структурой.

Дальше установлен сетчатый фильтр, удерживающий механический мусор, и ионообменник. Этот узел запускает процесс обмена ионов тяжелых металлов в более легкие и безопасные соединения. Еще строением системы предусмотрено наличие фильтра тонкой очистки. Чтобы отводить растворенные газы, в корпусе закрепляются специальные отверстия.

Доступные на рынке фильтры характеризуются разными показателями КПД. Они определяются объемом загрузки и направлением регенерирующего потока. В зависимости от последнего свойства выделяют противоточные и прямоточные системы.

Габариты таких агрегатов определяются сферой их применения и рабочими характеристиками. Чтобы обрабатывать большие объемы сточной или сильно загрязненный воды нужно использовать крупногабаритный фильтр с повышенной мощностью. Для бытового использования подойдет компактная модель.

Они могут обладать съемным картриджем, который несложно заменить и восстановить в случае выхода из строя. Большие устройства выполнены в виде специальных колонн, поддерживающих автоматическое обновление наполнителя. В большинстве случае конструкция состоит из 3 блоков.

Для регулировки потока воды используется специальный клапан, который находится под электроникой. В восстановительном резервуаре размещается поваренная соль. Если ионообменная смола теряет свои свойства, в емкость закачивают жидкость и производят промывку наполнителя.

Принцип действия ионообменного фильтра

Ионообменная очистка необходима при повышении минерализации до 100 мг солей на 1 л воды. Наивысшей производительностью характеризуются фильтры на основе водородных смол. Сталкиваясь с таким оборудованием, тяжелые металлы, токсические или радиоактивные элементы превращаются в безопасный водород, а из жидкости выходят соли кальция и магния.

Натриевые установки обменивают ионы металла на ионы натрия, что повышает содержание солей и запускает щелочные реакции. Это изменяет кислотно-щелочной баланс и оказывает негативное воздействие на человеческий организм. Но сами элементы безопасны для бытовой техники.

Рабочее вещество является неорганическим и пористым. Для эффективной работы очистительного оборудования нужно периодически очищать смолу. Частота таких процедур определяется интенсивностью эксплуатации системы. Чтобы обработать смоляной картридж, следует воспользоваться поваренной солью и кислотой лимона.

Заявленный производителем срок службы составляет не меньше 3 лет. С помощью ионообменного фильтра для очистки воды можно смягчить ее и вывести из состава ионы стронция, хрома, железа и прочих тяжелых примесей.

Особенности очистки воды ионообменным способом

Методика ионообменной очистки воды пользуется большой популярностью и применяется как для промышленных, так и для бытовых целей. Поскольку жесткость питьевой жидкости появляется в результате скопления солей магния и кальция, обмен ионной меняет их уровень и восстанавливает нормальный состав.

Обработка способствует преобразованию минеральных солей в другие химические структуры с сохранением свойств воды.

Для очистки жидкости в фильтр помещается специальный ионит, после чего он заполняется водой. Жидкость начинает просачиваться сквозь ионообменник, что приводит к изменению ее химической структуры.

При отмене аэрации такая технология не вызывает выпадение солей жесткости в осадок, что лишает пользователей необходимости устанавливать дополнительные фильтрующие системы.

Лучшие 3 ионных фильтра

В продаже предлагается большое количество фильтров с ионообменным принципом действия. Однако некоторые модели заслуживают особого внимания и занимают лидирующие места в рейтингах.

К таким относится умягчитель для умягчения воды Ecosoft FU 2472CE15. Он предназначается для промышленного использования и способен обрабатывать до 11,7 м3 жидкости в час.

Среди плюсов системы выделяют отсутствие накипи и отложений в процессе работы, минимальные расходы на обслуживание, большой срок службы ионообменной смолы (до 5 лет), а также поддержку защиты от скачков напряжения. Существует множество способов смягчения воды, но обмен ионов считается наиболее востребованным.

В списке лучших фильтров находится модель BWT AQA PERLA 30. Она обладает компактными габаритами и следующими рабочими свойствами:

Универсальность. Система подходит как для небольших частных домов, так и для крупных предприятий.
Приятный вкус воды после обработки. Питательная влага становится мягкой и вкусной. При этом после приема душа кожа эластичная и приятно пахнет.
Простота обслуживания.
Наличие опции BIO.

Устройство серии Ecosoft FU 0844CE Twin разработано для бытового применения. Оно может выдавать до 1,3 м3 чистой воды за час работы, устраняя проблему образования накипи на бытовых приборах. Затраты на обслуживание системы минимальные, а заявленный срок службы превышает 5 лет. Агрегат поддерживает автоматизацию работы и не боится скачков напряжения.

Критерии выбора ионного фильтра

Отправляясь на поиски оборудования с методом очистки воды ионным обменом, необходимо объективно оценить некоторые критерии выбора. Среди них:

Степень жесткости. Этот показатель влияет на требуемую интенсивность обработки. Чрезмерно жесткая вода может привести к поломке бытовых приборов, поскольку на их поверхности начнут накапливаться накипь и прочие загрязнения. Для определения уровня жесткости применяется специальное вещество, которое приобретает соответствующий цвет после погружения в воду. По мере увеличения показателей понадобится больше ионно-обменных смол.
Показатели производительности. Они отображают допустимый объем очищенной жидкости, которая получается через 1 минуту работы. Чем выше значение, тем быстрее будет происходить очистка.
Необходимость регенерации. Указывает на среднюю периодичность восстановления рабочего вещества при частом использовании системы. В Москве ионообменная смола для фильтра продается в каждом магазине подобного оборудования, а произвести самостоятельную замену достаточно просто. Средний срок службы равняется 400-700 л обработанной жидкости.
Объем допустимых дренажных вод. Он позволяет определить допустимое количество литров для одновременной обработки, а еще указывает на частоту вброса грязной воды в очистительную систему.
Необходимость резервирования. Поскольку объемы потребления воды зависят от числа членов семьи и количества бытовых приборов, с целью хранения жидкости применяются специальные резервуары.

Достоинства и недостатки ионообменной очистки воды

Ионообменный метод очистки воды пользуется большим спросом и применяется в тех условиях, где показатели минерализации превышают допустимую норму и достигают 100 мг солей на 1 л. Такие агрегаты устраняют проблему сильной жесткости и обладают массой преимуществ. Это позволяет использовать их как для промышленных, так и для бытовых целей.

Среди положительных особенностей выделяют:

Эффективную очистку. С помощью такого оборудования можно не только подготавливать питьевую воду, но и очищать промышленные стоки. Любые другие технологии не обладают аналогичными рабочими свойствами.
Удаление солей жесткости и других примесей, подвергающихся процессу обмена ионов.
Простота использования и настройки.

Однако кроме плюсов система имеет и минусы. Во-первых, пользователю понадобится периодически регенерировать или заменять ионообменную смолу, что влечет за собой ряд финансовых затрат. Во-вторых, рабочее вещество после использования должно подвергаться утилизации. В-третьих, скорость обработки невысокая, т.к. смола для очистки воды не является гидрофильным материалом, а процесс обмена ионов протекает медленно.

Передовые агрегаты лишены многих недостатков. Производители оснащают их катализаторами, которые способствуют ускорению ионного обмена и снижают расход реагентов. В результате фильтр становится максимально производительным и эффективным.

Вам была полезна эта статья? Ставьте палец вверх!
Подпишитесь на мой канал и давайте общаться в комментариях!

1. Селективностью называют способность ионных каналов избирательно пропускать ионы какого-либо одного типа.

Еще в первых опытах на аксоне кальмара было обнаружено, что ионы натрия и калия по-разному влияют на мембранный потенциал. Ионы калия меняют потенциал покоя, а ионы натрия - потенциал действия.

Измерения показали, что ионные каналы обладают абсолютной селективностью по отношению к катионам (катион-селективные каналы), либо к анионам (анион-селективные каналы). В то же время через катион-селективные каналы способны проходить различные катионы различных химических элементов, но проводимость мембраны для неосновного иона, а значит и ток через нее, будет существенно ниже, например, для натриевого канала калиевый ток через него будет в 20 раз меньше. Способность ионного канала пропускать различные ионы называется относительной селективностью и характеризуется рядом селективности - соотношением проводимостей канала для разных ионов, взятых при одной концентрации.

2. Независимость работы отдельных каналов. Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток через другие каналы. Например, калиевые каналы могут быть включены или выключены, но ток через натриевые каналы не меняется. Влияние каналов друг на друга происходит опосредованно: изменение проницаемостей каких-либо каналов (например натриевых) меняет мембранный потенциал, а уже он влияет на проводимости прочих ионных каналов.

3. Дискретный характер проводимости ионных каналов. Ионные каналы представляют собой субъединичный комплекс белков, пронизывающий мембрану. В центре его существует трубка, сквозь которую могут проходить ионы. Количество ионных каналов на 1 мкм поверхности мембраны определяли с помощью радиоактивно-меченного блокатора натриевых каналов - тетродотоксина. Известно, что одна молекула ТТХ связывается только с одним каналом. Тогда измерение радиоактивности образца с известной площадью позволило показать, что на 1 мкм аксона кальмара находится около 500 натриевых каналов. Впервые это было обнаружено в 1962 г. в исследованиях проводимости бислойных липидных мембран (БЛМ) при добавлении в раствор, омывающий мембрану, микроколичеств некоторого вещества, индуцировавшего возбуждение. На БЛМ подавали постоянное напряжение и регистрировали ток. Запись тока во времени имела вид скачков между двумя проводящими состояниями.

Результаты экспериментов выполненных на различных ионных каналах показали, что проводимость ионного канала дискретна и он может находиться в двух состояниях: открытом или закрытом. Выбросы тока обусловлены одновременным открытием 2-х или 3-х каналов. Переходы между состояниями ионного канала происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Нельзя сказать, что данный ионный канал откроется именно в этот момент времени. Можно лишь сделать утверждение о вероятности открывания канала в определенном интервале времени.

Ионные каналы описывают характерными временами жизни открытого и закрытого состояний.

4. Зависимость параметров канала от мембранного потенциала. Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. На языке "ионных каналов" этот процесс происходит следующим образом. Ион-селективный канал имеет так называемый "сенсор" -некоторый элемент своей конструкции, чувствительный к действию электрического поля (см. рисунок). При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания "ворот" -своеобразных заслонок, действующих по закону "все или ничего".

Структура ионного канала

Ион-селективный канал состоит из следующих частей (см. рисунок): погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; воротной части.

"Ворота" ионного канала управляются мембранным потенциалом и могут находиться как в закрытом состоянии (штриховая линия), так и в открытом состоянии (сплошная линия). Нормальное положение ворот натриевого канала -закрытое. Под действием электрического поля увеличивается вероятность открытого состояния, ворота открываются и поток гидратированных ионов получает возможность проходить сквозь селективный фильтр.

Если ион "подходит" по диаметру, то он сбрасывает гидратную оболочку и проскакивает на другую сторону ионного канала. Если же ион слишком велик по диаметру, как например, тетраэтиламмоний, он не в состоянии пролезть сквозь фильтр и не может пересечь мембрану. Если же, напротив, ион слишком мал, то у него возникают сложности в селективном фильтре, на сей раз связанные с трудностью сбросить его гидратную оболочку. У "подходящего" иона сброшенная вода замещается на связи с атомами кислорода, расположенными в фильтре, у "неподходящего" иона стерическое соответствие хуже. Поэтому ему труднее пройти через фильтр и проводимость канала для него ниже.

Блокаторы ионных каналов либо не могут пройти сквозь него, застревая в фильтре, либо, если это большие молекулы как ТТХ, они стерически соответствуют какому-либо входу в канал. Так как блокаторы несут положительный заряд, их заряженная часть втягивается в канал к селективному фильтру как обычный катион, а макромолекула закупоривает его.

Таким образом, изменения электрических свойств возбудимых биомембран осуществляется с помощью ионных каналов. Это белковые макромолекулы, пронизывающие липидный бислой, которые могут находиться в нескольких дискретных состояниях. Свойства каналов, селективных для ионов калия, натрия и кальция могут по-разному зависеть от мембранного потенциала, что и определяет динамику потенциала действия в мембране, а также отличия таких потенциалов в мембранах разных клеток.

Нельзя преувеличить роль проницаемости плазматической мембраны в жизнедеятельности клетки. Большинство процессов, связанных с обеспечением клетки энергией и избавлением ее от продуктов распада, основаны на вышеописанных механизмах. Кроме того, специальные функции клеточной мембраны заключаются в получении клеткой внешних сигналов (примером этому могут служить описанные взаимодействия клетки с гормонами).

Список использованной литературы:

Антонов В. Ф., Черныш А. М., Пасечник В. И., и др. Биофизика. М., Арктос-Вика-пресс, 1996

Ю. И. Афанасьев, Н. А. Юрина, Е. Ф. Котовский и др. Гистология. М. Медицина, 1999.

Албертс Б., Брэй Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. Том 1. М., Мир, 1994.

• Электрические токи, возникающие в
клетке, обеспечиваются пассивным
движением ионов через мембрану
• Для того, чтобы ионы могли двигаться
через мембрану, необходимо создать
разность концентраций снаружи и внутри
клетки (концентрационный градиент)

4. Виды ионного транспорта

• Активный - с затратой энергии АТФ, против
концентрационного и/или электрического
градиента
– Первичный
– Вторичный
• Пассивный – без затрат энергии, по
концентрационному и/или электрическому
градиенту
– Простая диффузия (ионные каналы)
– Облегченная диффузия (белки-переносчики)
– Осмос

5. Для того, чтобы ионы могли двигаться через мембрану, необходимо иметь мембранные структуры, сообщающие вне- и внутриклеточную

6. Как выглядит ионный канал?

7. Два основных типа ионных каналов

В зависимости от роли в
нейрональной сигнализации,
различают 2 основных типа ионных
каналов – каналы покоя и воротные
-gate- (управляемые) каналы.
Каналы покоя открываются в покое
без влияния внешних факторов. Они
участвуют, преимущественно, в
поддержании мембранного
потенциала покоя и проницаемы для
ионов К или Сl.
Большинство gate-каналов в покое
закрыто. Вероятность их открытия
регулируется определенными
воздействиями. Они участвуют в
генерации электрических сигналов.

8. Работа канала

• Покой – канал закрыт, но может открыться
под действием адекватного стимула
• Активация- открытие канала под действием
адекватного стимула.
• Инактивация – состояние, когда канал закрыт
и адекватный стимул не действует (для
потенциалзависимых каналов) или
десенситизация –для лигандактивируемых
каналов)

9. Модель потенциал-зависимого ионного канала

10. Классификация ионных каналов

По избирательности
Неселективные (никотиновый холинорецептор)
Селективные (Na+, K+, Ca++, Cl-)
По механизму активации
1.Потенциалзависимые (Na+, K+, Ca++)
2.Хемочувствительные (лигандактивируемые) –1) ионотропные рецепторы
(Н-ХР, NMDA-Р, пуриновые Р и др.) 2) активируются с цитоплазматической
стороны Кса,
3.Механочувствительные (в волосковых клетках уха, в кардиомиоцитах др.)
По проводимости
Большой проводимости Na+, К Са , АХ (рецептор)
Малой проводимости Ca++
По скорости активации
(активация увеличивает вероятность открытия)
Быстровозбудимые Na+
Медленно активируемые медленные К+ каналы
По инактивации
Инактивируемые Na+
Неинактивируемые медленные К+ каналы
По времени жизни
Короткоживущие (менее 1 мс ) Н-ХР, Na+
Долгоживущие (более 100 мс ) пуриновые рецепторы

11. Избирательность (селективность) каналов

• Селективные
(Na+, К+, Са 2+, Cl- каналы ).
Селективность определяется
• размерами поры и иона,
• гидратной оболочкой,
• зарядом иона
• зарядом внутренней
поверхности канала
• Неселективные

12. Неселективный ионный канал Н-холинорецептор

13. Способы открытия (активации) управляемых ионных каналов

Активация физическими
изменениями
Потенциал-управляемые каналы
Каналы, активирующиеся
растяжением
Активация химическими
веществами
Внеклеточная активация
Внутриклеточная активация

14. Калиевые каналы

электровозбудимые
хемовозбудимые
быстрые э/в медленные
М-ХР
каналы
неинактивируе АХ снаружи
мые
П-А
П-А-И
функция:
быстро вернуть Создание
мембранный
мембранного
потенциал к
потенциала
исходному
состоянию
после его
снижения
Торможение
работы сердца
К Са , К атф ,
Предотвращает
перегрузку
сердца ионами
кальция

15. Кальциевые каналы

Признак
Проводимость
l-каналы T-каналы N- каналы
(large)
(tiny)
(neuron)
большая
медленная
Скорость
активации и
инактивации
мышцы
Объект
Функция
P- каналы
(клетки
Пуркинье)
малая
средняя
средняя
быстрая
средняя
быстрая
сердце
периферичес- нейроны в
кие нейроны головном мозге
электровозбуждение секреция
механичесмедиатора
кое
сопряжение
секреция
медиатора

16. Открытое и закрытое состояние ионных каналов

• Переход из закрытого в открытое состояние
происходит моментально.
• Канал открывается на определенное время, которое
варьирует случайным образом. Среднее время
открытого состояния (мс).
• Активация- увеличение вероятности открытия канала
под действием адекватного стимула.
• Деактивация- снижение вероятности открытия канала
под действием адекватного стимула.
• Инактивация – переход канала в новое
конформационное состояние, когда адекватный
стимул не действует.
• Блокирование открытого состояния- токсины, ионы и
др.

17. Молекулярные механизмы активации и инактивации каналов

18. Проводимость и проницаемость каналов

• Величина тока, проходящего через канал, связана со скоростью
движения ионов через него и пропорциональна потенциалу на
мембране
• i = gV,
где V –потенциал на мембране (в B),
i – величина тока через канал (в A),
константа g – проводимость канала (в Cм)
• Проводимость ионного канала зависит от легкости, с которой ионы
проходят через канал – проницаемости (внутреннее свойство
канала), и от концентрации ионов у устьев канала.
Ионный ток, текущий через мембрану клетки
I= i *P* N,
где i – ток через отдельный канал,
P- вероятность открытия канала,
N- количество каналов в мембране.

19. Строение ионного канала

Методы
исследования
Аминокислоты
Выделение белков
каналов
Спиральные
сегменты
Аминокислотная
последовательность
Домены
Субъединицы
Клонирование
Канал
Точечные мутации
Экспрессия в
чужеродные клетки
Цитоплазма

20. Потенциал-управляемые селективные ионные каналы

Структура основных
потенциал-активируемых
ионных каналов
Порообразующая
αсубъединица
потенциалактивируемых натриевых и
кальциевых
каналов
представляет собой
одну
белковую молекулу с четырьмя
доменами (I-IV), соединенными
внутриклеточными
аминокислотными
петлями.
Каждый домен имеет 6
спиральных трансмембранных
сегментов. Сворачивание
αсубъединицы образует канал.
α-субъединица калиевого канала
похожа на одиночный домен
натриевого или кальциевого
канала. В этом случае канал
образуется за счет стыковки 4
α-субъединиц. Справа показано
схематическое
изображение
каналов (вид сверху) Указано
взаимное
расположение
порообразующих
(α)
и
вспомогательных
(регуляторных)
субъединиц
(малые кружки).

22. Работа отдельного канала пэтч-кламп (patch-clamp)

Гигаомный контакт
Преимущества
1.
Возможность исследовать отдельный канал
2.
Возможность менять потенциал на мембране
3.
Возможность менять ионный состав и добавлять
любые исследуемые вещества с обоих сторон
мембраны

23. Нобелевская премия 1991 года в области физиологии и медицины

25. Движение ионов через каналы

• Движение иона через канал
управляется двумя силами:
• 1) химической движущей
силой, которая зависит от
концентрационного градиента,
Е
• 2) электрической движущей
силой, которая зависит от
разности электрического
потенциала на мембране.
• Потенциал на мембране, когда
электрическая сила точно
уравновешивается химической
силой и движение ионов через
канал прекращается назвали
равновесным потенциалом Е.
цитоплазма

26. Равновесные потенциалы(Е) итоговая движущая сила (V- Е)

27. Расчет равновесного потенциала

Равновесный потенциал для какого-либо иона Х
можно рассчитать из уравнения, полученного в 1888
году немецким физическим химиком Walter Nernst на
основании принципов термодинамики.
RT X o
ER
ln
zF X i
Где R – газовая постоянная, Т – температура (по
Келвину), z – валентность иона, F – константа
Фарадея, [Х]о и [Х]in – концентрации ионов внутри и
снаружи клетки.
• Уравнение Нернста можно использовать для расчета
равновесного потенциала любого иона по обе
стороны мембраны, проницаемой для данного иона.

28. Блокаторы ионных каналов

Прикладные медицинские аспекты
Блокаторы ионных каналов
Na+ каналы
К+ каналы
Са2+ каналы
Тетродотоксин (рыба фугу)
Сакситоксин (планктон,
Тетраэтиламмоний
моллюски)
Двухвалентные
катионы (кобальт, никель,
4-аминопиридин
кадмий)
Лидокаин
Кокаин
Тетракаин
Прокаин
Ибериотоксин
Дигидропиридины
(нитрендипин)
(яд скорпиона)
Фенилалкиламины
(верапамил)
Бензотиазепины
(дилтиазем)

Яды природного происхождения — необыкновенно интересный объект для исследований. Только в последние десятилетия стало известно, какие удивительные молекулярные конструкции создала эволюция, чтобы сделать смертельно опасными маленьких лягушек из колумбийских лесов или рыбу фугу. Растительных, животных и бактериальных токсинов известно огромное количество — пожалуй, в этой области биохимия посрамит неорганическую химию, да и решения проблемы нейтрализации врага, представленные живой природой, гораздо изящнее. Остановимся на нескольких, объединенных общей мишенью — все они воздействуют на потенциал-управляемые натриевые каналы в мембранах нервных клеток.

Немного о мишени

Генерация и распространение потенциала действия — основа работы всей нервной системы, и главная роль здесь принадлежит именно потенциал-управляемым натриевым каналам. Понятно, что один из самых быстрых и эффективных способов нейтрализовать врага состоит в том, чтобы нарушить деятельность его нервной системы. Поэтому натриевые каналы — прекрасная мишень для разнообразных токсинов.

Первые детальные сведения об устройстве каналов этого семейства,— результаты рентгеноструктурного анализа для калиевых каналов бактерий — были опубликованы в 1998 году. Руководитель работы, Родерик Маккиннон из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, стал нобелевским лауреатом по химии всего через пять лет, в 2003-м, — настолько очевидно было научному сообществу значение этих результатов. Без преувеличения, они открыли новую эру в понимании устройства и функций ионных каналов.

Тетродотоксин как пробка

Тетродотоксин — один из самых высокоактивных токсинов в природе. (Справедливости ради, в последние годы среди ученых крепнет убеждение, что тетродотоксин вырабатывают не сами рыбы, а бактерии рода Vibrio, обитающие в их организме.) Естественно, изучению того, как и где эта сложно устроенная молекула связывается с натриевым каналом, посвящено множество работ, выполненных на протяжении нескольких десятилетий. Однако более-менее разобраться в этом вопросе удалось сравнительно недавно. Тетродотоксин связывается во внешнем вестибюле канала, аккурат там, где расположен селективный фильтр. Если использовать не вполне научную терминологию, то данное действие можно уподобить затыканию бутылки пробкой. Да и коническая форма молекулы тетродоксина наталкивает на такую аналогию.

Подобно пробке, тетродотоксин входит во внешний вестибюль натриевого канала. При этом каждая его активная группа взаимодействует со своим аминокислотным остатком (см. рисунок справа)

Конотоксин как крышка

Молекулы совершенно иного типа — конотоксины, которые синтезируют хищные брюхоногие моллюски рода Conus. Как и многие другие ядовитые существа, конусы очень красивы, их крупные гладкие раковины покрыты замысловатыми узорами. Яд помогает им добывать пищу: конусы выбрасывают особый вырост ротового аппарата, как гарпун с отравленным наконечником, и поражают им других моллюсков или рыб. Но их яд весьма опасен и для человека.

Конотоксины — пептиды, как правило, с несколькими цистеиновыми S-S-мостиками, которые обеспечивают более или менее жесткую укладку аминокислотной цепочки. При этом если тетродотоксин — это одна высокоспецифическая молекула, то конусы производят множество пептидных токсинов, принадлежащих к разным семействам и атакующих различные мишени.

Те из них, которые воздействуют на потенциал-управляемые каналы, — так называемые мю-конотоксины — также высокоспецифичны. Они связываются в том же внешнем вестибюле натриевого канала, что и тетродотоксин. Но размеры у них совершенно другие — пептидный токсин внутрь узкой части канала пройти не может, поэтому он садится на канал сверху. Продолжая нашу аналогию, это уже не пробка, а крышка.

Моллюск Conus textile и структура конотоксина. Справа — конотоксин в канале; в отличие от тетродотоксина, он прикрывает канал сверху

Интересно, что некоторые мю-конотоксины (в том числе искусственно созданные мутанты) не блокируют проводимость полностью, а лишь в той или иной степени ее уменьшают. Долгое время никто не понимал, как реализуется эта остаточная проводимость. Сейчас нам представляется, что если у конотоксина есть некий дефицит положительно заряженных аминокислот, то он не может иммобилизовать и нейтрализовать все необходимые для проводимости ионов натрия остатки, и там, где хотя бы один из них остается свободным, ионы все же могут проходить в канал.

Батрахотоксин как распорка

Третий класс соединений, воздействующих на потенциал-зависимые натриевые каналы, представляет батрахотоксин южноамериканских лягушек листолазов (Phyllobates). Примечательно, что ядовитыми их делает диета: алкалоиды, необходимые для синтеза батрахотоксина, содержатся в членистоногих, которыми они питаются в природе; новорожденные листолазы и те, которые содержатся в неволе, неядовиты. Это один из сильнейших ядов: полулетальная доза, рассчитанная для употребления внутрь, — 2–7 мкг/кг (у стрихнина, например, миллиграммы на килограмм, у тетродотоксина — сотни микрограммов на килограмм).

Известны также аналоги батрахотоксина другого происхождения. Самые знаменитые их них — растительные токсины вератридин и аконитин. Как видно на рисунке, это достаточно сложно организованные органические соединения, и феноменология их действия на натриевые каналы также сложна.

Главное их отличие от рассмотренных выше тетродотоксина и конотоксинов состоит в том, что они канал не блокируют. Наоборот, связывание этих токсинов приводит к тому, что канал удерживается в открытом состоянии и непрерывно пропускает ионы. Но хотя механизм действия абсолютно противоположный, биологический эффект тот же — плачевный для жертвы. И в том и в другом случае генерация и распространение потенциалов действия становятся невозможными, поскольку нарушены механизмы нормальной, управляемой потенциалом мембраны, активации канала.

Долгое время считалось, что батрахотоксин и его аналоги действуют на канал через липидную фазу (так как они способны проникать в мембрану) и загадочным образом меняют его характеристики. Концепция эта держалась до тех пор, пока не стали доступны данные точечных мутаций. Они однозначно показали, что эти токсины должны связываться в поре ионного канала и нигде более. Что же они там делают, за счет чего свойства канала так радикально изменяются? Достаточно долго это оставалось загадкой, и ее решение впервые предложил мой коллега Б.С. Жоров.

Молекула батрахотоксина сидит в канале и не дает ему закрыться, пропуская ионы натрия. Стрелкой показан ток ионов

Если мы посмотрим на пространственную структуру батрахотоксина, вератридина и аконитина, то увидим, что для них характерно наличие кислородной триады: в каждой молекуле присутствуют три атома O, расположенные определенным образом. Предполагалось, что они нужны для специфического связывания. Борис Соломонович Жоров заметил, что эти три кислорода в молекуле токсина по геометрии точно соответствует кислородам молекул воды из первой гидратной оболочки иона Na + .

Отсюда возникла модель, которую мы разрабатывали в дальнейшем. Суть ее в том, что молекула токсина связывается в поре канала и при этом обращает внутрь поры эти самые три кислорода. И несмотря на то что такая относительно большая молекула находится в канале, она его не перекрывает, проницаемость для ионов натрия сохраняется — можно сказать, что молекула батрахотоксина скользкая для ионов, именно за счет кислородной триады. Это предположение позволило объяснить все основные эффекты. Если снова использовать ненаучную аналогию, батрахотоксин — своего рода распорка, подобие стента, который хирург вставляет в сосуд кровеносной системы, чтобы не дать ему схлопнуться. Батрахотоксин, вератридин и аконитин садятся в канал, распирают его и не позволяют закрываться, тем самым обеспечивая непрерывный ток ионов.

На основании этой концепции было сделано несколько работ, предсказаны новые мутации, причем все наши предположения достаточно хорошо подтвердились. На сегодня это наиболее современное представление о том, как действует данный класс активаторов потенциал-зависимых натриевых каналов.

Итак, на нескольких примерах мы увидели, какими разнообразными и изощренными могут быть молекулярные механизмы действия токсинов на натриевые каналы. А это лишь несколько кусочков огромной мозаики действия токсинов на специфические белки. Многие проблемы пока еще остаются нерешенными.

Зачем все это нужно?

Практическая польза от подобных фундаментальных исследований очевидна. Из всего объема медицинской фармакологии порядка 10% соединений имеют мишенями именно ионные каналы. Это анестетики, анальгетики, антиаритмики и множество других классов фармакологических агентов. С блокаторами потенциал-управляемых каналов на практике сталкивался каждый, кому доводилось бывать у стоматолога. Ведь используемые для обезболивания местные анестетики — тоже блокаторы именно этих каналов. Все их отличие от тетродотоксина в том, что они действуют только в высоких концентрациях — иначе говоря, только вблизи места укола. Местные анестетики препятствуют возникновению потенциалов действия, а значит, и передаче в мозг болевых сигналов.

Современная медицина постоянно нуждается в новых активных и избирательных фармакологических агентах, чтобы по возможности минимизировать побочные эффекты применения лекарств. На разработку новых препаратов тратятся огромные деньги. Но как же искать новые вещества, если мы не знаем, каковы механизмы действия уже известных соединений? Случайный перебор слишком дорого обходится. Рациональный поиск может основываться только на глубоком научном понимании механизмов действия препаратов — во всем диапазоне от молекул до целых организмов.

Читайте также: