Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

В. Строение и функционирование белков-переносчиков, осуществляющих активный транспорт

Перенос некоторых лигандов (ионов, глюкозы, аминокислот) через мембраны происходит против градиента концентрации и сопряжён с затратой энергии (активный транспорт). Перенос лигандов через мембрану, связанный с затратой энергии АТФ, называют «первично-активный транспорт».

1. Первично-активный транспорт

Перенос некоторых неорганических ионов идёт против градиента концентрации при участии транспортных АТФ-аз (ионных насосов). Все ионные насосы одновременно служат ферментами, способными к аутофосфорилированию и аутодефосфорилированию. АТФ-азы различаются по ионной специфичности, количеству переносимых ионов, направлению транспорта. В результате функционирования АТФ-азы переносимые ионы накапливаются с одной стороны мембраны. Наиболее распространены в плазматической мембране клеток человека Na⁺, К⁺-АТФ-аза, Са²⁺-АТФ-аза и Н⁺,К⁺,-АТФ-аза слизистой оболочки желудка.

Na⁺, К⁺-АТФ-аза

Этот фермент-переносчик катализирует АТФ-зависимый транспорт ионов Na⁺ и К⁺ через плазматическую мембрану. Na⁺, К⁺-АТФ-аза состоит из субъединиц α и β ; а — каталитическая большая субъединица, ар— малая субъединица (гликопротеин). Активная форма транслоказы — тетрамер (αβ ) (рис. 5-19).

Рис. 5-19. Строение и функционирование Ма⁺,К⁺-АТФ-азы плазматической мембраны. 1 - три иона натрия связываются специфическим центром транслоказы; 2 - изменение конформации транслоказы, вызванное присоединением 3Na⁺, приводит к активации каталитической субъединицы и увеличению сродства активного центра к субстрату (АТФ). Протекает реакция ауто-фосфорилирования по карбоксильной группе аспарагиновой кислоты; 3 - аутофосфорилирование изменяет заряд и конформацию транслоказы, она закрывается с внутренней стороны мембраны и открывается с наружной, уменьшается сродство к ионам натрия и они диссоциируют от переносчика; 4 - Na⁺, К^--АТФ-аза открытая с наружной стороны мембраны имеет специфический центр связывания для 2К^-; Присоединение двух ионов калия к фосфорилированной транслоказе вызывает изменение конформации и появление аутофосфатазной активности. Протекает реакция аутодефосфорилирования; 5 - дефосфорилирование изменяет заряд и конформацию транслоказы, она закрывается с наружной стороны мембраны и открывается с внутренней, уменьшается сродство к ионам калия и они диссоциируют от Na⁺, К⁺-АТФ-азы; 6 - АТФ-аза возвращается в первоначальное состояние

Na⁺, К⁺-АТФ-аза отвечает за поддержание высокой концентрации К⁺ в клетке и низкой концентрации Na⁺. Так как Na⁺, К⁺ -АТФ-аза выкачивает три положительно заряженных иона, а закачивает два, то на мембране возникает электрический потенциал с отрицательным значением на внутренней части клетки по отношению к её наружной поверхности.

Са²⁺-АТФ-аза

В цитозоле «покоящихся» клеток концентрация Са²⁺ составляет ~10^-7 моль/л, тогда как вне клетки она равна ~2•10^-3 моль/л. Поддерживает такую разницу в концентрации система активного транспорта ионов кальция; её основные компоненты — кальциевые насосы — Са²⁺-АТФ-азы и Na+,Ca²⁺ -обменники.

Са²⁺-АТФ-аза локализована не только в плазматической мембране, но и в мембране ЭР. Фермент состоит из десяти трансмембранных доменов, пронизывающих клеточную мембрану. Между вторым и третьим доменами находятся несколько остатков аспарагиновой кислоты, участвующих в связывании кальция. Область между четвёртым и пятым доменами имеет центр для присоединения АТФ и аутофосфорилиро-вания по остатку аспарагиновой кислоты. Са2²⁺-АТФ-азы плазматических мембран некоторых клеток регулируются белком кальмодулином. Каждая из Са²⁺-АТФ-аз плазматической мембраны и ЭР представлена несколькими изоформами.

Работа Са²⁺-АТФ-азы цитоплазматической мембраны по стадиям представлена на рис. 5-20.

Рис. 5-20. Последовательность событий в процессе работы Са²⁺-АТФ-азы. 1 - связывание двух ионов кальция участком АТФ-азы, обращённой в цитозоль; 2 - изменение заряда и конформации фермента (АТФ-азы), вызванное присоединением двух ионов Са²⁺, приводит к повышению сродства к АТФ и активации аутофосфорилирования; 3 - аутофосфорилирование сопровождается конформационными изменениями, АТФ-аза закрывается с внутренней стороны мембраны и открывается с наружной; 4 - происходит снижение сродства центров связывания к ионам кальция и они отделяются от АТФ-азы; 5 - аутодефосфорилиро-вание активируется ионами магния, в результате Са²⁺-АТФ-аза теряет фосфорный остаток и два иона Mg2f; 6 - АТФ-аза возвращается в исходное состояние

Нарушение активности Са²⁺-АГФ-азы при патологии. Одна из причин нарушения работы Са²⁺-АТФ-азы — активация перекисного окисления липидов (ПОЛ) мембран. Окислению подвергаются как ацильные остатки жирных кислот в составе фосфолипидов, так и SH-группы в активном центре фермента. Нарушение структуры липидного окружения и структуры активного центра приводит к изменению конформации АТФ-азы, потере сродства к ионам кальция и способности к аутофосфорилиро-ванию. АТФ-аза перестаёт выкачивать ионы кальция из цитозоля клетки, повышается концентрация внутриклеточного кальция, Са²⁺ усиливает мышечное сокращение, возрастает тонус мышечной стенки, что приводит к повышению АД. Не последнюю роль нарушение функционирования Са²⁺-АТФ-азы играет в развитии атеросклероза, рака, иммунных патологий.

2. Вторично-активный транспорт

Перенос некоторых растворимых веществ против градиента концентрации зависит от одновременного или последовательного переноса другого вещества по градиенту концентрации в том же направлении (активный симпорт) или в противоположном (активный антипорт). В клетках человека ионом, перенос которого происходит по градиенту концентрации, чаще всего служит Na⁺.

Примером такого типа транспорта может служить Na+,Ca²⁺-o6менник плазматической мембраны (активный антипорт), ионы натрия по градиенту концентрации переносятся в клетку, а ионы Са²⁺ против градиента концентрации выходят из клетки (рис. 5-21).

Рис. 5-21. Натрий-зависимый транспорт ионов кальция

По механизму активного симпорта происходят всасывание глюкозы клетками кишечника и реабсорбция из первичной мочи глюкозы, аминокислот клетками почек (рис. 5-22).

Рис. 5-22 Механизм активного симпорта. А - Na⁺ и глюкоза связываются в разных центрах транслоказы. Ионы стремятся войти в клетку по градиенту концентрации и «тащат» глюкозу за собой, если концентрация Na⁺ вне клетки уменьшается, транспорт глюкозы в клетки снижается; Б - ионы натрия, проникающие в клетку вместе с глюкозой, «выкачиваются» обратно Nа⁺,К⁺-АТФ-азой, поддерживающей градиент концентрации Na⁺ и контролирующей транспорт глюкозы