Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Потаким каналам диаметром 15 Аионы и небольшие молекулымогут перетекать из однойклетки в другую. [Hertzberg E.L, Gilula N. В., J. Biol. Chem.,254, 2143 (1979).]36.2. Открытие системы активноготранспорта ионов натрия и калияБольшинство животных клеток имеет высокую концентрацию К+ и низкую концентрацию Na+ по сравнению с окружающей клетку средой. Градиенты этих ионов создаютсяспецифической транспортной системой, называемой (Na + + К+)-насосом, посколькудвижение этих ионов взаимосвязано.
Активный транспорт Na+ и К+ имеет огром-36. Мембранный транспорт305щую Mg 2+ среду. Этот фермент был назван(Na + + K+)-АТРазой:Рис. 36.2.Изменение свободной энергиипереноса незаряженного растворенного вещества из отсекас концентрацией с1 в отсекс концентрацией с2 (А) и одновалентных ионов через мембрану на сторону, имеющуюодноименный с ионом заряд(Б). Обратите внимание, чтомембранный потенциал 59 мВтребует для транспорта одновалентного иона при 25°С такого же изменения свободнойэнергии, как и градиент концентрации, равный 10.ное физиологическое значение.
В самом деле, в организме животного на этот процессзатрачивается более трети АТР, расходуемой в состоянии покоя. Градиенты концентрации Na+ и К+ регулируют объем клетки,обеспечивают электрическую возбудимостьнервных и мышечных клеток и служат движущей силой для активного транспортаСахаров и аминокислот (разд. 36.10).В 1957 г. Йенс Скоу (Jens Skou) открылфермент, гидролизующий АТР только при++условии добавления Na и К в содержа306Часть V.Молекулярная физиологияСкоупредположил,что(Na ++++ К )-АТРаза является интегральнойчастью (Na + + К + )-насоса и расщеплениеАТР обеспечивает энергией активный транспорт Na+ и К + .
С тех пор был полученцелый ряд доказательств того, что (Na + ++ К+)-ATРаза - действительно составнаячасть ( N a + + К+)-насоса.1. (Na + + К + )-АТРаза обнаруживаетсяво всех случаях, когда происходит активныйтранспорт Na + и К + . Уровень ферментативной активности коррелирует с количеством транспортируемых ионов. Так, нервным клеткам свойственна высокая активность и (Na + + K + )-АТРазы, и (Na+ ++ К+)-насоса, тогда как в эритроцитахоба этих показателя находятся на низкомуровне.2. И (Na + + К + )-АТРаза, и насос прочно связаны с плазматической мембраной.3. (Na + + К + )-АТРаза и насос одинаково ориентированы в плазматической мембране.4.
Изменения концентраций Na + и К+оказывают одинаковое действие на АТРазную активность и скорость транспорта этихионов.5. Кардиотонические стероиды являютсяспецифическими ингибиторами и (Na + ++ К + )-АТРазы, и (Na + + К + )-насоса.Концентрация ингибитора, оказывающаяРис. 36.3.(Na + +К + )-АТРаза[компонент (Na+ + К+)-насоса] гидролизует АТР только в томслучае, если в среде, содержа2+щей Mg , одновременно присутствуют Na + и К + .4.
Ванадат-ионыингибируютнасоси АТРазу только при условии, что они находятся внутри клетки.Рис. 36.4.(Na+ +К+)-насосстрогоориентирован в плазматической мембране.36.4. АТР транзиторно фосфорилируетнатрий-калиевый насосКаким образом АТР обеспечивает активный транспорт Na+ и К + ? Ключом к решению этого вопроса оказалось наблюдение, что в присутствии Na+ и Mg2+АТР фосфорилирует (Na+ + К+)-АТРазу.Участком фосфорилирования служит боковая цепь специфического остатка аспартата.Далее в присутствии К+ происходит гидролиз фосфорилированного промежуточногопродукта (Е—Р).
Для реакции фосфорили-полумаксимальный эффект, для обоих процессов одинакова.6. При обращении работы насоса в определенной ионной среде происходит синтезАТР из ADP и Рi;.36.3. И фермент, и насос ориентированыв мембранеИсследование (Na+ + К + )-насоса в теняхэритроцитов позволило установить, какориентированы(Na+ + К + )-АТРаза и++(Na + К )-насос. В гипотонической солевой среде эритроцит набухает, и в его мембране появляются дырки.
Из него выходитгемоглобин и остается светлая мембрана(тень). Содержимое набухшего эритроцитаможно уравновесить с наружной средой. Если наружный раствор сделать изотоничным.то мембрана вновь становится барьеромпроницаемости. Следовательно, молекулярный и ионный состав среды внутри тенейможно отрегулировать путем запечатывания их в соответствующей среде. Исследования процессов транспорта и ферментативной активности в тенях эритроцитов показало, что (Na+ + K+)-насос ориентированследующим образом (рис. 36.4).1. Для активации АТРазы и переноса через мембрану ионы Na+ должны быть внутри, а ионы К+ - снаружи.2.
Только находящийся внутри клеткиАТР служит эффективным субстратомАТРазы и используется для работы насоса.3. Кардиотонические стероиды ингибируют насос и АТРазу только в том случае,если они находятся вне клетки (снаружи).рования не требуется К+, а для реакции дефосфорилирования не требуются ни Na+, ниMg2+:Na+-зависимое фосфорилирование и К + зависимое дефосфорилирование - не единственные реакции, имеющие критическоезначение. В процессе функционированиянасос принимает по крайней мере дверазные конформации, обозначаемые как Е1и Е 2 .
Всего же в транспорте Na+ и К+ и сопряженном с ним гидролизе АТР участвуетне менее четырех конформационных формфермента: E1, Е1—Р, Е 2 —Р и Е2 (рис. 36.5).При гидролизе одной молекулы А ТР происходит перенос трех ионов Nа+ и двух ионовК+. Следовательно, работа насоса генерирует электрический ток через мембрану.Другими словами, (Na+ + K+)-АТРазный36. Мембранный транспорт307происходит в условиях резко увеличенныхионных градиентов.
Это достигается инкубацией эритроцитов в среде с очень высокой(по сравнению с нормой) концентрацией++Na и очень низкой концентрацией К .36.6. Натрий-калиевый насос - олигомерныйтрансмембранный белок+Рис. 36.5.Циклическое изменение конформации (Nа+ + К + )-АТРазыв ходе катализа.насос электрогенен. Максимальное числооборотов АТРазы составляет около 100 с-1.Ионы ванадата (V 5 + ) в наномолярныхконцентрациях ингибируют (Na+ + К + )АТРазу.
Этот пятивалентный ион фиксирует белок в форме Е2 . Ванадат являетсяаналогом переходного состояния, образующегося при гидролитическом отщеплениифосфорильной группы, так как он способенпринять бипирамидальную структуру, подобную той. какую дает фосфат (рис. 36.6).36.5. Транспорт ионов и гидролиз АТРтесно сопряженыВажная характеристика насоса состоитв том, что в отсутствие транспорта Na+ иК+ не происходит гидролиза АТР.
Другимисловами, система так сопряжена, что энергия АТР не растрачивается впустую. Прочное сопряжение - общая особенность биологических систем, опосредующих превращение энергии. Вспомним, что и в митохондриях условием нормального потока электронов в дыхательной цепи служит одновременное генерирование АТР (разд. 14.13).Другой пример сформулированного принципа - обязательное сопряжение гидролизаАТР и мышечного сокращения.Действие(Na + + K + )-насосаможнообратить так, чтобы он приводил к синтезуАТР. Суммарный синтез АТР из ADP и Р i308Часть V.Молекулярная физиология+(Na + K )-АТРаза представляет собойтетрамер α2β2 массой 270 кДа.
Большаяα-субъединица (95 кДа) содержит участок,осуществляющий гидролиз АТР, и участоксвязывания кардиотонических стероидныхингибиторов. Меньшаяβ-субъединица(40 кДа) содержит углеводные группы. Между двумя α-субъединицами или между αи β-субъединицами (но не между двумяβ-субъединицами) легко образуются поперечные мостики.
Исходя из этого факта,можно было предположить, что α-субъединицы контактируют друг с другом, тогдакак β-субъединицы пространственно разделены. Как уже упоминалось, гидролиз АТРпротекает на той стороне мембраны, которая обращена к цитозолю, а участок связывания стероидных ингибиторов находитсяна наружной стороне мембраны.
Следовательно, каждая α-субъединица пронизываетмембрану насквозь (рис. 36.7). Углеводныецепи β-субъединиц расположены на наружной стороне плазматической мембраны, какэто вообще свойственно мембранным гликопротеинам (разд. 10.12).Любопытно отметить, что рассматриваемый ферментный комплекс обладает одним участком связывания стероидных ингибиторов, одним участком фосфорилирования и тремя участками связывания Na + .
КакРис. 36.6.Строение ванадат-иона (V 5 + ).Лиганды вокруг этого ионарасполагаются в виде двойнойпирамиды, т.е. так же, как вокруг атома фосфора при гидролитическом отщеплении фосфорильной группы.Рис. 36.7.Схематическое изображениесубъединичнойструктурыи расположения в мембране(Na+ + К+)-насоса.же получается, что тетрамер с субъединичной структурой α2β2 содержит нечетноечисло связывающих участков? Одна из возможностей состоит в том, что участкисвязывания расположены между субъединицами, в месте их контактов. Вспомним, чтоα2β2-тетрамер гемоглобина содержит единственный участок связывания бисфосфоглицерата, находящийся в полости, расположенной в центре молекулы (разд. 4.14).Однако существует и иная возможность,а именно такое взаимодействие двух αβ-половин фермента, при котором связываниев одном из двух участков препятствуетсвязыванию в другом.
В самом деле, целыйряд олигомерных ферментов проявляет такую половинную реакционноспособность.36.7. Модель механизма действиянатрий-калиевого насосаПочему фосфорилирование и дефосфорилирование АТРазы приводят к переносу Na+ иК+ через мембрану? Структура этого насоса еще не настолько изучена, чтобы можнобыло детально описать механизм его действия. Все же полезно рассмотреть простуюмодель работы насоса, предложенную Олегом Ярдецким (Oleg Jardetzky). Согласноэтой модели, структура белка, функционирующего в качестве насоса, должна отвечать трем условиям.1. В белке должна быть полость такой величины, чтобы в ней умещались небольшаямолекула или ион.2.
Белок должен существовать в двух конформациях, причем при одной из них по-лость должна быть открыта со стороны,обращенной внутрь, а при другой - со стороны, обращенной наружу.3. Указанныеконформациидолжныиметь разное сродство к транспортируемымкомпонентам.Рассмотрим эту модель применительнок транспорту Na+ и К+ (рис. 36.8).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
