Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 182
Текст из файла (страница 182)
моль — постоянная Фарадея, лф — мембранный потенциал (в вольтах). Для плазматической мембраны клеток эукариот Лтр - 0,05 В (внутри клетки более отрицатечьный, чем на внешней стороне), так что второй член уравнения 11-4 вносит существенный вклзл в общее изменение свободной энергии при переносе иона. Концентрация ионов по разные стороны плазматнчсских или внутриклеточных мембран в большинстве клеток различается в 1О раз, и поэтому для многих клеток и тканей активный транспорт является основным энергопотребляющим процессом. Пример 11-2 ЗАТРАТЫ ЭНЕРГИИ НА ПЕРЕКАЧИВАНИЕ ЗАРЯЯ(ЕННОГО РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА Определите энергетические затраты (изменение свободной энергии) на псрскачнвание ионов кальция из цитозоля, где их концентрация составляет около 1,0 10 т М, во внсклеточную жидкость, где их концентрация приблизительно равна 1,ОмМ.
Примите, что температура равна 37 С (температура тела млекопитающих), а стандартный мембранный потенциал лля плазматической мембраны 50 мВ (отрицательная величина внутри клетки). Решение. В данном расчете следует учитывать как градиент концентрации вещества, так и величину электрического потенциала.
Используем уравнение 11-4. ПодставилЖ = 8,315 Дж/(моль . К), Т=310К,Се=1,0 10'з,С, =1,0 10 ',Е=96500Дж/ ( Вмоль),2 =+2 (для Сат ') и Лф = О 050 В. Обратите внимание, что мембранный потенциал составляет 50 мВ (внутри клетки отрицательное значение), так что изменение потенциала при выходе иона из клетки наружу составляет 50 мВ. лС, = ЯТ]п (С, / С,) +7глФ = = (8,315 Дж/моль К) (310 К) !и 1,0 10' + 2 (96 500 Дж/В-моль) (0,050 В) = 33 кДж/моль 15601 Часть 1. 11. Биологические иеибраны и гранслорт Механизм активного транспорта имеет фундаментальное значение в биологии. Как мы увидим в гл. 19, образование АТР в митохондриях и хлоронластах происходит по механизму АТР-зависимого ионного транспорта, работаннцего в обратном направлении.
Энергия, поставляемая при спонтанном потоке протонов через мембрану,может быть рассчитана из уравнения 11-4; вспомним, что ЛС для движения по электрохимическому градиенту — отрицательная величина, а ЛС для транспорта ионов против градиента — положительная. АТ!казы Р-типа подвергаются фосфорилированию в процессе каталитического цикла О ! О=Р— О ! ОН Фосфат О ! О=Ч вЂ” О ! ОН Ваналат Транспортеры Р-типа широко распространены у эукарнот и бактерий.
Почти во всех тканях животных работают )Ча /К'-АТРазы (антипортер для Ха" и К") и Са'-АТРазы (унипортер для Сам) — АТРазы Р-типа, которые поддерживают различия в ионном составе между цитозолем н внеклеточной средой. Пристеночные клетки, выстилающие желудок млекопитакнцих, солержат АТРазу Р-типа, которая перекачивает через плазматнческую мембрану Н' и К', обеспечивая тем самым кислотность содержимого желудка. У со- К семейству активных транспортеров, называемых АТРазами Р-типа, относятся переносчики катионов, которые обратимо фосфорнлирутся с помощью АТР (название «Р-тиг㻠— от обозначения фосфата), что составляет часть транспортного цикла; фосфорилирование инициирует конформационный переход, который является ключевым в перемещении катиона через лгембрану.
В геноме человека закодированы по крайней мсрс 70 транспортных АТРаз Р-типа; они имеют сходные аминокислотные последовательности и структуру, особенно вблизи остатка Азр, который подвергается фосфорилированию. Все они представляют собой интегральные белки, состоящис из одной полипептидной цепи с восемью или лесятью трансмембранными участками (тнп П1 на рис. 11-8), и чувствительны к ингибированию аналогом фосфата ванадатом. судистых растений АТРазы Р-типа выкачивают протоны из клетки, устанавливая электрохимический градиент в 2 единицы рН и 250 мВ между сторонами плазматической мембраны. Похожая АТРаза Р-типа у хлебной плесени р. №иголрога выкачивает протоны из клетки лля установления отрицательного потенциала на внутренней стороне мембраны, который используется для поглощения субстратов и ионов из окружающей среды посредством вторичного активного транспорта. Бактерии используют АТРазы Р-типа для выведения токсичных ионов тяжелых метазлов, таких как СсР' и Сп'".
Наиболее изучена работа Са"-насоса Р-типа, который поддерживает низкую концентрацию Са' в цнтозоле практически всех клеток. Саынасос плазматической мембраны псремещает ионы кальция из клетки, а другой насос Р-типа в эндоплазматическом ретикулуме перемещает Сам в полость ЭР— в компартмент, отделенный от цитозоля. В миоцитах Саа обычно находится в специализированной форме эндогиазматического ретикулума, называемого саркоплазматичсским регикулумом; высвобождение этих ионов Саг служит сигналом мьппсчного сокращения. Кальциевые насосы саркоплазматического и эндоплаэматического ретикулумов (ЯЕКСА)— АТРазы Р-типа, очень близкис по структуре н механизму.
Насос 5ЕКСА саркоплазматичсского ретикулума, на который приходится 80% белка в этой мембране, состоит из одного полипептида (М„- 100000), который пронизывает мембрану десять раз (рис. 11-35). Три цитогиазматических домена, образованных длинными петлями, соединяют трансмембранные спирали: Х-домен, тле связываются нуклсотид АТР н Мйа', Р-домен, который содержит фосфорилированный остаток Аар, присущий всем АТРазам Р-типа; и А-дг>»ген (от англ.
ассиатог — пусковой механизм), который обеспечивает контакт !Ч- и Р-доменов с двумя Сам-связывающими сайтами. М-домсн содержит трансмембранные спирали и Са"-связывающие сайты, которые локализованы вблизи середины мембранного бислоя на расстоянии 40-50 А от фосфорилированного остатка Азр, так что фосфорилировапие — дефосфорилирование Аар нс впрямую влияет на связывание ионов кальция. Предположительный механизм работы насосов 5ЕКСА (рис. 11-36) включает большие конформационные перестройки и фосфорилиро- Люмен ~яя «Са~ Цнтоводь А-домен (««усконойл;".' Е1 М орнлиру- (Р-) домен !ук««оотнд- связывающий (Х-) домен А..
«мя:,-.«« Сайт (7) Сайт связывания АТР Р- н М-домены возв рищаются в конформапию Е1, .«тт««огф«««ю. .«ппдждн. ® А-домен восстанавливает конформапню. Трапсмембраппый (М-) домен Рнс. 11-35. Са"-насос саркоплазматического ретнкулумат 5ЕВСА (РВВ Ю 1ЕУЕ). Десять трансмембранных спиралей окружают канал. по которому Са" движется через мембрану. Две из этих спиралей прерываются вблизи середины бислоя а нх неспнральные области образуют связывающие сайты для двух ионов Са" (пурпурные). Карбоксилатные группы остатка Азр в одной спирали и остаток 6!и в другой главные в Са"-связывающих сайтах. Три глобулярных домена располагаются со стороны цитоплазмы: )1-домен (нуклеотид-связывающий; очерчен зеленым) имеет связывающий сайт для АТР; Р-домен (фосфорнлирующий) содержит остаток Ац)н«(в оранжевом кружочке), который подвергается обратимому фосфорилированию, а А-домен (от англ.
астиа(ог — пусковой механизм; голубой треугольник) опосредует структурные переходы, изменяющие сродство Сам-связывающего сайта к Са' и его направленность в цитоплазму или в полость ретикулума. Отметим, что между фосфорилирующим и Са'+-связывающими сайгаки большое рассюяние. Такая структура насоса 5ЕКСА является прототипом всех АТРаз Р-типа; в ней обнаружены некоторые основания (выделены красным цветом), консервативные для всех членов семейства АТРаз Р-типа.
ванне — лефосфорилирование ключевого остатка Азр в Р-домене, которые, как известно„происходят в течение каталитического цикла В каждом каталитическом цикле лва иона кальция проходят через мембрану, а АТР превра~плетен в А!)Р и Рь Роль связывания и гидролиза АТР— в осуществлении перегруппировки межлу двуьтя конформа- 11 3 Транспорт веществ через мембраны !561] циями транспортера (Е! и Е2).
В конформации Е1 два Са'-связывающих сайта находятся со стороны цитозодя в энлоплазматическом или саркоплазматическом ретикулуме и очень эффективно присоединяют ионы Саз'. Связывание АТР и фосфори- Фосфорильняя группа перекоо днт с Аким« Свз+ н на Р-домен. АТР Е1-Р связываются; )Ч-домен смещается..
Я« П«««««)д«пн«г«1«« н ««««к' и «««к« .«н « :. нзнг«й щ«яч к«к«й!«Шымп«««, ж же««««к - «к з««- « - Свз Ей-Р '-=~ ©чы Р. домы« ««к«о»«ка ««я о А-помон *',,: 4 смещается,': Маз вы б-:- ' / Рис. 11-36. Механизм действия насоса 5ЕВСА. В начале транспортного цикла белок существует в конформации Е), так что участки свюывания ионов кальция находятся на стороне цитозола Происходит связывание двух Са", а затем молекула АТР связывается с переносчиком и фосфорнлирует остаток Щм«, в результате чего образуется Е1-Р. Фосфорилирование способствует переходу в другую конформацию Е2-Р в которой участки связывания ионов кальция (теперь обладающие низким сродством к ионам Са") оказываются на другой стороне мембраны (направлены в сторону внеклеточного пространства), что позволяет ионам кальция высвободиться и уйти.
Наконец, Е2-Р подвергается дефосфорилированию, что приводит к возвращению белка в исходное состояние Е1 и к началу нового цикла переноса. ,.4"~ кЭРг, [ а1)Р Р [К [ = 14О ык[ Цнтозоль Транспортер связывает 3 [Чз' внутри клетки. Транспортер высзобожлзег 3 Хз+ наружу н Дефосфорнлнровзнне облегчает работу Ег. Транспортер высвобождает 2 К' внутрь. Снаруяси [562[ Часть [. 11. Биологические мембраны и транспорт лирование Азр вызывают смену конформации Е1 на Е2, в которой Саз'-связывающие сайты обращены уже на внутреннюю (люменальную) сторону мелгбраны, а их аффннность к Саз значительно снижается, и Са' высвобождается в просвет полости ретикулума. Ио этому механизму энергия гидролиза АТР за один цикл фосфорилирования— дефосфорилирования идет на перенос Сат через мембрану против высокого злектрохимичсского градиента. Вариации основного механизма мы находиь1 в работе [ч[а'/К'-АТРазы плазматической мембраны, открытой Йенсом Скоу в 1957 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
