Часть 3 (1129751), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Переход между двумя конформациямиможет происходить случайно. Он обратим и не зависит от того, занят ли сайт связывания. Таким образом, если концентрация растворенного вещества выше с внешней стороны бислоя, с транспортеромв состоянии А связывается больше молекул, чем в состоянии B, и, следовательно, суммарный транспортбудет происходить по градиенту концентрации (или, если растворенное вещество представляет собойион, по электрохимическому градиенту).переносчик может переходить из одного конформационного состояния в другое.Более того, каждый транспортер обладает характерным сродством к переносимомувеществу, которое описывается константой реакции Km, равной концентрации вещества при которой скорость транспорта равна половине максимального значения(рис. 11.6).
Как и у всех ферментов, связывание растворенного вещества можетбыть специфически заблокировано либо конкурентными ингибиторами (которыеборются за тот же сайт связывания и могут быть транспортированы), либо неконкурентными (аллостерическими) ингибиторами (которые связываются с другимиучастками переносчика и специфически изменяют его структуру).Рис. 11.6. Кинетика простой диффузии и опосредованной транспортером диффузии.
Скоростьпростой диффузии всегда пропорциональна концентрации растворенного вещества, а скоростьопосредованной переносчиком диффузии (облегченной диффузии) достигает максимума Vmaxпри насыщении транспортера. Концентрациярастворенного вещества, при которой скоростьтранспорта равна половине максимального значения, описывает константу связывания транспортера с веществом, аналогичную Km ферментаи субстрата. График справедлив для переносчика,транспортирующего единственное вещество; кинетика сопряженного транспорта двух и болеевеществ имеет более сложный характер.Глава 11.
Мембранный транспорт малых молекул 1129Ниже мы обсудим, что необходима незначительная модификация представленной на рис. 11.5 модели, чтобы связать транспортер с источником энергии и заставитьего перекачивать растворенное вещество против электрохимического градиента.Существует три основных пути активного транспорта в клетке (рис. 11.7):1. Сопряженные переносчики объединяют транспорт одного растворенноговещества против градиента с транспортом другого по градиенту.2. ATP-зависимые насосы, используют энергию гидролиза ATP для переносамолекул против градиента.3.
Светозависимые насосы, которые встречаются в основном у бактерийи архей, сопрягают транспорт против градиента с энергией света, как бактериородопсин (см. главу 10).Сравнение аминокислотных последовательностей во многих случаях показалозначительное сходство молекулярного устройства транспортеров, опосредующих активный транспорт, и пассивных переносчиков. Например, некоторые бактериальныепереносчики, использующие для активного поглощения сахаров энергию, запасеннуюв градиенте H+ через плазматическую мембрану, структурно похожи на переносчики,опосредующие пассивный транспорт глюкозы в большинстве животных клеток. Этоуказывает на эволюционное родство между различными транспортерами.
Учитываязначение малых метаболитов и сахаров для обеспечения клетки энергией, неудивительно, что суперсемейство транспортеров является древним.Мы начнем наше обсуждение активного транспорта с рассмотрения переносчиков, движущей силой работы которых являются ионные градиенты. Эти белкииграют ключевую роль в транспорте малых метаболитов через мембраны всех клеток.Затем мы обсудим насосы, сопряженные с гидролизом АТP, включая Na+-насос,присутствующий в плазматических мембранах почти всех клеток.11.2.1. Движущей силой активного транспорта могут служитьградиенты ионовНекоторые транспортеры просто способствуют движению единственного растворенного вещества с одной стороны мембраны на другую со скоростью, определяемой их Vmax и Km; такие переносчики называются унипортами.
Другие функционируют как сопряженные транспортеры, в которых перенос одного веществаРис. 11.7. Три способа обеспечения активного транспорта энергией. Активно транспортируемые молекулы показаны желтым, а источник энергии — красным.1130Часть IV. Внутренняя организация клеткистрого зависит от переноса другого. Сопряженный транспорт представляет собойлибо одновременный перенос второго вещества в том же направлении, осуществляемый симпортами (также называемыми котранспортерами), или перенос второговещества в противоположном направлении, осуществляемый антипортами (такженазываемыми обменниками) (рис. 11.8).Сопряжение переноса двух растворенных веществ позволяет сопряженнымпереносчикам использовать энергию электрохимического градиента одного из веществ, обычно иона, для переноса второго вещества.
Таким образом, свободнаяэнергия, высвобождаемая при движении неорганического иона по его электрохимическому градиенту, служит движущей силой для перекачки веществ против ихэлектрохимического градиента. Принцип работает в обоих направлениях; некоторыесопряженные транспортеры работают как симпорты, другие — как антипорты.В плазматической мембране животных клеток Na+ обычно служит котранспортнымионом, электрохимический градиент которого создает значительную движущуюсилу для активного транспорта второй молекулы.
Вошедший в клетку в процессеактивного транспорта Na+ затем откачивается наружу ATP-зависимым Na+-насосомплазматической мембраны (мы обсудим его ниже), который косвенно способствуеттранспорту, поддерживая градиент Na+. (По этой причине считается, что ионзависимые переносчики осуществляют вторичный активный транспорт, тогда какATP-зависимые переносчики осуществляют первичный активный транспорт.)Эпителиальные клетки кишечника и почек, например, содержат разнообразныесимпорты, работа которых поддерживается мембранным градиентом Na+.
КаждыйNa+-зависимый симпорт специфичен по отношению к переносу в клетку определенной маленькой группы родственных сахаров или аминокислот. Растворенноевещество и Na+ связываются с различными сайтами на транспортере. ПосколькуNa+ стремится проникнуть в клетку по электрохимическому градиенту, сахар илиаминокислота до некоторой степени «затаскиваются» вместе с ним. Чем большеэлектрохимический градиент Na+, тем больше скорость входа второго вещества,и, наоборот, если концентрация Na+ во внеклеточной жидкости падает, транспортрастворенного вещества снижается (рис. 11.9).В бактериях и дрожжах, как и во многих окруженных мембраной органеллахживотных клеток, большинство систем активного транспорта, зависящих от ионногоРис. 11.8.
Три типа сопряженного транспорта. На данной схеме показаны транспортеры, работающиекак унипорт, симпорт и антипорт.Глава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1131Рис. 11.9. Один из способов активного транспорта глюкозы за счет градиента Na+. Как и в модели,показанной на рисунке 11.5, транспортер колеблется между двумя альтернативными состояниями,А и B. В состоянии A белок открывается во внеклеточное пространство; в состоянии B он открываетсяв цитозоль.
Связывание Na+ и глюкозы кооперативно, т. е. связывание любого из лигандов вызываетконформационные перестройки белка, увеличивающие его сродство ко второму лиганду. Посколькуконцентрация Na+ во внеклеточном пространстве значительно больше, чем в цитозоле, глюкоза с большейвероятностью будет связываться с транспортером в состоянии A. Таким образом, Na+ и глюкоза входятв клетку (посредством перехода A → B) значительно чаще, чем выходят из нее (посредством переходаB → A). В результате суммарный транспорт Na+ и глюкозы будет направлен в клетку.
Обратите внимание,что связывание кооперативно, и если одно из веществ отсутствует, другое не сможет связаться с транспортером. Таким образом, переносчик претерпевает конформационное переключение между двумясостояниями только тогда, когда с ним либо связаны оба вещества, либо ни одного.градиента, использует градиент H+, а не Na+. Это отражается в преобладании в ихмембранах H+-насосов и практически полном отсутствии Na+-насосов. Электрохимический градиент H+ служит движущей силой активного транспорта многих сахарови аминокислот через плазматическую мембрану и внутрь бактериальной клетки.Одним из наиболее изученных H+-зависимых симпортов является лактозопермеаза,которая переносит лактозу через плазматическую мембрану E. coli. Структурныеи биофизические исследования пермеазы, наравне с глубоким анализом мутантныхформ белка, привели к созданию подробной модели работы этого симпорта.
Во времяего транспортного цикла некоторые спирали совершают скользящие движения, заставляющие их наклоняться. Эти движения приводят к открыванию и закрываниющели между спиралями, в которой расположены сайты связывания лактозы и H+,сначала на одной стороне мембраны, а затем — на другой (рис. 11.10).11.2.2. Транспортеры плазматической мембраны регулируют pHцитоплазмыБольшинство белков требуют для своей оптимальной работы определенногоpH. Лизосомальные ферменты, например, наиболее эффективны при низком pH(~ 5) лизосом, тогда как цитоплазматические ферменты лучше всего функционируютпри нейтральном pH (~ 7,2) цитозоля. Таким образом, регуляция клеткой pH еевнутренних компартментов необходима для ее нормальной жизнедеятельности.Большинство клеток несут в своей плазматической мембране один или несколькотипов Na+-зависимых антипортов, которые помогают поддерживать pH цитоплазмы,равным 7,2.
Эти транспортеры используют запасенную в градиенте Na+ энергиюдля откачки избыточных H+, которые либо просачиваются внутрь клетки, либосинтезируются в реакциях образования кислот. Существует два механизма: либо1132Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 11.10. Молекулярный механизм бактериальной лактозопермеазы, основанный на ее структуре.(а) 12 трансмембранных спиралей пермеазы объединяются в два блока, обозначенные разными оттенками зеленого. Для наглядности петли, соединяющие спирали по обеим сторонам мембраны, не показаны.В процессе транспорта спирали скользят и наклоняются в мембране, открывая сайты связывания дисахарида лактозы (желтая) и H+ на одну из сторон мембраны. (б) В одном конформационном состояниисайты связывания H+ и лактозы доступны из внеклеточного пространства (верхний ряд), в другом ониобращены в цитозоль (нижний ряд).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
