Часть 3 (1129751), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Присоединение растворенных веществ с внеклеточной стороныпредпочтительнее, поскольку аргинин R144 образует связь с глютаминовой кислотой E126, что делаетE269 свободной для принятия H+. Более того, сайт связывания лактозы частично нарушается за счетперестройки спиралей. Поскольку переход между двумя протонированными состояниями (в центре)запрещен, H+ может транспортироваться только совместно с лактозой.
Таким образом, электрохимический градиент H+ служит движущей силой импорта лактозы. (Адаптировано из J. Abramson et al., Science301: 610–615, 2003. С любезного разрешения издательства AAAS.)H+ напрямую транспортируется наружу, либо в клетку переносится HCO3для ней H+ → H O + CO ).трализации H+ в цитозоле (в соответствии с реакцией HCO3+22Одним из антипортов, использующих первый механизм, является Na+/H+-обменник, который сопрягает поток в клетку Na+ с оттоком из нее H+.
Одновременнооба эти механизма используются в Na+-зависимом Cl/HCO3-обменнике,который+сопрягает ток Na и HCO3 в клетку с оттоком из нее Cl и H+ (т. е. NaHCO3 входит в клетку, а HCl выходит из нее). Na+-зависимый Cl/HCO3-обменниквдвое++эффективнее Na /H -обменника: на каждый входящий в клетку Na+ один H+он откачивает наружу, а второй нейтрализует. Если доступен HCO3, как обычнои бывает, этот антипорт является наиболее важным транспортером, регулирующимГлава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1133цитоплазматический pH. Внутриклеточный pH регулирует оба обменника; когдаpH в цитозоле падает, оба обменника усиливают свою активность.Na+-независимый Cl/HCO3-обменникдействует на цитоплазматический pHпротивоположным образом. Как и в случае Na+-зависимых переносчиков, Na+-независимый Cl/HCO3-обменникрегулируется pH, но его активность увеличивается, еслицитозоль становится более щелочным.
Движение HCO3 в данном случае обычнонаправлено во внеклеточное пространство, по электрохимическому градиенту, чтоприводит к уменьшению pH цитозоля. Na+-независимый Cl/HCO3‑обменникв мембране эритроцитов (так называемый белок полосы 3 — см. рис. 10.41) способствуетбыстрому высвобождению CO2 (в форме HCO3) при прохождении клеток черезкапилляры легких.Внутриклеточный pH регулируется не только этими сопряженными транспортерами: ATP-зависимые H+-насосы также используются для контролирования pH многих внутриклеточных компартментов. Как мы обсудим в главе 13,H+‑насосы поддерживают низкий pH лизосом, эндосом и секреторных пузырьков.Эти H+‑насосы используют энергию гидролиза ATP для накачки H+ из цитозоляв эти органеллы.11.2.3. Асимметричное распределение транспортеров в эпителиальных клетках лежит в основе трансцеллюлярного транспорта растворенных веществВ клетках эпителия транспортеры плазматической мембраны распределенынеоднородно и, таким образом, вносят вклад в трансцеллюлярный транспортпоглощенных веществ.
Это происходит, например, в клетках, всасывающих питательные вещества в кишечнике. За счет работы транспортеров в этих клеткахрастворенные вещества переносятся через слой эпителиальных клеток во внеклеточную жидкость, а оттуда в кровь. Как показано на рис. 11.11, связанные с Na+симпорты, расположенные на апикальном (всасывающем) домене плазматическоймембраны, активно транспортируют питательные вещества в клетку, создаваязначительные концентрационные градиенты этих веществ через плазматическуюмембрану.
Na+‑независимые транспортные белки в базальном и латеральном (базолатеральном) домене позволяют питательным веществам пассивно покидать клеткупо их концентрационным градиентам.Площадь плазматической мембраны многих эпителиальных клеток увеличивается за счет образования тысяч микроворсинок, которые представляют собой тонкие,похожие на пальцы выросты апикальной поверхности клетки. Такие микроворсинкипозволяют увеличить общую площадь всасывания в 25 раз, усиливая таким образомтранспортную способность мембраны.Как мы видели, ионные градиенты играют ключевую роль в обеспеченииэнергией многих транспортных процессов клетки. Дальше мы обсудим ионныенасосы, использующие для создания и поддержания этих градиентов энергиюгидролиза ATP.11.2.4. Существует три класса ATP-зависимых насосовATP-зависимые насосы часто называют транспортными ATPазами, посколькуони гидролизуют ATP до ADP и используют высвобождаемую энергию для перекачки ионов или других растворенных веществ через мембрану.
Существует три1134Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 11.11. Трансцеллюлярный транспорт. Трансцеллюлярный транспорт глюкозы через эпителиальнуюклетку зависит от неоднородного распределения транспортеров в плазматической мембране клетки.Показанный здесь процесс приводит к транспорту глюкозы из просвета кишечника во внеклеточнуюжидкость (откуда она переходит в кровь). Глюкоза закачивается в клетку через апикальный домен мембраны Na+-зависимым симпортом глюкозы. Глюкоза выходит из клетки (по градиенту концентрации)путем пассивного движения через другой транспортер глюкозы в базальном и латеральном мембранныхдоменах.
Градиент Na+, обеспечивающий энергией симпорт глюкозы, создается Na+-насосом, расположенным в базальном и латеральном доменах плазматической мембраны. Этот Na+-насос поддерживаетнизкую концентрацию Na+ внутри клетки. Соседние клетки связаны между собой плотными местамисоединения, которые играют в приведенном процессе транспорта двоякую роль. Во-первых, они не позволяют растворенным веществам проходить через эпителий между клетками, поддерживая градиентконцентрации глюкозы поперек слоя клеток. Во-вторых, они служат в качестве барьеров для диффузиив пределах плазматической мембраны, что помогает различным транспортерам оставаться в соответствующих мембранных доменах (см.
рис. 10.37).класса АТP-зависимых насосов (рис. 11.12), и представители каждого из них присутствуют во всех прокариотических и эукариотических клетках.1. Насосы P-типа представляют собой структурно и функционально родственные многопроходные белки. Они называются насосами P-типа, потому что во времятранспортного цикла они фосфорилируют себя. Этот класс включает в себя многиеГлава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1135ионные насосы, отвечающие за создание и поддержание градиентов Na+, K+, H+и Ca2+ через мембрану.2. Насосы F-типа представляют собой роторные белки, состоящие из нескольких различных субъединиц.
Они структурно отличаются от ATPаз P-типа и располагаются в плазматической мембране бактерий, внутренней мембране митохондрий и тилакоидной мембране хлоропластов. Их часто называют ATP-синтазами,поскольку в норме они работают в обратном направлении: вместо того чтобы использовать гидролиз ATP для транспорта H+, они используют градиент H+ черезмембрану для синтеза ATP из ADP и фосфата.
Градиент H+ создается либо в процессе транспорта электронов при окислительном фосфорилировании (в аэробныхбактериях и митохондриях), либо в процессе фотосинтеза (в хлоропластах), либоза счет работы светозависимого H+-насоса (бактериородопсина) в Halobacterium.Мы подробно обсудим эти белки в главе 14.Семейство ATPаз V-типа структурно родственно ATPазам F-типа. Эти белкив норме качают H+, а не синтезируют ATP. Они переносят H+ в такие органеллы,как лизосомы, синаптические пузырьки и растительные вакуоли для закислениявнутренней среды этих компартментов (см. рис. 13.36).3.
ABC-переносчики в основном транспортируют через клеточные мембранымалые молекулы. Этим они отличаются от ATPаз Р-, F- и V-типа, которые специализируются на ионах.До конца данного раздела мы будем рассматривать насосы P-типа и ABC-переносчики.11.2.5. Са2+-насос является наиболее изученной ATPазой P-типаЭукариотические клетки поддерживают очень низкую концентрацию свободного Ca2+ в цитозоле (~10-7 М), тогда как во внеклеточной среде концентрацияCa2+ значительно выше (~10-3 М). Даже небольшое количество входящего кальция значительно увеличивает концентрацию свободного Ca2+ в цитозоле, и потокCa2+ по градиенту концентрации в ответ на внеклеточные сигналы является однимиз способов быстрой передачи этих сигналов через плазматическую мембрану(см. главу 15).
Таким образом, для клетки важно поддерживать крутой градиентРис. 11.12. Три типа ATP-зависимых насосов. Здесь схематично показаны различия молекулярногоустройства насосов. Как и ферменты, насосы могут работать в обратном направлении: когда электрохимические градиенты растворенных веществ меняют направление, и отношение ATP/ADP мало, они могутсинтезировать ATP из ADP, как показано для ATPазы F-типа, которая в норме работает в этом режиме.1136Часть IV. Внутренняя организация клеткиCa2+ через плазматическую мембрану.
Транспортеры Ca2+, активно откачивающиеCa2+ из клетки, помогают поддерживать такой градиент. Одним из них являетсяСa2+-ATPаза P-типа; другим – антипорт (так называемый Na+/Ca2+-обменник),движущей силой работы которого служит электрохимический мембранный градиентNa+ (см. рис. 15.41).Наиболее изученная транспортная ATPаза P-типа — Ca2+-насос, или2+Ca -ATPаза, саркоплазматического ретикулума (СР) клеток скелетных мышц.СР — это специализированный вид эндоплазматического ретикулума, формирующийсеть полых мешочков в цитоплазме мышечных клеток и служащий для внутриклеточного хранения Ca2+.
Когда потенциал действия деполяризует плазматическуюмембрану мышечной клетки, Ca2+ высвобождается из СР в цитозоль через Ca2+‑каналы, что приводит к сокращению мышцы (cм. главу 16). Ca2+-насос, которыйсоставляет около 90 % мембранного белка СР, возвращает кальций из цитозоляобратно в СР. Эндоплазматический ретикулум немышечных клеток несет сходныйCa2+-насос, но в меньших количествах.Трехмерная структура Ca2+-насоса СР расшифрована при помощи рентгеноструктурного анализа.
Эта структура и анализ родственного H+-насоса грибов позволили получить первое представление о всех транспортных ATPазахP-типа, которые, как предполагают, обладают сходной структурой. Они содержат10 трансмембранных α-спиралей, три из которых образуют центральный канал,пересекающий липидный бислой. В нефосфорилированном состоянии две спиралинарушаются и формируют с цитоплазматической стороны мембраны щель, связывающую два иона Ca2+. Связывание ATP с сайтом связывания на той же сторонемембраны и последующий перенос терминальной фосфатной группы ATP на аспарагиновую кислоту прилегающего домена приводит к значительной перестройкетрансмембранных спиралей. Перестройка нарушает сайт связывания Ca2+, и ионывысвобождаются на противоположной стороне мембраны в люмен СР (рис. 11.13).Характеристическим свойством всех насосов P-типа является тот факт, что онифосфорилируют сами себя в процессе переноса ионов.11.2.6. Na+/K+-насос P-типа плазматической мембраны создает градиент Na+ через плазматическую мембрануОбычно, концентрация K+ внутри клетки в 10–30 раз больше, чем снаружи;обратное справедливо для Na+ (см.
таблицу 11.1, стр. 652). Na+/K+-насос, илиNa+-насос, присутствует в плазматической мембране практически всех клетокживотных и поддерживает эту разницу концентраций. Насос работает как ATPзависимый антипорт, активно откачивающий Na+ из клетки против электрохимического градиента и закачивающий K+ в клетку (рис. 11.14).
Поскольку насосгидролизует ATP для транспорта Na+ наружу и K+ внутрь, его также называютNa+/K+-ATPазой. Насос относится к семейству ATPаз P-типа и очень похожна Ca2+-насос (рис. 11.15).Ранее мы упомянули, что градиент Na+, создаваемый Na+/K+-насосом, служитдвижущей силой транспорта большинства питательных веществ в животные клетки,а также играет ключевую роль в регуляции цитоплазматического pH. Типичнаяживотная клетка тратит почти треть своей энергии на поддержание работы этогонасоса. Насос потребляет еще больше энергии в электрически активных нервныхклетках, которые, как мы увидим ниже, в процессе передачи нервных импульсовпоглощают небольшое количество Na+ и теряют немного K+.Глава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1137Рис. 11.13. Модель переноса Ca2+-насосом саркоплазматического ретикулума.
(а) Структуры нефосфорилированного, связанного с Ca2+ состояния (слева) и фосфорилированного, свободного от Ca2+состояния (справа), расшифрованные методом рентгеноструктурного анализа. (б) Модель показывает,как связывание и гидролиз ATP вызывают значительные конформационные изменения, приводящиек сближению нуклеотид-связывающего сайта и домена фосфорилирования. Предполагают, что эта перестройка приводит к повороту активаторного домена на 90°, что вызывает смещение трансмембранныхспиралей, нарушающее Ca2+-связывающую щель. В результате Ca2+ входит в люмен саркоплазматическогоретикулума. (Адаптировано из C. Toyoshima et al., Nature 405: 647–655, 2000.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
