Часть 3 (1129751), страница 59
Текст из файла (страница 59)
С любезного разрешенияиздательства Macmillan Publishers Ltd.)Как и любой фермент, Na+/K+-насос может работать в обратном направлении, в данном случае для синтеза АТP. Когда градиенты Na+ и K+ искусственноповышали до уровня, когда запасенная в них энергия становилась больше, чемхимическая энергия гидролиза АТP, эти ионы начинали мигрировать по своемуэлектрохимическому градиенту, и Na+/K+-насос начинал синтезировать ATP из ADP1138Часть IV.
Внутренняя организация клеткиРис. 11.14. Na+/K+-насос. Этот транспортер активно откачивает Na+ из клетки и закачивает в клетку K+против их электрохимических градиентов. На каждую гидролизованную внутри клетки молекулу ATPиз клетки выкачиваются три иона Na+ и закачиваются два иона K+. Специфический ингибитор уабаини K+ конкурируют за один сайт связывания на внеклеточной стороне насоса.и фосфата. Таким образом, фосфорилированная форма насоса (шаг 2 на рисунке11.15) может релаксировать либо путем переноса своего фосфата на ADP (шаг 2–шаг1), либо путем изменения своей конформации (шаг 2–шаг 3).
Как будет использовано суммарное изменение свободной энергии (для синтеза ATP или для откачкиNa+ из клетки), зависит от относительных концентраций ATP, ADP и фосфатаи электрохимических градиентов Na+ и K+.Поскольку Na+/K+-насос на два закачанных внутрь клетки положительно заряженных иона откачивает наружу три, он является электрогенным. Он создаетсуммарный электрический ток через мембрану и, следовательно, электрическийпотенциал. При этом клетка внутри заряжена отрицательно относительно внешнейсреды. Однако такое электрогенное действие насоса редко вносит более чем 10 %-йвклад в мембранный потенциал.
Остальные 90 %, как мы обсудим ниже, зависятот Na+/K+-насоса только косвенно.С другой стороны, Na+/K+-насос напрямую участвует в регуляции концентраций растворенных веществ внутри клетки и, следовательно, играет роль в контролировании осмолярности (или тоничности) цитозоля. Все клетки в плазматическоймембране содержат специализированные канальные белки, называемые аквапоринами (подробно описанными на стр.
673(1158)) и служащими для ускоренияпотока воды через мембрану. Таким образом, вода движется в клетку или из неепо градиенту концентрации; этот процесс называется осмосом. Как объясняетсяв приложении 11.1, клетка содержит высокие концентрации растворенных веществ,включая многочисленные отрицательно заряженные органические молекулы (такназываемые фиксированные анионы) и сопутствующие им катионы, необходимыедля уравновешивания зарядов. За счет этого создается большой осмотический гради-Глава 11. Мембранный транспорт малых молекул 1139Рис. 11.15. Модель рабочего цикла Na+/K+-насоса. (1) Связывание внутриклеточного Na+ и последующеефосфорилирование за счет ATP на цитоплазматической стороне насоса вызывает конформационнуюперестройку насоса, благодаря которой (2) Na+ переносится через мембрану и высвобождается снаружиклетки. (3) Затем связывание K+ на внеклеточной поверхности и последующее дефосфорилированиенасоса возвращает белок в его исходную конформацию, что (4) приводит к переносу K+ через мембрануи его высвобождению в цитозоль.
Конформационные перестройки аналогичны переходам A ↔ B, показанным на рис. 11.5, за исключением того, что здесь Na+-зависимое фосфорилирование и K+-зависимоедефосфорилирование белка вызывают упорядоченные изменения конформации, позволяющие белкусовершать полезную работу. Для простоты на рисунке показаны сайты связывания одного иона Na+и одного иона K+, однако реальный насос несет три сайта связывания Na+ и два – K+.ент, стремящийся «притянуть» в клетку воду.
Животные клетки противодействуютэтому явлению путем создания противоположного осмотического градиента за счетвысокой концентрации неорганических ионов, в основном Na+ и Cl, во внеклеточ-1140Приложение 11.1. Внутриклеточный водяной баланс: проблема и ее решениеГлава 11: Мембранный транспорт малых молекул 1141ной жидкости.
Na+/K+-насос помогает поддерживать осмотическое равновесие,откачивая Na+, просочившийся в клетку по электрохимическому градиенту. Clне проходит в клетку благодаря мембранному потенциалу.В случае красных кровяных клеток человека, у которых отсутствует ядрои другие органеллы, а плазматическая мембрана обладает высокой проницаемостьюдля воды, осмотическое движение воды может значительно влиять на объем клеток,и Na+/K+-насос играет важную роль в поддержании допустимого объема эритроцитов. Если эти клетки поместить в гипотонический раствор (т. е. раствор с низкойконцентрацией растворенных веществ и, следовательно, высокой концентрациейводы), вода начинает идти в клетки, в результате чего они набухают и разрываются (происходит лизис); и, наоборот, если клетки поместить в гипертоническийраствор, они сжимаются (рис. 11.16).
Роль Na+/K+-насоса в регуляции объемаэритроцитов установлена после обработки клеток ингибитором Na+/K+-насосауабаином, которая приводила к набуханию и разрыву клеток. Однако в большинстве животных клеток осмос и Na+/K+-насос играют небольшую роль в регуляцииклеточного объема, поскольку большая часть цитоплазмы находится в гелеподобномсостоянии и сопротивляется значительным изменениям ее объема в ответ на изменения осмолярности.Клетки других животных справляются с осмотическими проблемами разнымиспособами.
Клетки растений и многих бактерий не могут разорваться благодаряокружающей их плазматическую мембрану полужесткой клеточной стенке. У амебосмотически проникающая в клетки избыточная вода заключается в сократительныевакуоли, которые периодически опорожняются во внешнюю среду (смотри приложение 11.1). Бактерии также обладают механизмами быстрого выведения ионов и в некоторых случаях даже макромолекул под воздействием осмотического шока.11.2.7. ABC-переносчики составляют самое большое семействомембранных транспортных белковПоследним типом белков-переносчиков является семейство ABC-транспортеров,названных таким образом потому, что каждый белок несет два высококонсервативных ATPазных домена или ATP-связывающих «кассеты» (ATP-Binding “Cassette”)(рис. 11.17). Связывание ATP приводит к димеризации двух ATP-связывающихдоменов, а гидролиз ATP — к их диссоциации.
Предполагается, что эти структурныеРис. 11.16. Ответ красных клеток крови человека на изменение осмолярности внеклеточной жидкости.Клетки набухают или сжимаются при движении воды в клетку или из нее по градиенту концентрации.1142Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 11.17. Типичные ABC-транспортеры прокариот (а) и эукариот (б).
Транспортеры состоят из нескольких доменов: обычно, из двух гидрофобных доменов, каждый из которых состоит из шести трансмембранных сегментов, формирующих путь переноса и определяющих субстратную специфичность,и двух ATPазных доменов (также называемых ATP-связывающими кассетами), выступающих в цитозоль.В некоторых случаях обе половины транспортера образованы одним полипептидом, тогда как в другихслучаях они состоят из двух и более полипептидов, упакованных в сходную структуру (см. рис. 10.24).В отсутствии связанного ATP сайт связывания транспортера располагается либо с внеклеточной стороны(у прокариот), либо с внутриклеточной стороны (у эукариот или прокариот).
Связывание АТP вызываетконформационные перестройки, в результате которых субстрат-связывающий «карман» переходитна другую сторону; гидролиз ATP и последующая диссоциация ADP возвращают транспортер в его исходную конформацию. Большинство ABC-переносчиков работает в обоих направлениях. В бактерияхобнаружены как импортирующие, так и экспортирующие ABC-транспортеры, но у эукариот почти всеABC-переносчики экспортируют вещества из цитозоля либо во внеклеточное пространство, либо в замкнутые мембранные компартменты, например ЭР или митохондрии.изменения цитоплазматических доменов передаются на трансмембранные сегменты.
В результате происходят дальнейшие конформационные перестройки, за счеткоторых сайты связывания субстрата становятся доступными сначала на однойстороне мембраны, а затем на другой. Таким образом, ABC-переносчики используютсвязывание и гидролиз ATP для транспорта малых молекул через бислой.ABC-транспортеры составляют самое большое семейство мембранных транспортных белков. Они имеют огромное медицинское значение. Первым был охарактеризован бактериальный белок этого семейства.
Мы уже упоминали, чтоплазматическая мембрана всех бактерий содержит транспортеры, использующиеградиент H+ через мембрану для переноса различных питательных веществ в клетку.Глава 11: Мембранный транспорт малых молекул 1143Бактерии также обладают транспортными ATPазами, которые импортируют определенные малые молекулы за счет гидролиза ATP. В таких бактериях, как E. coli,обладающих двойными мембранами (рис. 11.18), транспортные ATPазы расположены во внутренней мембране, и для захвата питательных веществ и их доставкик транспортерам они используют вспомогательные механизмы (рис. 11.19).В E. coli 78 генов (5 % всех генов бактерии!) кодируют ABC-транспортеры.У животных это число еще больше.
Несмотря на то что, как предполагается, каждыйтранспортер специфичен к определенной молекуле или классу молекул, разнообразие субстратов, транспортируемых этим суперсемейством, очень велико и включаетв себя неорганические ионы, аминокислоты, моно- и полисахариды, пептиды и дажебелки. Если бактериальные ABC-транспортеры используются как для импорта, таки для экспорта, у эукариот они, по-видимому, специализируются на экспорте.В самом деле, первые идентифицированные эукариотические ABC-транспортерыобнаружили благодаря их способности откачивать гидрофобные лекарства из цитоплазмы. Одним из таких транспортеров является белок множественной лекарственной устойчивости (MDR).
Сверхэкспрессия этого белка в раковых клеткахчеловека может привести к тому, что клетки станут устойчивыми одновременно комножеству неродственных цитотоксичных лекарств, широко применяемых в химиотерапии рака. Лечение любым из этих препаратов может привести к селективномувыживанию и разрастанию раковых клеток, которые экспрессируют больше транспортера MDR. Эти клетки очень эффективно откачивают лекарства из клетки и,следовательно, относительно устойчивы к токсическим эффектам противораковыхпрепаратов. Таким образом, отбор раковых клеток, обладающих устойчивостьюРис. 11.18. Участок двойной мембраны бактерии E. coli.
Внутренняя мембрана — это плазматическаямембрана клетки. Между внутренней и внешней липидными мембранами располагается пористыйжесткий пептидогликановый слой, состоящий из белков и полисахаридов, — бактериальная клеточнаястенка. Он соединен с липопротеиновыми молекулами во внешней мембране и заполняет периплазматическое пространство (показана только небольшая часть пептидогликанового слоя). Это пространствотакже содержит множество молекул растворимых белков. Пунктирными линиями (показаны зеленым)наверху рисунка обозначены полисахаридные цепи особых липополисахаридных молекул, формирующих наружный монослой внешней мембраны; для наглядности показано только несколько таких цепей.Бактерии с двойными мембранами называются грамотрицательными, поскольку они обесцвечиваютсяпосле промывки при окрашивании по Граму темно-синим красителем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
