И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Поддержание трансмембранного электрического потенциала обеспечивается также процессом активного переноса через мембрану протона (Н ). Выкачивание Н' осуществляют протонные помпы — интегральные белки мембран, проявляющие гидролитическую активность. Работа Н -помпы сопряжена с использованием энергии, которая поставляется главным образом за счет гидролиза АТФ. В этом случае выкачивание Н' и создание электрогенного потенциала Е„ связаны с функционированием Н -АТФаз (рис. 6.13). Обычно у растений на плаз- Цитовал ь рн-7,3 — 7,6 пм Н 55 Ввкуовь рн 45-60 АТФ Н Н+ Н Рис. 6.13. Образование электрогенного потенциала (Е„) на плазма- лемме (ПМ) и тоиоплвсте (ТП) с участием Н'- АТФазьг — 120 до — 160 м — лЕ цит.
— апо. +30 мВ лЕ вак. — цит. 321 П Фигхологин рагяноа храниться (1Кл) > 1Кв)), уравновесится градиентом электрического потенциала, названного диффузионным — Еоо Поскольку СГ также перемещается через мембрану, то стационарный градиент концентрации К (Л(К 1) и Е„будут ниже, чем в случае, когда диффузии аниона не происходит. Величина Е» может быть рассчитана из уравнения Гольдмана, где Р— коэффициент проницаемости: малемме поддерживается градиент (цитозоль — э апопласт) отрицательного электрического потенциала в пределах от — 120 до — 160 мВ (возможны вариации от -100 до — 300 мВ), и на внутренней (цитозольной) стороне мембраны потенциал более отрицательный, чем на внешней.
На тонопласте дЕ (вакуоль-+ цитозоль) в среднем составляет +30 мВ (меняется от 10 до 70 мВ), и внешняя сторона тонопласта, так же как у плазмалеммы, имеет более отрицательный заряд. Электрогенный потенциал (Е„) вместе с диффузным (Е„) обеспечивают создание на плазмалемме суммарного градиента электрического потенциала (ЬЕ). При этом вклад Ег в суммарную величину мембранного потенциала у растений составляет более половины, что гораздо больше, чем у животных, у которых основной вклад в ЛЕ плазмалеммы вносит диффузионный потенциал (90 — 95 %).
У всех биологических мембран потенциал регулируется внутри ограниченных пределов, что важно по ряду причин. Обычный цитозоль-отрицательный потенциал плазмалеммы обеспечивает движущую силу для пассивного (электрофоретического) транспорта ионов против их химического потенциала. Мембранный потенциал играет ключевую роль в некоторых системах клеточной сигнализации. Делоляризацая мембраяы (сдвиг — лЕ в сторону более положительных значений), вызванная некоторыми воздействиями, приводит, наприм мер, к активации Са -каналов, являющихся компонентами путей передачи информации (см. подразд. 3.4.3).
Кроме того, уровень потенциала на мембране должен поддерживаться в пределах, активирующих электрогенную помпу (Н -АТФазу), которая удаляя из цитозоля метаболически продуцируемый Н, стабилизирует рН цитозоля и обеспечивает движущую силу для активного поступления ионов. При активации Н -АТФазы мембрана может гиперааляризоваться, т.е. ее потенциал станет еще более отрицательным.
Некоторые ионные каналы активируются в этих условиях, выполняя определенные функции в тех или иных физиологических процессах (см. подразд. 3.5.3). Н'-помпы мембран растительной клетки. У растений наиболее весомый вклад в энергизацию мембран вносят три типа помп: Н -АТФаза плазмалеммы (ПМН'- АТФаза), выкачивающая Н' из клетки, и Н'-АТФаза (УН'-АТФаза) и пирофосфатаза (Н'-ПФаза) на тонопласте, которые вытесняют Н" из цитозоля в вакуоль (рис.
6.14). Н'-помпы могут быть идентифицированы по их гидролитической активности, связанной с использованием АТФ или пирофосфата (ФФ„). Белок Н'-помп составляет 1 — 5% от очищенного белка мембран, что выше, чем для каких- либо других транспортных белков. Возможно, их обилие в мембранах компенсирует низкую скорость транспорта протонов, которая составляет около 100 ионов в секунду или менее (котранспортеры переносят 300 — 1000 ионов/с„а через каналы могут переносится 10~ — 1О' ионов/с).
Н'-АТФаза аяазмалеммы. Этот комплекс представлен единственным полипептидом с молекулярной массой 100 кд и относится к Р-типу АТФаз, образующих в ходе реакции промежуточный фосфорилированный продукт (аспартил фосфат). Субстратом для ПМН'-АТФазы служит МОАТФ и константа Михаэлиса К„, варьирует у растений от 0,3 до 14 мМ; оптимум рН около 6,6. Мономер образует 10 интегрированных в мембране доменов, а с цитозольной стороны между 4-м и 5-м доменами — гидролитическую петлю, на которой находится АТФ-связывающий участок (рис. 6.14).
Стехиометрия удаления Н' и гидролиза АТФ (Н /АТФ) равна единице. 322 Ы-конец -конец ВАКУОЛЪ Н Рис. 6.14. Предполагаемые структурные модели Н'-помп растительной клетки (модификация по: Бте ег а)., 1999; Могюпнпс, Вопггу, 2000; Вцга)стая, 2000; Маек)йпа, 2001): 1 — Н -АТФаза плазмалеммы (ПМН'-АТФаза): 1 — 10 — участки полипептидной цепи, пересекающие ПМ; Г) — каталитический участок, содержащий аспартатный остаток, связывающий Ма-АТФ; АН) — автоингибиторный домен С-конца, который вследствие фосфорилирования ((Р)) протеинкиназои и присоединения 14-3-3-белка переводит ПМН'-А"ГФазу нз неактивной (НАк) в активную (Ак) форму; П вЂ” вакуолярная Н'-АТФаэа (ЧН'-АТФаза): Ч, — цитозолъная, Ча — мембрагшая части комплекса; А — Π— субъединицы Чй а — б — субъединицы Чь Детали пространственного расположения субъединиц С, Е, Г, О, Н и д у ЧН'-АТФазы не выяснены (по Маезйнпа, 2001); Пà — вакуолярная пирофосфатаза (Н'-ПФаза): 1 — 14 — участки полипептилной цепи Н'-ПФазы, пересекающие мембрану (домены 3, 4 и 8 — 13 не представлены); ГП— гилрофильная нитозоллнаа петля между 5-м и б-и трансмембранными доменами с консерватив- ным сегментом (СБ1) и местами связывания субстрата (Мв-ФФ„), К' и Мйн Механизм протонного транспорта с участием зтой помпы еще окончательно не выяснен.
Каталитический цикл, обеспечивающий выкачивание Н, предполагает следующую ступенчатую последовательность: связывание Н и на участке  — Мя-АТФ, затем образование высокоэнергетического продукта (аспартил фосфата) и высвобождение АДФ; как следствие этих реакций происходят конформационные изменения фермента, которые приводят к высвобождению Н с наружной стороны плазмалеммы; возвращение фермента пос- 323 ле высвобождения Ф„в исходное состояние. Работу этой помпы ингибирует ванадат.
Предполагают, что он имитирует Ф„, и связывание ванадата в активном центре блокирует переход фермента в исходное активное состояние. На постгрансляционном уровне ПМН'-АТФаза регулируется с участием прогеинкиназы/протеинфосфатазы и!4-3-3-белка (рис. 6.14, 1). В сосп>янин низкой активности реакционный центр фермента блокирован автоингибиторным + доменом, расположенным на С-конце полипептнда.
Активация Н -АТФазы осуществляется при последовательных реакциях фосфорилирования и присоединения 14-3-3-белка на автоингибиторном участке. В результате происходят конформационные перестройки, вызывающие перемещение С-конца, и реакционный центр становится доступным для присоединения Мя-АТФ и протона. Давно известен эффект активации ПМН'-АТФазы фузикокцином (токсическое соединение, продуцируемое грибом Ьипсоссив овир~ай). Оказалось, что и в этом случае полная активация Н -АТФазы достигается, если к С-автоингибиторному ломену присоединяются не только фузикокцин, но и 14-3-3-белок. Н -АТФазы плазмалеммы растительных клеток кодируются мультигенным семейством: идентифицировано 10 генов у арабидопсиса (АгаЬя!орз!з), 9 у табака (Исойппа), 7 генов у томата (Ьусоретсоп) и 5 у бобов ( Ита )дЬа).
В ряде случаев разные гены кодируют отдельные изоформы, и высокий уровень их экспрессии коррелирует с накоплением Н -АТФаз в специфических типах клеток, например клеток корневого волоска (аЬа2)„или флоэмы (аЬаЗ), где Н-помпы участвуют в выполнении специфических физиологических функций (поглощение ионов, транспорт сахаров). Другие Н -АТФазные гены экспрессируются в клетках многих тканей. Например, ген рта4 табака экспрессируется в клетках эпидермиса корня, в сопровождающих клетках флоэмы и замыкающих клетках устьиц.
При действии факторов среды (солевой стресс, низкий Ч'н,о, темнота) уровень экспрессии генов ПМН'-АТФаз также может меняться. Ваауоллрная Н -АТФаза (ЧН -АТФаза) присутствует не только в тонопласте, но и в мембранах эндоплазматического ретикулума (ЭР), аппарата Гольджи, везикулах. ЧН -АТФаза отличается от Н'-помпы плазмалеммы по всем основным параметрам, характеризующим свойства и структуру. Прежде всего, это не мономерная полипептидная цепь, а самый большой многосубъединичный белковый комплекс тонопласта с молекулярной массой, по разным источникам, от 650 до 750 кДа.
Величина К„, для Мя-АТФ у ЧН"-АТФазы составляет от 0,1 до 0,2 мМ, т.е. ниже, чем у ПМН"-АТФазы, а соотношение Н /АТФ, наоборот, выше (от 2 до 3), что свидетельствует о различии их кинетических параметров. Специфические ингибиторы ЧН'-АТФазы — бафиломицин А, конканамицин С и нитрат. При связывании АТФ и выкачивании протона в вакуоль не образуется промежуточного фосфорилированно~ о интермедиата и, таким образом, ЧН'-АТФаза не относится к АТФазам Р-типа.
По своей четвертичной структуре ЧН -АТФаза сходна с АТФ-синтазой Г-типа митохондрий и хлоропластов (см. гл. 2) и представлена лвумя функциональными частями: цитозольной (Ч,) и мембранной (Чв) (рис. 6.15, П). Ансамбль Ч„ где происходит гидролиз АТФ, состоит из 5 — 8 типов субъединиц, а интегральная часть (Ча) представлена 3 — 5 типами субъединиц и функционирует, как Н -канал.
У разных вилов растений выявлено разное количество типов субъединиц и некоторые субъединицы Ч; и Чв-частей присутствуют в нескольких копиях. 324 Гь-комплекс включает по три повторности субъединиц А и В, которые соответствуют и- и !1-субъединицам Г-АТФаз и осуществляют каталитическое (А) и некаталитическое (В) связывание АТФ (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
