Активный транспорт

Активный (т. е. энергозависимый) транспорт молекул через мембрану против градиента концентрации осуществляется при участии мембранных белков, использующих для процесса транслокации энергию гидролиза АТФ. В отличие от пассивного транспорта, который идет самопроизвольно, белки-переносчики должны не только транспортировать молекулу через мембрану, но и обладать АТФ-азным действием, т. е. катализировать гидролиз АТФ, который является основным источником энергии для активного транспорта. В зависимости от способа использования энергии для транспорта молекул выделяют первично- и вторично-активный транспорт.

При первично-активном транспорте донором энергии является непосредственно молекула АТФ и процесс переноса вещества через мембрану сопровождается ее гидролизом.

При вторично-активном транспорте градиент ионов (Na+ К+, Н+ и лр.), созданный на мембране функционированием систем первично-активного транспорта, используется для транспорта других молекул, например углеводов, некоторых аминокислот, анионов и др.

Известны три основных типа первично-активного транспорта ионов:

  • • натрий-калисвый насос — №++-аденозинтрифосфатаза (Ыа++-АТФ- аза), переносящий ионы натрия из клетки, а калия — в клетку;
  • • кальциевый насос — Са2+-АТФ-аза, который транспортирует Са2+ из клетки или цитозоля в саркоплазматический ретикулум;
  • • Н+-АТФ-аза — протонный насос, функционирующий в сопрягающих мембранах, в том числе в митохондриальной мембране, где Н+-АТФ-аза работает в обратном направлении, используя ДрН+, образующийся вдыхательной цепи для синтеза АТФ (гл. 15).

Для активного транспорта, как и для облегченной диффузии, характерны высокая специфичность, эффект насыщения транспортных белков транспортируемыми молекулами, когда кинетическая кривая выходит на плато, а также действие ингибиторов.

В качестве примера первично-активного транспорта можно привести транспорт, осуществляемый №++-АТФ-азой, как одной из наиболее важных и широко распространенных активных транспортных систем в плазматической мембране животных клеток. Эта система, получившая название Na+-K*-Hacoca, отвечает за поддержание в клетке высокой концентрации К+ и низкой Na+ путем переноса К+ внутрь клетки, a Na+ из клетки наружу против градиента их концентрации и поэтому требующей затраты АТФ. Оказывается, в животной клетке внутриклеточная концентрация ионов калия примерно в 30 раз выше, а ионов натрия в 10 раз ниже, чем в окружающей среде. Такая асимметрия ионного состава определяет содержание воды и ионный состав в клетке, электрическую возбудимость нервных и мышечных волокон, служит движущей силой для транспорта в клетку сахаров и аминокислот, является важным фактором в процессе биосинтеза белка.

Структура Na, К*-зависимой АТФ-азы

Рис. 22.8. Структура Na+, К*-зависимой АТФ-азы

++-АТФ-аза была открыта в 1957 г. Й. Скоу во фракции плазматических мембран нервов краба, впоследствии она была обнаружена во всех исследованных клетках животных, особенно велико се содержание в органах, осуществляющих интенсивный солевой обмен (почки) или выполняющих электрическую работу (мозг, нервы).

++-АТФ-аза представляет собой олигомерный белок, состоящий из субъединиц двух типов (а и Р), входящих в состав фермента в эквимолярных количествах. Большая а-субъединица (-112 kDa) формирует каталитически активный центр, осуществляющий гидролиз АТФ; меньшая р-субъединица (-45 kDa) гликозилирована, при этом углеводные цепи экспонированы на наружной стороне мембраны (рис. 22.7).

Активный фермент содержит как минимум 2а- и 2р-субъсдиницы, которые плотно интегрированы в мембрану и активируются ионами Mg2+. В настоящее время экспериментально доказано, что Ыа++-АТФ-аза является как энергопреобразующей частью «Na+/K+-насоса», так и сама осуществляет активный транспорт Na+ и К+, сопряженный с гидролизом АТФ, т. е. переносит катионы против градиента концентрации. Описаны два кон- формационных состояния АТФ-азного комплекса с различным энергетическим уровнем, которые принято обозначать ?, и ?^. Конформация ?, имеет канал, открытый внутрь клетки, и участки, специфично связывающие ионы

Na+ (дсфосфорилированная форма АТФ-азы). При переходе в конформацию Е2 происходит переориентация комплекса в мембране, канал открыт на наружную сторону мембраны и фермент специфично связывает ионы К+ (фосфорилированная форма АТФ-азы).

По общепринятому представлению, механизм действия АТФ-азы включает несколько стадий (рис. 22.9).

Механизм функционирования NaVK^-АТФ-азы

Рис. 22.9. Механизм функционирования NaVK^-АТФ-азы

  • 1. Молекула АТФ из цитоплазмы связывается с активным центром одной из а-субъсдиниц АТФ-азы (конформация ?,). Присоединение АТФ сопровождается связыванием трех ионов натрия, что активирует каталитическую активность фермента, происходит гидролиз АТФ, при этом фосфорилируется карбоксильная группа боковой цепи остатка аспарагиновой кислоты другой субъединицы.
  • 2. Фосфорилирование фермента приводит к переходу его в конформацию Е2 и переориентации в мембране таким образом, что связанные 3Na+ выводятся через канал, открытый на наружную сторону, поскольку АТФ-аза теряет сродство к этим ионам.
  • 3. Конформация Е2 ферментного белка имеет сайты, специфичные к ионам К+, и два иона К+ присоединяются к ионсвязывающим центрам фосфорилированного белка.
  • 4. Происходит (возможно, самопроизвольный) гидролиз фосфоэфир- ной связи и дефосфорилирование фермента, что вызывает его переход в исходную конформацию ?,, при которой ионный канал открыт внутрь клетки, через него два иона К+ выходят в цитоплазму.

На каждую затраченную молекулу АТФ фермент переносит три иона Na+ из клетки и два иона К+ в клетку, т. е. перенос катионов неэквивалентен. Таким образом, на мембране возникает разность концентраций и электрических потенциалов, и третий ион К+ поступает в клетку уже по механизму вторичноактивного транспорта.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >