Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

дополнительный поверхностный потенциал, который может весьма существенным образом изменять концентрацию любого заряженного соединения в непосредственной близости от мембраны. Это в свою очередь может сказаться на каталитических свойствах мембраносвя-занных ферментов.

Г лава 8

ПОРЫ, КАНАЛЫ И ПЕРЕНОСЧИКИ

8.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Из данных, представленных в гл. 7, ясно, что фосфолипидный бислой является очень эффективным барьером для множества небольших растворимых молекул. Тем не менее через плазматическую мембрану, а также через мембраны, ограничивающие различные органеллы (например, митохондрии), постоянно транспортируются полярные вещества и ионы. Этот транспорт целиком опосредован белками, и для объяснения механизма переноса растворимых веществ через мембрану было предложено много моделей. В этой главе мы поставили перед собой задачу суммировать все данные, относящиеся к механизму проникновения вещества через биомембрану. В следующей главе рассматривается вопрос о передаче информации через мембрану; в ней также затрагиваются проблемы клеточной коммуникации, поверхностных рецепторов и преобразования сигналов. Материал этих двух глав взаимосвязан. Например, ответ на определенные сигналы (скажем, связывание молекулы с поверхностным рецептором клетки) быстро изменяет проницаемость мембраны к специфическим ионам, в результате чего изменяется трансмембранный потенциал и/или внутриклеточная концентрация ионов. Однако прежде чем обсуждать эти и другие возможные механизмы передачи сигналов, необходимо выяснить механизмы регуляции высвобождения и накопления молекул в различных компартментах.

Здесь будет полезно ввести несколько терминов, использующихся для характеристики белков или структур, участвующих в трансмембранном транспорте. В табл.8.1 дается классификация транспортных белков. Прежде всего их подразделяют на каналы (или поры) и переносчики. Поры и каналы часто изображают в виде туннелей через мембрану, в которых места связывания транспортируемых растворимых веществ доступны с обеих сторон мембраны одновременно. Канальные белки не претерпевают никаких конформационных изменений в процессе переноса растворимых веществ с одной стороны мембраны на другую. Напротив, конформация переносчиков в процессе транспорта различных веществ изменяется.

Поры, каналы н переносчики 333

Таблица 8.1. Классификация некоторых транспортных белков, основанная на механизме их действия и энергетике

1. Каналы

A. Потенциалзависимые каналы (пример: Na * -канал)

Б. Химически регулируемые каналы (пример: никотиновый ацетилхолиновый рецептор)

B. Другие каналы (нерегулируемые, чувствительные к давлению и др.)

11. Переносчики

А. Пассивные унипортеры (пример: переносчик глюкозы из

эритроцитарной мембраны) Б. Активные переносчики

1. Первичные активные переносчики

а. Сопряженные с окислительно-восстановительными реакциями (пример: цитохром с-оксидаза)

б. Сопряженные с поглощением света (пример: бактернородопсин)

в. АТРазы (пример: Na VK +-АТРаза)

2. Вторичные активные переносчики

а. Симпортеры (пример: лактозопермеаза)

б. Антипортеры (пример: белок полосы 3)

Переносимое вещество связывается с одной стороны мембраны, и для высвобождения его с другой стороны в переносчике должно произойти определенное конформационное изменение. При этом в любой момент времени место связывания вещества доступно только с одной стороны мембраны.

Каналы и поры также претерпевают конформационные изменения, однако последние регулируют лишь их открывание и закрывание и не касаются самого процесса переноса. Две основные группы каналов, приведенные в табл. 8.1, разделяются на каналы, работа которых регулируется изменением напряжения электрического поля или химическим путем. Каналы первого типа открываются или закрываются в ответ на изменение трансмембранного потенциала; наиболее изученными из них являются каналы электровозбудимых клеток, например нервных или мышечных [1425]. Каналы второго типа отвечают на действие специфических химических агентов; наиболее детально изученные из них — каналы, связывающие нейро-медиаторы, например ацетилхолин. Так, никотиновый ацетилхолиновый рецептор при связывании с ним нейромедиатора переходит в открытую конформацию и пропускает одновалентные катионы.

Термины пора и канал обычно взаимозаменяемы, однако под порой чаще понимают некие неселективные структуры, которые различают вещества главным образом по размеру и пропускают все

334 Глава 8

достаточно малые молекулы. Под каналами чаще всего понимают ионные каналы, которые, как теперь известно, широко распространены во многих типах клеток, отличных от нервных и мышечных (например, в эпителиальных клетках [1592]).

Переносчики можно разделить на две группы: пассивные и активные. Мы будем использовать термин пассивный переносчик в том случае, когда при его участии осуществляется перенос через мембрану единственного типа веществ. Переносчики-унипортеры только увеличивают поток вещества, идущий без потребления энергии, т. е. по градиенту электрохимического потенциала. Такой процесс называется облегченной диффузией. Наиболее полно изученным пассивным переносчиком является переносчик глюкозы в эритроцитах.

Активные переносчики осуществляют перенос веществ через мембрану с затратами энергии, в результате эти вещества накапливаются с одной стороны мембраны. При этом транспорт вещества должен быть сопряжен с другим, запасающим свободную энергию процессом. Почти все первичные активные переносчики являются ионными насосами, в которых перемещение иона прямо сопряжено с поставляющей энергию химической или фотохимической реакцией. Примером ионного насоса является бактериородопсин, который для переноса протонов через мембрану использует энергию фотонов видимого света. В большинстве случаев ионные насосы являются электрогенными: при работе первичного насоса осуществляется перемещение заряда, в результате чего происходит разделение электрических зарядов и на мембране создается напряжение.

Первичные активные переносчики генерируют напряжение и создают трансмембранные ионные градиенты. Вторичные активные переносчики используют такие градиенты в качестве движущей силы для транспорта растворимых веществ. Наиболее полно охарактеризованным примером такого рода является белок — переносчик лактозы (лактозопермеаза) из Escherichia coli. Этот переносчик использует протонный электрохимический градиент, генерируемый дыхательной электронтранспортной цепью, в качестве движущей силы для накопления лактозы в клетке. Это пример симпорта, когда через мембрану одновременно переносятся два разных вещества (например, протоны и лактоза). Антипортеры осуществляют транспорт веществ в противоположных направлениях. Так, например, белок полосы 3 эритроцитов осуществляет сопряженный транспорт Cl ~ и НС03~ в противоположных направлениях через эритроцитарную мембрану.

Термины перемеаза, транслоказа и переносчик, являющиеся синонимами, часто используют по отношению к транспортным белкам, отличным от первичных активных переносчиков. Обычно термин «пермеаза» применяют при описании бактериальных транс-

Поры, каналы и переносчики 335

Таблица 8.2. Некоторые группы структурно родственных каналов и переносчиков

1. Потенциалзависимые ионные каналы:

Na * -канал

К *-канал

Са2 +-канал (чувствительный к дигидропиридину)

2. Каналы, регулируемые нейромедиаторами:

Никотиновый ацетилхолиновый рецептор

Рецептор -у-аминомасляной кислоты

Рецептор глицииа

3. Митохондриальные переносчики:

Переносчик ADP/ATP

Переносчик Н + -фосфата

Разобщающий белок (переносчик Н + /ОН " )

4. Переносчики Сахаров:

Переносчик глюкозы (клетки млекопитающих)

Переносчик Н + -арабинозы {Е. coli)

Переносчик Н + -ксилозы из (Е. coli)

5. АТРазы EiE2-THna, сопряженные с трансмембранным переносом

ионов (см. также табл. 8.5)

Н +/К +-АТРаза (слизистая желудка млекопитающих)

Na +/К +-АТРаза (плазматическая мембрана)

Са2 + -АТРаза (саркоплазматический ретикулум)

Н + -АТРаза (плазматическая мембрана)

К +-АТРаза (S. faecalis)

портных белков. Термин «переносчик», по-видимому, лучше использовать по отношению к ионофорам или сходным с ними структурам (разд. 7.5.2), которые связываются с ионами и переносят их через бислой в составе комплекса.

Классификация транспортных белков, представленная в табл. 8.1, основана главным образом на энергетике и механизме транспорта растворимых веществ. Однако по мере установления аминокислотной последовательности все большего числа белков появляется возможность разработать другой принцип классификации транспортных белков — на основе их структурного сходства. В табл. 8.2 показано несколько структурно родственных групп каналов и транспортных белков. При этом белки, входящие в состав одной группы, могут выполнять разные фукнции. В качестве примера рассмотрим переносчик глюкозы млекопитающих и переносчик Н +-арабинозы бактерий. Первый является унипортером, который может катализировать только облегченную диффузию глюкозы, в то время как второй способен сопрягать перенос ионов Н + по протонному электрохимическому градиенту с активным транспортом другого вещества, арабинозы. Ясно, что природа может

336 Глава 8

приспособить одну и ту же структуру к выполнению различных функций. Мы еще столкнемся с этими вопросами в следующей главе при рассмотрении групп поверхностных клеточных рецепторов.

8.1.1. КАНАЛЫ И ПЕРЕНОСЧИКИ: РАЗНООБРАЗИЕ ФУНКЦИЙ

Функции ионных каналов и переносчиков весьма разнообразны; проиллюстрируем их на нескольких примерах. Так, регулируемые ионные каналы, участвующие в передаче сигнала, в ответ на определенный внешний стимул быстро изменяют мембранную проницаемость для определенного иона. При этом происходит изменение трансмембранного потенциала (гл. 9). К работе такого рода каналов предъявляется ряд требований. Во-первых, внешний сигнал должен вызывать быстрое переключение между открытым и закрытым состояниями канала. Необходимо также, чтобы быстро устанавливалось новое равновесие или стационарное значение мембранного потенциала. При этом очень существенна скорость процесса. Так, когда канал открыт, через бислой может проходить до 106—108 ионов в секунду. Такая величина потока является экспериментальным критерием, позволяющим отличить каналы от переносчиков (табл. 8.3). Столь большие ионные потоки означают, что открывание относительно малого числа каналов приводит к значительным быстрым изменениям электрических свойств мембраны. Рассмотрим на конкретном примере, как оценить время ответа мембраны на внешний сигнал.

Предположим, что мембрана с емкостью 1 мкФ/см2 содержит некоторое число К + -каналов с проводимостью в открытом состоянии 20 пСм (определение единиц измерения проводимости см. в разд. 7.3). Проводимость, равная 1 пСм, эквивалентна 6-10* ион/с на 1 В, так что в нашем случае через каждый канал может пройти 1,2-108 ион/с на 1 В. Предположим, что на мембране существует К + -градиент с соотношением [К + ]внутрн/[К + ]снаружи = 52. Когда К +-каналы закрыты, мембранная проницаемость по К+ равна нулю и К* не участвует в образовании трансмембранного потенциала. При открывании каналов происходит перенос ионов К + по градиенту концентрации до тех пор, пока не установится новое стационарное распределение.

В результате диффузии ионов К + через мембрану происходит разделение зарядов. При этом достигается равновесное значение трансмембранного потенциала, которое можно определить из уравнения Нернста (см. разд. 7.4). Легко подсчитать, что в нашем случае оно составляет 100 мВ. Заряд, необходимый для поддержания этого потенциала, определяется емкостью С [уравнение (7.15)], составляющей всего лишь - 10" 12 моль/см2 (примерно 1 заряд на 250

Поры, каналы и переносчики 337 Таблица 8.3. Сравнение скоростей транспорта для некоторых систем"

Система Скорость

транспорта, с"1

Каналы/поры

Натриевый канал ~ Ю7

Грамицидин А -107

Канал ацетилхолинового рецептора - 107

Пермеазы

Н * -Лактозопермеаза Е. coli 30

Переносчик глюкозы (эритроциты) 300 Анионный переносчик белок полосы 3

(эритроциты)2' 100 000 Активные переносчики

Бактернородопсин 50

Ыа + /К+-АТРаза3) 450

Цитохром с-оксидаза 1000

" Ссылки см. в тексте. Приведены приблизительные значения, поскольку они сильно варьируют в зависимости от экспериментальных условий. В данном случае условия были следующими: 0.1 M NaCl, 100 мВ [1386].

Указана скорость обмена. Подробнее см. в тексте. ' Указана скорость транспорта Na* (три иона иа каждую гидролизованную молекулу АТР).

липидных молекул). Столь незначительное число переносимых ионов, не вызывая заметных изменений в концентрации К+ как по ту, так и по другую сторону мембраны, порождает тем не менее весьма значительный электрический сигнал.

Ключевой характеристикой канала является время, необходимое для достижения нового стационарного состояния после открывания канала. Оно зависит как от емкости, так и от удельного сопротивления мембраны. Если мы примем число открытых каналов равным 50 на 1 мкм2, то время ответа составит 0,1 мс.

В табл. 8.3 приведены значения числа оборотов для нескольких ионных каналов и переносчиков. Обратите внимание, что для ионных каналов и пор характерны очень большие числа оборотов. Напротив, для лактозопермеазы Е. coli максимальное число оборотов составляет всего лишь - 30 с " 1. Если бы рассмотренные выше ионные каналы работали с такой скоростью, то для достижения той же удельной проводимости потребовалось бы увеличить плотность каналов в 10 млн. раз, что физически невозможно.

Для осуществления лактозопермеазой ее физиологических функций, конечно, не требуется столь большого числа оборотов, как для

338 Глава 8

каналов. Ее роль состоит в транспорте лактозы — углевода, который затем участвует в клеточном метаболизме. Для ионных насосов, использующих для работы энергию гидролиза АТР или переноса электронов, характерны максимальные числа оборотов 102— 103 с1, что довольно типично для ферментов, но гораздо меньше аналогичных значений для каналов или пор.

Однако не все переносчики работают столь медленно. Анионный переносчик белок полосы 3 из эритроцитарной мембраны играет важную физиологическую роль в усилении быстрого трансмембранного обмена С1" на НС03~(см. разд. 8.3.3). Одна из функций эритроцитов заключается в усилении транспорта СОг от различных тканей к легким. В венозных капиллярах СОг быстро диффундирует через эритроцитарную мембрану. В клетке под действием карбоангидразы СОг превращается в НгСОз, затем быстро устанавливается равновесие НгСОз Н + + НС03~, и анион бикарбоната переносится через мембрану в плазму крови белком полосы 3. В результате по мере того, как эритроцит проходит по капиллярам, концентрация НС03~ в плазме увеличивается, причем этот процесс занимает меньше 1 с. Когда кровь достигает легких, начинается диффузия СОг в атмосферу. При этом под действием карбоангидразы в эритроцитах происходит массовое превращение Н2С03 в СОг и НгО. Этот процесс в свою очередь является движущей силой для переноса аниона

страница 47
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.07.2017)