p>несопрямсенные (состояние!)

транслокация

чесопряэгсенные (состояние 2.)

Рис. 11.8. Схематическое изображение некоторых возможных механизмов, ограничивающих латеральную подвижность рецепторов клеточной поверхности; ? — ограничение в результате агрегации или связывания латерального движения либо белковых, либо липидных компонентов в плоскости мембраны; б — образование доменов, закрепление мембранных компонентов в специфических липидных доменах или выталкивание из них; в — возможная роль периферических мембранных компонентов, действующих либо на внутренней, либо на наружной поверхности мембраны и ограничивающих латеральное движение мембранных молекул; г — ограничение латеральной подвижности мембранных компонентов из-за влияния, которое могут оказывать на их транслокацию связанные с мембранной элементы цитоскелета. [Nicolson С. L., Biochim. Biophys. Acta, 457, 63, 1976.]

376

III. МЕТАБОЛИЗМ

Облегченный транспорт относится к процессам, в которых соединение движется через мембрану только по определенным путям посредством способных к насыщению механизмов, не требующих непременного снабжения энергией за счет АТР или равноценного источника. Таким процессом является вход глюкозы в гепатоциты, эритроциты и мышечные клетки по концентрационному градиенту.

Активным транспортом называют процессы, в которых молекула должна двигаться через мембрану независимо от направления ее концентрационного градиента. Энергия, необходимая для такого процесса, поставляется одним из двух следующих способов. Во-первых, транспорт данного метаболита может быть сопряжен с одновременным движением второго вещества, которое движется по своему концентрационному градиенту; AG этого процесса ¦— большая и отрицательная величина. Вторая молекула может двигаться в том же направлении, что и первая (симпорт), или в противоположном направлении (антипорт). Во-вторых, энергия может поставляться сопряженным гидролизом АТР (АТРазная активность) или какого-либо другого высокоэнергетического соединения на поверхности белка, который служит носителем. Такое «устройство» называется насосом.

Согласно теоретическим соображениям, для транспортного процесса необходимо, чтобы транспортирующие белки находились в мембране в форме агрегатов из близких по размеру двух или более полипептидных цепей (их размер должен соответствовать толщине мембраны). Предполагается, что вдоль центральной оси этого агрегата проходит наполненный водой канал. Если этот агрегат представляет собой димер из двух идентичных полипептидных цепей, он должен иметь ось симметрии, параллельную этому каналу, т. е. перпендикулярную плоскости мембраны. Активный центр, специфичный к транспортируемому лиганду, должен располагаться в полипептидной зоне внутри канала. При активном транспорте в одном из двух структурных состояний полипептидного агрегата активный центр обращен к водной фазе на одной стороне мембраны. Конформационное изменение полипептидной цепи, происходящее за счет поставляемой энергии, вероятно, позволяет связанному лиганду повернуться к другой стороне мембраны. Этот механизм находится в соответствии с концепцией фиксированных пор или каналов в плазматической мембране, образованных за счет специфической организации мембранных белков, а также согласуется с данными об асимметрии в расположении мембранных компонентов, и о наличии белковых молекул, прошивающих всю толщу мембраны (см. выше).

При облегченной диффузии структурные состояния транспортного белка не отличаются существенно по энергии, и переход из-состояния с более низкой энергией в состояние с более высокой:

II. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА

377

энергией может быть осуществлен за счет энергии, освобождающейся при связывании самого лиганда.

11.3.2.1. Аспекты активного транспорта

В тканях млекопитающих обнаружено несколько основных систем активного транспорта, таких, как натриевый и кальциевый насосы (Na+-Hacoc и Са2+-насос), системы транспорта глюкозы и других Сахаров и системы транспорта аминокислот. Наряду с этим высокоселективиые транспортные системы, включающие специфические белковые переносчики, могут функционировать при переносе определенных ионов из внеклеточной во внутриклеточную среду. Примечательные примеры представляют собой участие апоферри-тина в регуляции передвижения железа из просвета кишечника в плазму крови (гл. 32) и активный транспорт анионов, опосредованный полипептидами, присутствующими в мембране эритроцита (гл. 32). Здесь кратко рассмотрена только первая система.

Na+-nacoc. В большинстве клеток животных внутриклеточная концентрация [К+] относительно высока и постоянна и составляет 120—160 ммоль/л, в то время как концентрация [Na+] <10 ммоль/л. Напротив, внеклеточная жидкость содержит относительно много ионов Na+ ([Na+]«il50 ммоль/л) и гораздо меньше ионов К+ (обычно [К+]<4 ммоль/л). Поэтому на клеточных мембранах возникает значительный концентрационный градиент этих двух ионов. Постоянство высокой внутриклеточной концентрации [К+] поддерживается происходящим с затратой энергии выходом Na+ из клетки с заменой его на К+.

Аналогия этого процесса с механическим насосом оправдана в том смысле, что энергия используется для движения ионов против препятствующего движению концентрационного градиента. Во всех исследованных случаях источником энергии для этой работы служит АТР — субстрат для мембранной АТРазы. Так, в мембранах эритроцитов содержится АТРаза, для активации которой требуется и Na+, и К+. Фермент пространственно асимметричен, т. е. он стимулируется внеклеточным, а не внутриклеточным К+ и внутриклеточным, а не внеклеточным Na+. Добавка только Na+ или только К+ не влияет на ферментативную активность. Однако, когда присутствуют оба иона, гидролиз АТР заметно ускоряется. Многочисленные свидетельства указывают на то, что Ыа+-К+-АТРаза— ферментный эквивалент системы, ответственной за активный транспорт Na+ через мембрану (Na+-nacoc).

Na+-K+-ATPa3a (мол. масса ~250 ООО) участвует в транспорте Na+ и К" через плазматическую мембрану клеток всех эукариот. Очищенный фермент состоит из каталитической субъединицы (мол. масса ~95ООО) и глнкопротендной субъединицы (мол. масса "-50ООО), молярное соотношение которых, вероятно, равно 2:1.

378

III. МЕТАБОЛИЗМ

При гидролизе АТР большая субъединица фосфорилируется; фос-форилированная форма фермента содержит аспартил^-фосфатный остаток. Каталитическая субъединица имеет места связывания для Na+, К+ и уабаина (сердечного гликозида), ннгнбирующего активный транспорт Na+ и К+ во многих клетках.

72

он он

уабаин

Предполагается, что большая субъединнца простирается через всю толщу клеточной мембраны, причем места связывания К+ и уабаина оказываются на наружной поверхности мембраны, a Na+ и АТР — на внутренней. Сахара гликопротеидной субъединицы представлены сиаловой кислотой, фукозой, ?-ацетилглюкозамином и маннозой. Гликопротеид может способствовать правильной ориентации фермента в мембранном бислое, поскольку олигосахариды обычно располагаются на наружной поверхности плазматической мембраны в форме нескольких выступающих образований (разд. 11.2.1). Фосфоглицериды составляют ~'/з массы изолированного фермента; такое количество фосфоглицеридов необходимо для активности фермента.

Предложен следующий механизм действия АТРазы. Перенос терминального фосфата АТР к ферменту происходит в реакции, зависящей от Mg2+ и Na+, в отсутствие К+. При добавлении К+ к фосфорилированному интермедиату фосфат освобождается в виде Рг. Ниже приведено уравнение реакции, а предполагаемая последовательность показана на рис. 11.9.

3№в+нутр + 2К+неш + АТР*- + Н20 -* 3№+еш + 2К+утр + ADP^- + Pj" + Н+

Другие явления ионного транспорта, включающие обязательное участие Са2+-активируемой АТРазы, рассмотрены позднее (гл. 36 и 37).

Примером активного симпорта служит перенос глюкозы против концентрационного градиента, например нз клеток слизистой оболочки кишечника в кровь (гл. 14), и реабсорбция глюкозы из почечного канальца (гл. 35). В этих случаях транспорт глюкозы за-

II. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА

379

Mg2+

. 1. АТР + Na+KH(,mp+ АТРазаа v Na-ATPasa^P + ADP

2. №-АТРаза«лР ч ^ №-АТРаза?, «vP

3 Ма-АТРаза^Р + К+наижн + Н20 ^ АТРазас+ ?, + №+нару„н * К\ицт

Рис. 11.9. Схематическое изображение транспорта Na+ и К+ при участии Na+-K+-АТРазы. Две формы фермента (а и 6) обозначают возможные конформационные изменения, происходящие во время обмена ионов. Действие уабаина ингибирует К+-зависимую реакцию 3, гидролиз фосфорилированной №+-АТРазы. Хотя на рисунке приведено соотношение Na+/K+, равное 1, установлено, что для мембран эритроцитов и аксона кальмара, а также для искусственно приготовленных пузырьков, в которые встраивался очишенный фермент, полученное в опыте соотношение составляло Na^ р : К^ружн =3 : 2. Это согласуется с вышеуказанной

стехиометрией.

висит от Na+— увеличение внеклеточной концентрации [Na+] усиливает транспорт глюкозы в клетки. Это сопряжение транспорта Na+ и транспорта глюкозы позволяет предположить существование белка-переносчика с центрами связывания как для глюкозы, так и для Na+. Когда внутри клетки происходит разрядка этих центров, Na+-Hacoc возвращает Na+ обратно во внеклеточную среду. Так как последний процесс нуждается в АТР, то гидролиз АТР, происходящий на одну стадию раньше, опять предоставляет энергию для транспорта глюкозы против ее концентрационного градиента.

Совместный транспорт Na+ и некоторых аминокислот в клетки обсуждается далее (гл. 21).

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы относительно мембранного транспорта:

1. Активный транспорт ионов, включая Na+, К+ и Са2+, тесно сопряжен с действием мембранной АТРазы, которая, подвергаясь фосфорилированию и дефосфорилированию, продуцирует энергию для транспорта против градиентов концентрации.

2. Аминокислоты и некоторые сахара транспортируются активно, что может сопровождаться метаболическими изменениями транспортируемых молекул. В некоторых животных клетках эти транспортные системы проявляют зависимость от Na+.

3. Специфически связывающие белк