Некоторые митохондриальные переносчики

В процессе такого переноса происходит эквивалентный обмен ионами, но не всегда эквивалентный обмен по заряду.

Кроме пассивного транспорта веществ, в клетках есть белки, активно перекачивающие определённые растворённые в воде вещества (например диффузия Н⁺, Са²⁺, Na⁺, K⁺) против их градиента, т.е. из меньшей концентрации в область большей. Этот процесс, называемый активным транспортом, осуществляется всегда с помощью белков-переносчиков и происходит с затратой энергии.

Строение и функционирование белковых каналов

Каналы в мембране формируются интегральными белками, которые "прерывают" липидный бислой, образуя пору, заполненную водой. Стенки канала "выстилаются" радикалами аминокислот этих белков.

Если каналы различают вещества только по размеру и пропускают все молекулы меньше определённой величины, по градиенту концентрации, т.е. служат фильтрами, то их называют "неселективные каналы", или "поры". Такие поры есть в наружной мембране митохондрий, где молекулы белка порина образуют широкие гидрофильные каналы. Через них могут проходить все молекулы с молекулярной массой 10 кД и меньше, в том числе и небольшие белки.

Селективные каналы, как правило, участвуют в переносе определённых ионов. Ионная селективность (избирательность) каналов определяется их диаметром и строением внутренней поверхности канала. Например, катионселективные каналы пропускают только катионы, так как содержат много отрицательно заряженных аминокислотных остатков.

Открытие или закрытие селективных каналов регулируется либо изменением концентрации специфических регуляторов, таких как медиаторы, гормоны, циклические нуклеотиды, NO, G-белки, либо изменением трансмембранного электрохимического потенциала.

Регулируемый канал. Заштрихованные квадраты - регуляторы, светлые кружки - переносимые ионы.

Воздействие регуляторного фактора вызывает конформационные изменения каналообразующих белков, канал открывается и ионы проходят по градиенту концентрации. Транспорт веществ через каналы не приводит к конформационным изменениям белков и зависит только от разности концентраций веществ по обе стороны мембраны. Поэтому скорость транспорта веществ через такие каналы может достигать 10⁶-10⁸ ионов в секунду.

Строение и функционирование белков-переносчиков, осуществляющих активный транспорт

Перенос некоторых лигандов (ионов, глюкозы, аминокислот) через мембраны происходит против градиента концентрации и сопряжён с затратой энергии (активный транспорт). Перенос лигандов через мембрану, связанный с затратой энергии АТФ, называют "первично-активный транспорт".

Первично-активный транспорт происходит против градиента концентрации, т.е. с затратой энергии АТФ при участии транспортных АТФаз (ионных насосов), например, Н⁺-АТФазы, Са²⁺-АТФазы, Na⁺-АТФазы, K⁺-АТФазы. АТФазы различаются по ионной специфичности, количеству переносимых ионов, направлению транспорта. В результате функционирования АТФаз переносимые ионы накапливаются с одной стороны мембраны.

Н⁺-АТФазы функционируют как протонные насосы. С их помощью создается кислая среда в лизосомах клетки.

Na⁺, К⁺-АТФ-аза

Этот фермент-переносчик катализирует АТФ-зависимый транспорт ионов Na⁺ и K⁺ через плазматическую мембрану. Nа⁺, К⁺-АТФаза состоит из субъединиц α и β; α - каталитическая большая субъединица, a β - малая субъединица (гликопротеин). Активная форма транслоказы - тетрамер (αβ)₂.

Строение и функционирование Nа⁺, К⁺-АТФ-азы плазматической мембраны. 1 - три иона натрия связываются специфическим центром транслоказы; 2 - изменение конформации транслоказы, вызванное присоединением 3 ионов Na⁺, приводит к активации каталитической субъединицы и увеличению сродства активного центра к субстрату (АТФ). Протекает реакция аутофосфорилирования по карбоксильной группе аспарагиновой кислоты; 3 - аутофосфорилирование изменяет заряд и конформацию транслоказы, она закрывается с внутренней стороны мембраны и открывается с наружной, уменьшается сродство к ионам натрия и они диссоциируют от переносчика; 4 - Na⁺, К⁺-АТФаза открытая с наружной стороны мембраны имеет специфический центр связывания для 2 К⁺; Присоединение двух ионов калия к фосфорилированной транслоказе вызывает изменение конформации и появление аутофосфатазной активности. Протекает реакция аутодефосфорилирования; 5 - дефосфорилирование изменяет заряд и конформацию транслоказы, она закрывается с наружной стороны мембраны и открывается с внутренней, уменьшается сродство к ионам калия и они диссоциируют от Na⁺, К⁺-АТФазы; 6 - АТФаза возвращается в первоначальное состояние.

Na⁺, К⁺-АТФаза отвечает за поддержание высокой концентрации К⁺ в клетке и низкой концентрации Na⁺. Так как Na⁺-АТФаза выкачивает три положительно заряженных иона, а закачивает два, то на мембране возникает электрический потенциал с отрицательным значением на внутренней части клетки по отношению к её наружной поверхности.

Са²⁺-АТФаза

В цитозоле "покоящихся" клеток концентрация Са²⁺ составляет ~10^-7 моль/л, тогда как вне клетки она равна ~2 10^-3 моль/л. Поддерживает такую разницу в концентрации система активного транспорта ионов кальция; ее основные компоненты - кальциевые насосы - Са²⁺-АТФ-азы и Na⁺,Ca²⁺-обменники.

Са²⁺-АТФаза локализована не только в плазматической мембране, но и в мембране ЭР. Фермент состоит из десяти трансмембранных доменов, пронизывающих клеточную мембрану. Между вторым и третьим доменами находятся несколько остатков аспарагиновой кислоты, участвующих в связывании кальция. Область между четвёртым и пятым доменами имеет центр для присоединения АТФ и аутофосфорилирования по остатку аспарагиновой кислоты. Са²⁺-АТФазы плазматических мембран некоторых клеток регулируются белком кальмодулином. Каждая из Са²⁺-АТФаз плазматической мембраны и ЭР представлена несколькими изоформами.

Последовательность событий в процессе работы Са²⁺-АТФ-азы.

1 - связывание двух ионов кальция участком АТФазы, обращённой в цитозоль; 2 - изменение заряда и конформации фермента (АТФазы), вызванное присоединением двух ионов Са²⁺, приводит к повышению сродства к АТФ и активации аутофосфорилирования; 3 - аутофосфорилирование сопровождается информационными изменениями, АТФаза закрывается с внутренней стороны мембраны и открывается с наружной; 4 - происходит снижение сродства центров связывания к ионам кальция и они отделяются от АТФазы; 5 - аутодефосфорилирование активируется ионами магния, в результате Са²⁺-АТФ-аза теряет фосфорный остаток и два иона Мg²⁺; 6 - АТФаза возвращается в исходное состояние.

Нарушение активности Са²⁺-АТФ-азы при патологии.

Одна из причин нарушения работы Са²⁺-АТФазы - активация перекисного окисления липидов (ПОЛ) мембран. Окислению подвергаются как ацильные остатки жирных кислот в составе фосфолипидов, так и SH-гpyппы в активном центре фермента. Нарушение структуры липидного окружения и структуры активного центра приводит к изменению конформации АТФазы, потере сродства к ионам кальция и способности к аутофосфорилированию. АТФаза перестаёт выкачивать ионы кальция из цитозоля клетки, повышается концентрация внутриклеточного кальция, Са²⁺ усиливает мышечное сокращение, возрастает тонус мышечной стенки, что приводит к повышению АД. Не последнюю роль нарушение функционирования Са²⁺-АТФазы играет в развитии атеросклероза, рака, иммунных патологий.

2. Вторично-активный транспорт происходит за счет затрат энергии градиент концентрации одного из переносимых веществ. Присоединение в активный центр белка-переносчика вещества, концентрация которого выше, изменяет конформацию и увеличивает сродство к соединению, которое проходит в клетку против градиента концентрации. Перенос некоторых растворимых веществ против градиента концентрации зависит от одновременного или последовательного переноса другого вещества по градиенту концентрации в том же направлении (активный симпорт) или в противоположном (активный антипорт). В клетках человека ионом, перенос которого происходит по градиенту концентрации, чаще всего служит Na⁺.

Примером такого типа транспорта может служить Na⁺,Са²⁺-обменник плазматической мембраны (активный антипорт), ионы натрия по градиенту концентрации переносятся в клетку, а ионы Са²⁺ против градиента концентрации выходят из клетки.