Молекулярная биология

     Каков механизм действия транслоказ? Как правило, транслоказы состоят из нескольких субъединиц. С учетом этого возможно несколько вариантов.

     1)  Между субъединицами имеется  всегда открытый гидрофильный канал, доступный лишь для веществ определенного размера и заряда.

     2)  Канал открывается только при  связывании с одной из его  сторон специфического лиганда.

     3)  Канала как такового не образуется вовсе, а перенос осуществляется путем поворота транслоказы (вместе со связанным лигандом) в плоскости мембраны на 180 градусов. В результате лиганд, связавшийся на одной стороне мембраны, высвобождается с другой стороны.

     Скорее всего, встречаются все эти варианты.

     Независимо  от механизма, направление и скорость переноса вещества транслоказой вновь определяются разностью концентраций этого вещества по обе стороны мембраны. Действительно, молекулы лиганда могут связываться с транслоказой как с одной, так и с другой стороны и, соответственно, переноситься в обоих направлениях. Но там, где концентрация выше, связывание и перенос будут происходить чаще, что и определит общий результат диффузии.

     При изменении градиента концентрации опять-таки возможно изменение направления облегченной диффузии. Такой пример нам тоже уже известен - перенос бикарбонат-ионов через анионные каналы плазмолеммы эритроцитов. В капиллярах тканей и легких этот перенос происходит в противоположных направлениях.

     Вместе  с тем, возможен феномен, отсутствующий  при простой диффузии — т. н. явление насыщения. Это значит, что при неуклонном повышении концентрации лиганда с одной стороны мембраны скорость переноса может расти не беспредельно, а лишь до некоторого предела. При этой максимальной скорости каждая транслоказа функционирует без периодов «простоя»: после высвобождения молекулы лиганда с одной стороны тут же следует связывание очередной молекулы  с другой стороны.

     Дальнейшая  же  интенсификация деятельности транслоказы уже невозможна.

     Аналогичный феномен, как известно, присущ и ферментам. В связи с этим транслоказы можно рассматривать как «ферменты», катализирующие перемещение веществ через мембраны.

     Активный  транспорт. Наконец, при активном транспорте (рис. 1.6,в) вещество проходит через мембрану тоже с помощью специального транспортного белка (транслоказы), но против градиента своей концентрации, т. е. из компартмента с меньшей концентрацией в компартмент с большей концентрацией.

     Такое перемещение требует затрат энергии. Следовательно, транспортная система должна осуществлять и энергетическое обеспечение переноса. Данная проблема решается разными способами.

     1. Один принципиальный подход — сопряжение переноса вещества с энергодающей реакцией. Как правило, такой реакцией служит гидролиз АТФ.

     а) В простейшем варианте сама транслоказа  обладает АТ-Фазной активностью (как  показано на рис. 1.6,в). Таков, в частности, Са-насос, закачивающий ионы Ca в цистерны саркоплазматического ретикулума.

     б) В других случаях к гидролизу АТФ приводит более сложная совокупность реакций, сопряженных с переносом вещества. Пример -транспорт аминокислот в эпителиальные клетки кишечника в процессе всасывания (рис. 1.7). 
 

 
 
 
 
 
 
 

                                                 (рис. 1.7) 

     Здесь аминокислота, прошедшая с помощью  транслоказы через мембрану, сразу  же реагирует с трипептидом глутатионом — так, что образуются два дипептида. Тем самым снижается концентрация данной аминокислоты в примембранном пространстве клетки, что облегчает диффузию через мембрану новых порций аминокислоты. Затем же происходит серия экзергонических реакций (т. е. реакций, идущих с выделением энергии):

     -  распад обоих дипептидов и

     -  ресинтез глутатиона с затратой  трех молекул АТФ.

     В итоге получается, что для всасывании 1 молекулы аминокислоты расходуется энергия 3 молекул АТФ (-150 кДж/моль аминокислоты). Это более чем достаточно для преодоления концентрационного барьера.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                  (рис.1.8)

     в) Кроме гидролиза АТФ, непосредственным источником энергии для активного транспорта может быть окислительно-восстановительный процесс.

     Так, в частности, обстоит дело в митохондриях (рис. 1.8). В ходе перемещения электронов по дыхательной цепи выделяется энергия, которая служит для откачки протонов из матрикса в межмембранное пространство (через внутреннюю митохондриальную мембрану). Тем самым создается протонный градиент, энергия которого затем используется для синтеза АТФ (в ходе обратного перемещения протонов в метрикс по градиенту концентрации через другую транспортную систему — т. н. АТФазу).

     2. Второй принципиальный механизм  энергообеспечения активного транспорта - сопряжение переноса вещества X (против градиента концентрации) с пассивным переносом другого вещества Y (по градиенту его концентрации). Очевидно, в этом случае высвобождение энергии в ходе перемещения Y должно превышать затраты энергии на перемещение X.

     Здесь опять-таки имеются два варианта: симпорт и антипорт.

     В случае симпорта (рис. 1.9,а) оба вещества переносятся транслоказой в одну сторону. Т. е. молекулы Y, диффундируя по градиенту своей концентрации, как бы тянут вместе с собой соединение X.

     Таков, в частности, механизм реабсорбции  глюкозы в канальцах почек: она проникает в эпителиальную клетку путем симпорта с ионами Na .

       
 
 
 
 
 
 
 

                                                  

                                                 (рис. 1.9) 
 

     Если  оба вещества, участвующие в симпорте, являются ионами, то они имеют разноименные заряды.

     Что касается антипорта (рис. 1.9,б), то здесь вещества переносятся транслоказой во взаимно противоположных направлениях. Т. е. молекулы Y как бы обмениваются на молекулы X.

     Но  у эукариот антипорт весьма редко  используется как средство энергообеспечения  трансмембранного переноса.

     Гораздо более распространена система, где  путем антипорта сразу оба вещества перемещаются против градиента своей концентрации (рис. 1.9.в). При этом источником энергии служит АТФ..

     На  том же примере видно, что при антипорте ионов последние имеют одноименные заряды.

     После этих общих сведений рассмотрим подробней  некоторые из упомянутых выше транспортных систем.

2. Конкретные системы переноса низкомолекулярных веществ

     Na,К – насос. Именно благодаря деятельности этого насоса создается резко асимметричное распределение данных ионов между клеточной и внутриклеточной средой (см. табл. 1.2). Концентрация ионов Na значительно   выше   вне клеток, а ионов К - внутри клеток. 

       
 
 
 
 
 
 

                                    (рис.1.10) Na, K - насос 

       
 
 
 
 
 
 
 

                                                     (табл. 1.2)

     Важная  особенность деятельности насоса —  характерная стехиометрия: за счет распада 1 молекулы АТФ происходит выкачивание 3 ионов Na и одновременно закачивание в клетку 2 ионов К.

     Расчеты показывают, что при этом рассеивается только -10 % энергии АТФ; остальные  же 90 % преобразуются в энергию концентрационных градиентов. Такая эффективность пре образования энергии, очевидно, является очень высокой.

     Возможный механизм деятельности насоса показан на рис. 1.11. Согласно ему, насос имеет некую полость.

     В начале очередного цикла полость  открыта с внутренней стороны  мембраны, где ее заполняют 3 иона Nа. Для преодоления электрического отталкивания между ионами требуется энергия. Видимо, непосредственно на это и расходуется АТФ. Действительно, связывание ионов Na инициирует гидролиз молекулы АТФ.

     Однако  этот гидролиз не только энергетически обеспечивает первую стадию цикла, но и, в свою очередь, инициирует следующую стадию. Так, фосфатная группа переносится от АТФ на белок, что изменяет его конформацию. В результате полость с ионами Na открывается с другой стороны мембраны - наружной. Сила электрического отталкивания между ионами заставляет последних высвобождаться во внеклеточную среду, несмотря на высокую их концентрацию здесь.

Вместо  ионов Na полость заполняют 2 иона К. Не исключено, что меньшее количество этих ионов обусловлено просто тем, что они крупнее. Правда, в водном растворе ионы Na эффективней притягивают воду и за счет гидратной оболочки оказываются больше.

     Другое  объяснение может состоять в том, что для двух ионов гораздо  меньше сила электрического отталкивания. И, наконец, по третьей точке зрения, дело вовсе не в размерах полости  и ионов, а «просто» в числе  связывающих центров у насоса: для Na их — 3, а для К — 2.

     Как бы то ни было, связывание ионов К инициирует дефосфорилирование транслоказы. Это, с одной стороны, видимо, высвобождает остатки энергии АТФ, со хранившиеся в связи фосфатной группы. А, с другой стороны, дефосфорилирование возвращает конформацию транслоказы в исходное состояние: ее полость вновь открывается с внутренней стороны мембраны, отчего здесь высвобождаются ионы К . Так завершается цикл работы насоса.

Имеется важная группа лекарственных средств, которые тормозят действие Na, К -насоса. Это сердечные гликозиды (алкалоиды наперстянки). Они конкурируют с ионами К за связывание с транслоказой с ее наружной стороны.

      Более всего действие данных средств проявляется в отношении сердечной мышцы. Поэтому в саркоплазме кардиомиоцитов возрастает концентрация Na. Это снижает возбудимость миокарда. Одновременно увеличивается и концентрация ионов Са (видимо, из за того, что их транспорт из клетки происходит в обмен на внеклеточные ионы Na, так что при большей внутриклеточной концентрации Na обмен происходит слабее). Ионы же Са повышают сократимость миокарда. В итоге сокращения сердца становятся более редкими и более сильными.

     При передозировке сердечных гликозидов их действие можно ослабить путем введения больному препаратов К. Тогда ионы К вытесняют гликозиды из связи с Na,К-насосом.

     Транспорт глюкозы в почках. Остановимся кротко на системах, обеспечивающих реабсорбцию глюкозы в проксимальных канальцах почек.

     Заметим: исходная концентрация глюкозы в  первичном фильтрате такая же, как в плазме крови: примерно 1 г/л.      

(рис. 1.11)    Суточный объем этого фильтрата — 180 л; следовательно, за сутки в первичный фильтрат попадает -180 г глюкозы. Из них реабсорбируется в проксимальных канальцах 99,8%.

     Первые  порции реабсорбируемой глюкозы  почти не встречают концентрационного барьера, поскольку, как только что сказано, концентрации в исходном фильтрате и плазме крови практически одинаковы.

     Но  по мере реабсорбции концентрация глюкозы в канальцах все понижается и в итоге достигает уровни, который в несколько сотен раз ниже исходного. Поэтому последующие порции реабсорбируемой глюкозы переносятся против все возрастающего концентрационного градиента. Поэтому этот процесс и требует энергетического обеспечения.

     Способ  решения данной проблемы показан  на рис. 1.12.

     Через апикальную мембрану эпителиоцитов канальца (т. е. внутрь этих клеток) глюкоза проходит путем симпорта с ионами Na . Соответствующую транспортную систему можно обозначить как Na - зависимый глюкозный насос. Движущей силой его работы является очень высокая разность концентраций ионов Na вне и внутри клеток.

 
 
 
 
 
 
 

                                          

                                                    (рис. 1.12)

     Для обеспечения второй стадии транспорта (через мембрану с банальной стороны клеток) необходимо, чтобы насос накачивал глюкозу в клетки до концентрации, которая была бы заметно выше, чем в крови: порядка хотя бы 1,5 г/л.