2. 2. Активный транспорт

Под активным транспортом в биофизике клетки понимают пере­нос неэлектролитов и ионов против химического или электрохимиче­ского градиента. Активный транспорт непосредственно связан с энер­гетическими затратами и, как и пассивный, подчиняется кинетике насы­щения. Отличие активного транспорта от пассивного заключается именно в наличии стадии, сопряжешюй с трансформацией энергии. В настоя­щее время принято говорить о первично-активном и вторично-актив­ном транспорте.

Первично-активным называется транспорт, осуществляемый тран­спортными АТФ-азами за счет энергии гидролиза АТФ. Вторично­активный транспорт — это процесс, источником энергии для которого служит градиент ионов, возникший, например, в ходе первично-активно­го транспорта. Типичный пример первично-активного транспорта — активный транспорт ионов с помощью АТФ-аз. Функция насосов зак­лючается в переносе ионов через мембрану против электрохимическо­го градиента за счет энергии гидролиза АТФ. В соответствии с этим АТФ-азы — ионные насосы, обладающие аденозинтрифосфатфосфо- гидролазной активностью. Все транспортные АТФ-азы прокариотиче­ских и эукариотических клеток можно разделить на три типа: Р, V и F.

Общим свойством АТФ-аз Р-тпипа является способность образо­вывать ковалентный фосфорилированный интермедиат (Р_н) в актив­ном центре. К ним относятся Na, К-, Са- и Н-АТФ-азы плазматических мембран. Ранее АТФ-азы P-типа называли ферментами Е,/Е₂-типа. Однако номенклатуру изменили, потому что существуют и другие ферменты, не имеющие отношения к транспорту ионов (например, мио- зиновая АТФ-аза), которые также могут находиться в конформациях Е, и Е₂.

Ионотранспортирующие АТФ-азы V-muna относятся к мембранно­связанным структурам. Они обнаруживаются в вакуолях дрожжей и тонопластах растений, лизосомах, секреторных гранулах и т. д. АТФ-азы V-типа широко распространены, но изучены недостаточно. Им присущи 3 основных свойства: они являются переносчиками про­тона; в ходе каталитического цикла образуют ковалентный фосфори­лированный интермедиат; представляют собой высокомолекулярные мультисубъединичные комплексы.

АТФ-азы F-muna, выделенные из мембран бактерий, хлоропластов и митохондрий, содержат как водорастворимую часть F_v состоящую из нескольких субъединиц и обладающих каталитической активностью (способны катализировать и синтез, и гидролиз АТФ), так и гидрофоб­ную часть F₀, участвующую в транслокации Н⁺.

Кинетику потока ионов при активном транспорте (/) можно опи­сать уравнением

1 «С],/К,+ [С], - [С],/*,+ [С],,

где /_тах = С₀Р/2; Р — коэффициент проницаемости комплекса ионо- переносчика; [С] — концентрация ионов по разные стороны мембра­ны; К — константа диссоциации комплекса.

При / = 0 (максимальная работа равна нулю) получаем соотноше­ние

[С],/[С]₂ = К_Х/К₂,

из которого следует, что предельная концентрация иона, которую мо­жет создать насос, определяется отношением констант диссоциации ком­плекса данного иона с переносчиком, а активный транспорт иона осу­ществляется в направлении более низкой константы его связывания ферментом.

Na, К-АТФ-аза

Na, К-АТФ-аза — одна из наиболее важных и широко распростра­ненных транспортных систем в клетках животных и растений, обеспе­чивающая перенос через клеточную мембрану ионов Na и К. Актив­ный их транспорт имеет огромное физиологическое значение: в состо­янии покоя на него затрачивается более 30 % энергии клетки; транс­порт ионов Na и К необходим для поддержания электрической возбудимости нервных и мышечных клеток, а также регуляции Na/Са-обмена.

Фермент, расщепляющий АТФ, впервые открыл Дж. Скоу (J. Skou) в 1957 г. в мембранной фракции нервов краба. В дальнейшем этот фермент, называемый также транспортной или плазматической Na, К-АТФ-азой, был обнаружен во всех животных и растительных тканях. Na, К-АТФ-аза — это липопротеиновый комплекс, функции которого связаны с конформационными перестройками белковых мо­лекул. Сведения об относительной молекулярной массе Na, К-АТФ-азы весьма разноречивы (от 100 ООО до 500 000), что связано с разными методами выделения и степенью очистки фермента. В среднем общая относительная молекулярная масса фермента составляет 270 000. Таким образом, Na, К-АТФ-аза — многокомпонентная система, тетрамёр, составленный из двух а- и двух Р-субъединиц. Субъединица а больше субъединицы (3. Компонента а осуществляет гидролиз АТФ и связы­вание стероидов (их относительная молекулярная масса 95 000 — 100 000), а Р-субъединица, относительная молекулярная масса которой составляет 40 000, содержит углеводные группы. Обе субъединицы

связаны поперечными мостиками. Предполагается, что а-субъединицы контактируют между собой, а р-субъединицы пространственно разделе­ны.Каждая а-субъединица пронизывает мембрану насквозь. Угле­водные цепи р-субъединиц расположены на наружной стороне мембра­ны (рис. 3.10, 3.11).

Рис. 3.10. Схематическое изображение субъединичной структуры Na, К-насоса

(а- и 3-субъединицы)

Рис. 3.11. Схема работы Na, К-АТФ-азы

Na, К-АТФ-аза «откачивает» ионы натрия из клетки и «закачивает» ионы калия в нее за счет энергии гидролиза молекул АТФ. Фермент проявляет максимальную активность при наличии в среде ионов Na, К и Mg. Процесс описывается следующей суммарной реакцией:

Na⁺, К⁺, Mg²"

>

АТФ + Н.О

АДФ + Ф„ + Н⁺.

Д

Рис. 3.12. Влияние введения АТФ иа выход натрия из аксона, отравленного цианидом. После первого введения концентрация АТФ в аксоне повысилась до 1,2 ммоль, а после второго — до 6,2 ммоль

ж. Скоу предположил, что Na, К-АТФ-аза является интегральным белком, а расщепление АТФ обеспечивает энергией активный транс­порт ионов Na и К. Гипотеза была подтверждена следующими экспе­риментальными данными: уровень ферментативной активности корре­лировал с числом транспортируемых ионов; как Na, К-АТФ-аза, так и Na-nacoc прочно связаны и одинаково ориентированы в плазматиче­ской мембране; изменение соотношения ионов Na и К в клетке оказы­вает одинаковое действие на АТФ-азную активность и скорость транс­порта этих ионов; сердечные гликозиды (дигитоксин и оуабаин) явля­ются специфическими ингибиторами Na, К-АТФ-азы и Na-Hacoca. В 1960 г. П. Колдвэллом (P. Caldwell) было доказано, что источником энергии для функционирования натриевого насоса служит гидролиз АТФ. А. Ходжкин (A. Hodgkin) в экспериментах на гигантском аксо­не кальмара подтвердил наличие АТФ-зависимого выведения ионов. В гигантский аксон вводили радиоактивный изотоп Na и исследовали динамику выхода ионов. После блокирования цианидом синтеза АТФ откачка натрия прекращалась, но полностью возобновлялась после вве­дения в аксон АТФ (рис. 3.12). Такого же эффекта можно добиться при инъекции в аксон беспозвоночных аргининфосфата, а в экспери­ментах с нервами позвоночных — креатинфосфата (рис. 3.13). В опы­тах на тенях эри­троцитов было также доказано, что для актива­ции АТФ-азы и транспорта ио­нов Na и К че­рез мембрану тре­буется опреде­ленное соотно­шение концент­рации ионов Na и К внутри клетки и только наличие в ней АТФ слу­жит эффектив­ным субстратом для активации Na, К-АТФ-азы.

Оуабаин и другие стероидные ингиби­торы подавляют ак­тивность АТФ-азы при экстраклеточном воздействии на эрит­роциты. Каким же образом АТФ обес­печивает активный транспорт ионов Na и К? В присут­ствии ионов Na и Mg АТФ фосфорилиру- ет Na, К-АТФ-азу. Участком фосфори- лирования служит остаток аспартата фермента. В присут­ствии иона К проис­ходит гидролиз фосфорилированного промежуточного продукта Е — Ф_н. Для процесса дефосфорилирования не требуется ни ион Na, ни ион Mg:

Е

Рис. 3.13. Влияние последовательного введения креатинфосфата и аргининфосфата на выход натрия из аксона, отравленного цианидом. Средняя концент­рация креатинфосфата сразу же после введения была равна 15,3 ммоль, а средняя концентрация аргинии- фосфата — 15,8 ммоль

+ АТФ —» Е, - Ф_н + АДФ;

Е₂ ~ Ф_н + Н2О —> Е + Ф_н.

В процессе функционирования насос принимает по крайней мере две разные конформации — Е, и Е₂. Всего же в транспорте ионов Na, К и сопряженном с ним гидролизе АТФ участвуют не менее четырех

к

Рис. 3.14. Схема работы Na, К-АТФ-азы во время активного транспорта

онформационных форм фермента: Е ; Е, - Ф_н; Е₂ — Ф_н; Е₂ (рис. 3.14).

Несмотря на боль­шое количество данных о структуре Na, К-насо- са, механизм его дейст­вия изучен недостаточ­но. Особый интерес вы­зывает модель, в соответ­ствии с которой к струк­туре белка предъявляют­ся следующие требова­ния:

— в молекуле белка должна быть полость та­кой величины, чтобы в ней помещались небольшие мо­лекулы или ионы;

• белок должен существовать в двух конформациях, причем в одной полость должна быть открыта со стороны, обращенной внутрь клетки, а в другой — со стороны, обращенной наружу. Эти конформа­ции должны иметь разное сродство к транспортируемым компонентам.

С помощью схемы, представлешюй на рис. 3.15, можно проследить всю последовательность конформационных превращений фермента, пе­реноса ионов и обеспечение этих процессов за счет энергии АТФ. Справедливость такой модели подтверждается двумя экспериментами, показавшими, что ионы натрия «запускают» фосфорилирование, а ионы калия — дефосфорилирование. Оба эти процесса стабилизируют пер­вую и вторую конформационные формы фермента. Перемещение не­скольких атомов молекулы белка на 0,2 нм может изменить ориента­цию полости и сродство к ионам Na и К. Отметим, что при гидролизе одной молекулы АТФ происходит перепое трех ионов натрия и двух ионов калия. Следовательно, работа насоса генерирует электрический ток через мембрану. Максимальное число оборотов АТФ-азы состав­ляет 100 с~'. _

Р н с. 3.15. Модель функционирования Na, К-АТФ-азы.

Связывание Na (1) и последующее фоссрорнлнрованне (2) АТФ-азы со сторо­ны цитоплазмы индуцируют в белке конформационные изменения, в результате ко­торых Na* переносится через мембрану и высвобождается в межклеточное про­странство (3). Затем связывание К на внешней поверхности (4) и последующее дефосфорилирование (5) возвращают белок в первоначальную конформацию; при этом К* проходит через мембрану н высвобождается в цитоплазме (6). Эти изме­нения аналогичны переходам типа «пинг» — «понг»

Особенно важно то, что действие Na, К-АТФ-азы обратимо, и в модельной системе фермент может синтезировать АТФ из АДФ и Ф_н.

Гипотетически такой синтез может происходить лишь в условиях рез­кого увеличения ионных градиентов, что возможно лишь при инкуба­ции эритроцитов в среде с высокой концентрацией натрия и низкой концентрацией калия.

Са-АТФ-аза

Существуют два типа Са-АТФ-аз: одна из этих ферментативных систем обеспечивает выброс Са²⁺ из клетки в межклеточную среду (Са-насос плазматических мембран), другая — аккумуляцию ионов Са из цитоплазмы во внутриклеточное депо (Са-насос внутриклеточных мембран). Примером первого типа может служить Са-насос эритроци­тов, второго — Са-насос саркоплазматического ретикулума. Они оба способны создавать более чем 1 000-кратный градиент Са²⁺ на своих мембранах, регулируя в клетке уровень иона Са, который обусловлива­ет многие стороны жизнедеятельности клетки. Са-АТФ-аза активиру­ется низкими концентрациями Са²⁺ с К_а — 10^-7 ммоль/л, а высокий уровень Са²⁺ (1 — 5 ммоль/л) тормозит ее активность.

Очищенный фермент не теряет своей активности в среде с фосфо­липидами или детергентами, обладающими сходным гидрофильно-липо- фильным коэффициентом и характеризующими распределение веще­ства между полярной и неполярной фазами. Структурной единицей фермента является мономер с относительной молекулярной массой 100 ООО — 150 ООО, способный объединяться в олигомерные комплек­сы в мембране. Каждый мономер содержит два Са²⁺-связывающих центра и один АТФ-связывающий, способный к обратимому фосфори- лированию от АТФ в среде с Са²⁺ и Mg²⁺ и от Ф_н — в среде с Mg²⁺. Обнаружены два вида ферментов, превращение которых сопровожда­ется переносом Са²⁺ с одной стороны мембраны на противоположную, а в обратную сторону осуществляется перенос двух протонов. Ниже представлена суммарная схема процесса:

Е + Mg АТФ + 2Са_вн —»Е — Ф_н Са²⁺ —* Е + Ф_н + 2Са_нар.

Из схемы видно, что стехиометрия транспорта Са²⁺/АТФ равна 2, причем Са-насос может использовать энергию многих других субстра­тов для транспорта Са²⁺, хотя и с разной молекулярной активностью. Оуабаин и олигомицин — специфические ингибиторы Na, К-АТФ-азы, и АТФ-азы митохондрий не блокируют Са-АТФ-азу. Она ингибирует­ся рутениевым красным, ванадатом и рядом SH-реагентов (мерса- лилом, N-этилмалеимидом и др.).

К, Н-АТФ-аза

К, Н-АТФ-аза слизистой оболочки желудка и кишечника нечув­ствительна к оуабаину, ионам Na и бикарбонату, но ингибируется фто­ридом, дициклогексилкарбодиамидом, N-этилмалеимидом, Zn²⁺ и Ва²⁺, а оптимальный pH равен 7,5. В процессе гидролитического цикла фер­мент образует фосфорилированный интермедиат, который быстро распадается под влиянием иона К и более стабилен при его отсут­ствии. В замкнутых мембранных препаратах наблюдается активация К, Н-АТФ-азы валиномицином, что свидетельствует о наличии «замас­кированных» (недоступных для ионов К) центров. Количество зам­кнутых везикул, ориентированных К-центрами внутрь, может со­ставлять от 30 до 100 %. Фермент К, Н-АТФ-аза специфичен по отношению к субстрату. Он гидролизует АТФ с высокой скоростью: очищенные препараты обладают активностью до 110 мкмоль АТФ на 1 мг белка в 1 ч (при 37 °С); гуанозинтрифосфат и цитидинтрифос- фат гидролизуются со скоростью, в 7 — 9 раз меньшей, а инозинтри- фосфат не гидролизуется вообще. К, Н-АТФ-аза — олигомерный бе­лок. В очищенных препаратах фермента выделяются два пептида с относительной молекулярной массой 84 ООО — 100 000, а также минор­ные белковые компоненты. Активность фермента зависит от липидно­го окружения и физико-химического состояния бислоя. Стехиометрия транспорта составляет 4Н⁺/1АТФ. С. И. Бонтинг (S. I. Bonting) предполагал участие ферментной системы в регуляции уровня по­вышенной кислотности желудочного сока. Вероятно, аналогичные К, Н-АТФ-азы функционируют в мембранах бактерий.

В 1965 г. была обнаружена другая аниончувствительпая АТФ-аза в микросомах слизистой желудка лягушек. Гидролиз АТФ этой систе­мой активизировался двумя анионами (бикарбонатом и хлоридом) и сопровождался их транспортом через мембрану. Тиоцианат, ингибиру­ющий транспорт анионов, подавлял и АТФ-азную активность. Предпо­лагается, что обнаруженная активность отражает процесс, который про­текает в клетках, секретирующих соляную кислоту.

В цитоплазме

Н₂0 + С0₂ -» карбоангидраза -» Н⁺ + НСО_э.

В мембране

С1_Н,„ + НСО,_пн + АТФ —» анионная АТФ-аза -»

-> d_BH + нсо_3нар + АДФ + Ф_н.

Таким образом, в секретирующих клетках может накапливаться соля­ная кислота, а вне их — бикарбонат-ион, регулирующий pH среды.

Аниончувствительные АТФ-азы обнаружены в выделительной тка­ни, поджелудочной железе, клетках мозга и асцитных клетках. Они найдены как в митохондриальной фракции, так и во фракции ПМ. Анионные АТФ-азы этих двух фракций различались по чувствительно­сти к олигомицину, кверцетину, ауровертину D.

В табл. 3.1 приводятся важнейшие свойства мембранных АТФ-аз, транспортирующих различные катионы. В транспорте органических веществ участвуют и другие механизмы. Создаваемый активным транс­портом электрохимический градиент ионов Na обеспечивает энергией транспорт аминокислот и сахаров в животных клетках. Многие актив­ные транспортные процессы непосредственно не зависят от гидролиза АТФ, но сопряжены с потоком ионов по электрохимическому градиен­ту, т. е. являются вторично-активным транспортом. Во многих живот­ных клетках ионы Na и глюкоза связываются со специфическим транс­портным белком и одновременно проникают в клетку.

Таблица 3.1

Транспортные АТФ-азы

Фермент	Тип клеток	Локализация	Функция
Na, К-АТФ-аза	Большинство жи­вотных и расти­тельных клеток	Плазматическая мембрана	Поддерживает высокую внутриклеточную кон­центрацию К
Н-АТФ-аза	Обкладочные клеткн слизистой желудка	Плазматическая мембрана	Секреггирует Н* в желу­дочный сок
Н-АТФ-аза	Животные н расти­тельные клетки, бактерии	Внутренняя мембрана митохондрий, внутренняя мембрана хлоропластов, плазматическая мембрана	Участвует в окислитель­ном фотосинтетическом фосфорилировании АДФ до АТФ
Са-АТФ-аза	Животные клетки	Плазматическая мембрана	«Выкачивает» Са2"нз клеток, способствуя их накоплению в цитозоле
		Саркоплазматиче- ский ретику лум	Способствует накоплению Са2* в цистернах сарко- плазматического рстику- лума, вызывая расслаб­ление мышц

Мембранный липидный бислой непроницаем для значительно­го количества полярпых молекул, для транспортировки которых в плаз­матических мембранах имеется большое число специфических транс­портных белков, формирующих транспортные пути через липидный бислой. Они называются белками-переносчиками. Последние облегча­ют диффузию растворенного вещества через бислои. Другие белки испытывают ряд конформационных изменений, вызываемых гидроли­зом АТФ или связыванием ионов, в результате чего способны работать как насосы, транспортируя ионы против электрохимического гра­диента.