6.3.1.3. Транспорт фосфата через мембраны

Транспорт Ф_н через плазмалемму. Поступление в клетку через плазмалемму, или вход, происходит против «крутого» электрохимического потенциала на мембране и обеспечивается белками-транспортерами. Выход Ф_н из клетки происходит пассивно через канал.

Идентифицированы два подсемейства фосфатных транспортеров плазмалеммы: 1) РТ — индуцируемые, с высоким сродством к переносимому аниону (К_т = 3 — 7 мкМ); 2) Pht — конститутивные, с низким сродством к фосфату (К_т = 50 — 330 мкМ). Механизм транспорта: симпорт с 2Н⁺ или 4Н⁺. Транспорт Ф_н через плазмалемму зависит от ∆рН и не зависит от ∆Е (рис. 6.34).

Рис. 6.34. Схема распределения транспортных систем Ф_н в мембранах растительной

клетки:

О — Н⁺-АТФазы плазмалеммы; ∆ — Н⁺-АТФаза тонопласта; — пирофосфатаза тонопласта; РТ — фосфатный транспортер высокого сродства; Pht — фосфатный транспортер низкого срод­ства; 1,2 — системы транспорта Ф_н из клетки (2 — предположительно канал); 3, 4 — системы входа и выхода на тонопласте; 5—8 — фосфатные транслокаторы внутренней мембраны хлоро­пласта.(5— ТФТ; 6 и 7 — ФФТ; 8— ГФТ)

Фосфатные транспортеры — интегральные мембранные белки с молеку­лярной массой около 58 кДа. Каждый белок образует 12 гидрофобных внутри-мембранных доменов в конфигурации 6 + 6 (рис. 6.35). Две области, по 6 доме­нов каждая, соединены большой гидрофильной «петлей», ориентированной внутрь клетки.

Такой тип строения присущ многим транспортным белкам, которые объе­диняют в одно большое семейство MFS (major facilitator super family) — одно из самых больших семейств переносчиков, образованных одиночной полипептидной структурой, осуществляющих транспорт через мембраны небольших молекул за счет энергии хемиосмотического ионного градиента. Это семейство включает переносчики Сахаров, нуклеозидов, фосфата, нитрата, фосфорилированных органических соединений и других небольших молекул.

■ Рис. 6.35. Модель фосфатного транспортера.

В состав белка входях 12 мембраносвязанных доменов в конфигурации 6 + 6. Две области, по 6 доменов каждая, соединены большой гидрофильной «петлей», ориентированной внутрь клетки. Такой тип строения присущ многим транспортным белкам, которые объединяют в большое се­мейство MFS (Major Facilitator Super Family)

Множество фосфатных транспортеров высокого сродства обеспечивает транс­порт Ф_н через мембраны в различных тканях. В первую очередь, гены РТ экспрессируются в корнях растений, испытывающих дефицит по фосфору. Индук­ция наблюдается в клетках корневых волосков, эпидермальных клетках внеш­него слоя по всей длине корня и в поверхностных клетках протеоидных корней. Таким образом, фосфатное голодание приводит корни растений в состояние высокой готовности поглощать неорганический фосфат из среды после перио­да голодания даже при его ничтожных концентрациях. Гены РТ экспрессируются также в клетках других органов: листа, стебля, пыльцевой трубки, цветка (данные для томатов и картофеля).

О подсемействе транспортеров Ф_н низкого сродства известно пока немно­го: идентифицированы гены Pht, конститутивно экспрессированные в клетках корней и листа арабидопсиса.

Транспорт фосфата через тонопласт. Основной клеточный компартмент накопления свободного фосфата — вакуоль, где концентрации Ф_н достигают 25 мМ. Транспорт иона фосфата через тонопласт, так же как и через плазмалемму, осуществляется в двух направлениях: в и из вакуолярного компартмента (см. рис. 6.34). Движущей силой для транспорта ортофосфата в вакуоль явля­ется электрический градиент ∆Е и в значительно меньшей степени — протон­ный градиент Δ . В этом принципиальное отличие механизма транспорта Ф_н через тонопласт от транспорта через плазмалемму. Фосфатные транспортеры тонопласта еще предстоит идентифицировать и выделить.

Потоки фосфата через мембраны пластид. Особого внимания заслуживает транспорт Ф_н между цитозолем и пластидами. Пластиды содержат группу раз­личных по структуре белков «фосфатных транслокаторов», для переноса через мембрану в антипорте с Ф_н низкомолекулярных соединений: триозофосфатов, ФЕП и гексозофосфатов. Внутренняя мембрана хлоропласта высокоселек­тивна и содержит, в частности, триозофосфат/фосфат-транспортер (ТФТ) (см. рис. 6.34, 5). Этот белок присутствует исключительно в фотосинтезирующих

тканях. У мутантных растений с низким содержанием ТФТ в хлоропластах про­исходит избыточное накопление крахмала. В норме большая часть фиксирован­ного углерода на свету экспортируется из хлоропласта в виде фосфотриоз в обмен на Ф_н.

Еще один «фосфатный транслокатор» пластид — ФЕП/фосфат-транспортер (ФФТ) (см. рис. 6.34, 6). Транспорт ФЕП из цитозоля в хлоропласт необхо­дим для дальнейших реакций биосинтеза аминокислот, жирных кислот или предшественников шикиматного пути, так как хлоропласты и незеленые пла­стиды у большинства растений не содержат полный набор гликолитических ферментов для превращения гексозофосфатов и/или триозофосфатов в ФЕП. ФФТ высоко селективен: переносит только ФЕП и фосфат. В хлоропластах ме­зофилла С₄-растений, вероятно, ФФТ-подобный белок (см. рис. 6.34, 7) рабо­тает на вынос ФЕП из хлоропластов в цитозоль. В хлоропластах, где представ­лены и ТФТ, и ФФТ, в результате их совместной деятельности фосфотриозы обмениваются на ФЕП без видимого нетто-транспорта фосфата (см. рис. 6.34, 5и 6).

Незеленые пластиды в гетеротрофных тканях для импорта углерода содер­жат также гексозофосфат/фосфат-транслокатор (ГФТ) (см. рис. 6.34, 8). В амилопласты запасающих тканей транспортируется и Гл-6-Ф и Гл-1-Ф, которые идут затем на биосинтез крахмала.

Загрузка ксилемы. Для загрузки ксилемы существует специальный меха­низм транспорта Ф_н через мембраны клеток ксилемной паренхимы. Хорошо известен мутант арабидопсиса pho1, который не способен транспортировать фосфат в надземные органы. Другой, не менее известный, мутант арабидопси­са pho2, наоборот, аккумулирует фосфаты в надземной части в избыточных количествах. Примечательно, что ни один из девяти известных сегодня генов фосфатных транспортеров не является аллельным к pho1 и pho2. Это подтверж­дает особый характер транспортных процессов при загрузке ионов в сосуды ксилемы, которые до сих пор наименее изучены в физиологии минерального питания.