Молекулярные основы первично-активного транспорта ионов

 

В большинстве случаев источником энергии для первично-активного транспорта ионов является АТФ. Вот почему большинство ионных насосов одновременно являются ферментами, гидролизующими АТФ, – АТФазами. Все транспортные АТФазы прокариотических и эукариотических клеток делятся на АТФазы Р-, V- и F-типа.

Общим свойством АТФаз Р-типа является способность образовывать ковалентный фосфорилированный интермедиат (Р), участвующий в реакционном цикле. К этим АТФазам относятся Nа/К-АТФаза, Са-АТФаза и Н-АТФаза плазматической мембраны эукариотических клеток, а также Са-АТФаза эндо(сарко) плазматического ретикулума и К-АТФаза наружной мембраны прокариот (Е. coli, Streptococcus faecalis). Предполагают, что высокоспецифичное (Кm = 10–30 мкМ) поглощение ионов калия клетками растений может обеспечиваться К+,Н+-АТФазой, К+-АТФазой и(или) К+,Н+-симпортером. Эти переносчики начинают активно действовать при микромолярных концентрациях калия во внешней среде, а насыщение наступает при концентрации ионов К+ более 200 мкМ. Скорость обращения этих переносчиков составляет 102 - 104 ионов в секунду. Они способны аккумулировать калий клетками при 106-кратном градиенте его концентрации на мембране.

В процессе функционирования АТФаз Р-типа при гидролизе АТФ остаток фосфорной кислоты переносится на карбоксильную группу аспартата активного центра и образуется фосфорилированная форма фермента (Е-Р). Эффективным ингибитором АТФаз[A23] Р-типа является ванадат-ион, который способен замещать фосфат в активном центре фермента. Различные АТФазы Р-типа отличаются друг от друга по чувствительности к любым другим модификаторам, кроме ванадата, который является сильным ингибитором именно этого типа транспортных АТФаз. Например, Н+-АТФаза плазматических мембран ингибируется диэтилстильбестролом (ДЭС) и высокими концентрациями дициклогексилкарбодиимида (ДЦКД), Nа/K-АТФаза - сердечными гликозидами, Са2+-АТФаза плазмалеммы активируется белком кальмодулином и угнетается рутениевым красным, SH-реагентами (мерсалил, N-этилмалеимид и др.) и эритрозином В, а Са-АТФаза саркоплазматического ретикулума – тапсигаргином.

Ион-транспортирующие АТФазы V-типа относятся к мембраносвязанным структурам, которые отличаются от митохондрий и эндоплазматического ретикулума. Они обнаруживаются в вакуолях дрожжей и тонопластах растений, а также в лизосомах, эндосомах и секреторных гранулах. Большинство этих АТФаз являются переносчиками протонов и участвуют в транспорте анионов, аминокислот, репарации мембран при эндо- и экзоцитозе. Для них не установлено образования ковалентно-связанного интермедиата в ходе каталитического цикла. Кроме ДЦКД, АТФазы V-типа блокируются нитратом, хаотропными веществами (КSCN) и SH-реагентами. Ни ванадат (ингибитор Р-типа АТФаз), ни олигомицин (ингибитор F-AТФаз) не действуют на эти системы.

На рис. 48 приведена схема функционирования электрогенных протонных насосов тонопласта.[A24]

 

Рис. 48. Электрогенный транспорт ионов водорода Н+-АТФазой и Н+-пирофосфатазой (Н+-РРазой)

 

Транспорт ионов водорода внутрь вакуоли осуществляется двумя ферментами, один из которых использует энергию АТФ (Н-АТФаза), а второй – пирофосфата (Н-РРаза).

 

Оба фермента катализируют электрогенный транспорт протона из цитозоля в вакуоль, создавая на тонопласте электрический (от +20 до +50 мВ) и химический (от 1,5 до 4,5 единиц рН) градиенты. Эта энергия используется в процессе вторичного активного транспорта ионов в режиме унипорта или антипорта. Ионы Cl-, NO3- и малата (Mal2-) входят в вакуоль, а ионы Са выходят из вакуоли по градиенту электрического потенциала. Ионы Na, Са и сахара входят внутрь вакуоли в обмен на Н+. Следует отметить[A25], что на долю Н+-РРазы приходится от 1 до 10% белков тонопласта, поэтому она способна создавать почти такой же (если не больший), как и Н-АТФаза, градиент концентрации протонов на мембране тонопласта.

АТФазы F-типа (называемые (F0+F1)-АТФазами) обнаруживаются в мембранах бактерий, в хлоропластах и митохондриях. Они имеют очень сложное устройство: содержат водорастворимую часть F1, состоящую из нескольких субъединиц и обладающую каталитической активностью (способна катализировать как синтез, так и гидролиз АТФ), и гидрофобную часть F0, участвующую в транслокации Н+. Основные различия между этими ферментами обнаруживаются не в структуре F1-части, а в гидрофобном F0-компоненте, погруженном в мембрану. Число полипептидов в F0 может колебаться от 3 до 8. Активность F-АТФаз подавляется олигомицином, ДЦКД, вентурицидином, ионами кадмия. В клетке ферменты первых двух типов выступают как потребители, а третьего – как продуценты АТФ. Ниже рассмотрены наиболее подробно изученные транспортные АТФ-азы.

 6.4.1. Na/K-АТФаза

Na/K-АТФаза представляет собой сложный белок, встроенный в наружную мембрану клетки и имеющий центры связывания для ионов натрия и калия, а также активный центр, где осуществляются связывание и гидролиз АТФ (рис. 49[A26]).

 

 

Рис. 49. Схема расположения Na/K-АТФазы в клеточной мембране (а) и структура ее специфического ингибитора уабаина (б)

 

Расположение N- и С-концов полипептидных цепей указано соответствующими буквами. Мембранная часть α-субъединицы представлена 10 α-спиралями (колоннами), пересекающими мембрану и образующими несколько петель. Петля между 2 и 3 колоннами принимает участие в формировании центра связывания ионов. На петле между 4 и 5 колоннами локализованы центр связывания АТФ и участок фосфорилирования (Р). К С-концу β-субъединицы присоединены гликозильные радикалы. Звездочками отмечены вероятные участки связывания специфического ингибитора Na/K-АТФазы - уабаина.

 

Функциональная единица фермента состоит из двух полипептидных цепей: большей (α-субъединицы) и меньшей (β-субъединицы), входящих в состав ферментного комплекса в соотношении 1:1. Меньшая субъединица пересекает мембрану только один раз, в то время как большая – много раз, образуя 5 двойных петель, при этом оба конца пептидной цепи обращены в[A27] цитоплазму. Активный центр фермента также обращен в цитоплазму и доступен для цитоплазматического АТФ. Центры связывания переносимых ионов локализованы в петле между второй и третьей спиралями, пронизывающими мембрану.

Таким образом, α-субъединица может выполнять функцию насоса независимо от β-субъединицы. Однако оба полипептида образуют компактную глобулу, насквозь пронизывающую мембрану.

Та часть β-субъединицы, которая обращена во внеклеточную среду, несет на себе ковалентно присоединенные углеводные фрагменты.

По массе и наличию углеводов этот полипептид можно отнести к лектинам – мембранным гликопротеинам, которые отвечают за межклеточное узнавание и адгезию. В процессе белкового синтеза обе субъединицы встраиваются в мембрану одновременно. Существуют данные, согласно которым β-субъединица обеспечивает правильную ориентацию α-субъединицы в мембране.

Гидролизуя АТФ, чтобы обеспечить энергией активный транспорт ионов, Na/K-АТФаза осуществляет сложную многостадийную реакцию, в которой участвуют ионы натрия, калия и магния, а также АТФ. Фермент имеет лабильную структуру. Он легко изменяет свою конформацию (так называют взаимное расположение и упаковку отдельных частей молекулы белка в пространстве, см. выше) в зависимости от того, какой ион к нему присоединяется.

Уже в ранних исследованиях было показано, что в присутствии натрия фермент легко взаимодействует с АТФ, в результате чего терми-нальный фосфат АТФ переносится на карбоксил аспарагиновой кислоты белковой цепи, образуя фосфорилированный фермент (Е–Р, где Е обозначает молекулу белка-фермента, а Р – фосфорильный остаток).

Фосфофермент является промежуточным продуктом АТФазной реакции. Он может находиться в двух конформационных состояниях, условно обозначаемых как Е1 и Е2. Первая форма обладает повышенным сродством к ионам натрия, а вторая – к ионам калия. Переход между ними сопровождается изменением сродства белковой молекулы к переносимым катионам. В настоящее время цикл Na/K-АТФазы охарактеризован более подробно. Основные стадии можно описать следующим образом (рис. 50[A28]).

 

Рис. 50. Реакционный цикл Na/K-АТФазы

 

Когда фермент находится в состоянии Е1, он способен взаимодействовать с ионами натрия и АТФ с внутренней стороны мембраны. В результате фосфорилирования молекулы образуется E1P, а АДФ высвобождается из активного центра и возвращается в цитоплазму.

Фосфорилированный белок переходит в состояние, при котором ионы натрия не способны высвобождаться ни по внутреннюю, ни по внешнюю стороны мембраны – они недоступны для обмена, окклюдированы.

Переход фермента в следующую стадию активируется ионами магния. Хотя специальных центров связывания магния на молекуле фермента не обнаружено, его эффект очень важен – он заключается в ускорении перехода фосфорилированного фермента из конформации E1 в конформацию Е2. Эта стадия отражает молекулярные перемещения отдельных частей белковой глобулы, связанные с непосредственным переносом[A29] ионов натрия через мембрану. Таким образом, этот процесс осуществляется синхронно с конформационным переходом E1 – Е2. Вследствие этого окружение центра связывания ионов становится более гидрофобным, и ионы натрия диссоциируют от фермента по другую сторону мембраны, где с этим же центром связываются ионы калия. Калий подвергается такой же окклюзии, что и натрий, и в ходе этого процесса осуществляется перенос ионов калия через мембрану.

Конформационная перестройка, претерпеваемая белком при переходе E1 – Е2, обеспечивает перестройку ионных центров и последующее перемещение петли, содержащей центр связывания ионов, внутрь мембраны. Это приводит к изменению сродства к переносимым ионам и одновременно делает ионный центр доступным для внешней или внутренней среды.

Комплекс Е2Р отличается от своего предшественника тем, что окружение фосфатной группировки становится более гидрофильным и фосфат оказывается доступным для атаки молекулой воды. Происходят водный гидролиз Е–Р (дефосфорилирование фосфофермента) и высвобождение неорганического фосфата во внутриклеточную среду. После этого ионы калия также диссоциируют от центра связывания, высвобождаясь в цитоплазму. Последняя стадия цикла одновременно подготавливает фермент для начала нового цикла – конформер Е2 превращается в конформер E1, вновь приобретающий способность взаимодействовать с ионами натрия. Этот процесс ускоряется АТФ, повышающим сродство фермента к натрию и понижающим его сродство к калию.

Таким образом, за полный гидролитический цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ. Так происходит активный транспорт ионов натрия из клетки и калия в клетку, а энергия АТФ тратится на оплату перехода фермента из одной конформации в другую. Таким образом, в ходе ферментативного процесса перенос ионов натрия и калия осуществляется одним и тем же ионным центром фермента, последовательно изменяющим[A30] свое сродство к переносимым ионам при изменении конформации Na/K-АТФазы.

Ионные центры фермента расположены в петле между 2 и 3 α-спиральными участками фермента, пересекающими мембрану. Взаимодействие ионов с этими центрами обеспечивается благодаря координационным связям с атомами кислорода, принадлежащими дикарбоновым аминокислотам белка – аспарагиновой и глутаминовой. В образовании координационных связей с ионами должны принимать участие 12 атомов кислорода карбоксильных групп дикарбоновых аминокислот белка. Точная упаковка этой петли не установлена, однако в ее состав входят 15 дикарбоновых аминокислот, так что выбор групп для образования центра связывания ионов вполне достаточен.

Кислород способен осуществлять координационные взаимодействия с лигандами, образуя решетку одного из двух типов. В одном случае получается рыхлая и доступная для молекул воды структура, а в другом атомы упакованы более плотно и не доступны для гидрофильных группировок. В первом случае ионный центр может связать три иона натрия, а во втором – два иона калия. Этим и объясняется тот факт, что при гидролизе одной молекулы АТФ фермент обменивает три иона натрия на два иона калия (рис. 51).

 

 

Рис. 51. Связывание ионов натрия и калия в ионных центрах фермента а – кристаллическая решетка, создаваемая 12 кислородными атомами дикарбоновых аминокислот в конформации, соответствующей связыванию трех ионов Натрия (Е1) или двух ионов калия (Е2); б – петля между 2 и 3 колоннами пептидной цепи α-субъединицы, участвующая в формировании ионного центра (точками указана локализация дикарбоновых аминокислот).

 

Вдвигание петли между 2 и 3 колоннами при конформационном переходе фермента обеспечивает изменение доступности для ионов ионного центра с наружной или внутренней стороны мембраны.

 

Оценивая размеры белковых глобул Na/K-АТФазы на электронно-микроскопических фотографиях, исследователи обнаружили, что размеры фермента превышают молекулярную массу протомера, рассчитанную из его первичной структуры. Это противоречие можно было объяснить таким образом, что отдельные функциональные единицы фермента в мембране (протомеры) «сплываются», образуя более крупные ансамбли из нескольких молекул, называемые олигомерами. Если допустить в первом приближении, что каждая функциональная единица Na/K-АТФазы представляет собой пронизывающий мембрану цилиндр, то электронно-микроскопические размеры белковых глобул соответствуют тому, что в состав белкового олигомера входят четыре таких цилиндра – (α + β)-протомера[A31].

 

Сопоставление скоростей реакции, катализируемой ферментом, работающим в виде олигомерного ансамбля (при гидролизе АТФ) или в виде независимых протомеров (при гидролизе других субстратов, например, ГТФ), показывает, что, объединяясь в ансамбли, молекулы фермента демонстрируют большую скорость функционирования. В этом и заключается биологическое значение олигомерной структуры фермента. Интересно, что олигомеры образуются лишь в случае использования АТФ. Это показывает, что кроме роли источника энергии АТФ может выполнять в клетке дополнительную регулирующую роль, которая заключается в синхрони[A32] зации работы отдельных протомеров Na/K-АТФазы в виде олигомерного ансамбля.

Активность Na/K-АТФазы в клетке регулируется многими факторами. На первом месте стоят соотношение Na/K и доступность АТФ – это факторы так называемой краткосрочной регуляции активности. Содержание АТФ в клетке, как правило, мало изменяется в нормальных условиях, хотя может резко снижаться при патологических нарушениях. В таком случае снижение уровня АТФ будет критическим для поддержания достаточной активности Na/K-насоса. Соотношение Na/K в клетках зависит от многих факторов и, в свою очередь, является фактором, регулирующим функционирование Na/K-насоса.

В клетке Na/K-АТФаза подвергается фосфорилированию рядом протеинкиназ (ферментов, которые переносят терминальный фосфат АТФ на белки-мишени и тем самым модифицируют их активность). Установлено, что в молекуле Na/K-АТФазы протеинкиназы могут фосфорилировать остатки треонина или серина. Эти фосфорилирующиеся участки расположены вне активного центра; функциональное значение данного явления окончательно не установлено. Показано, что фосфорилирование Na/K-АТФазы протеинкиназами уменьшает ее активность.

Возможно, что механизм подавления активности вызывается cтерическим препятствованием фосфорилированного протомера образовать олигомерный ансамбль. Таким образом, этот пример можно считать иллюстрацией долгосрочной регуляции активности. Восстановить свою активность после атаки протеинкиназ Na/K-АТФаза может при помощи других регуляторных ферментов – фосфатаз, которые обеспечивают дефосфорилирование белков. К долгосрочным механизмам можно отнести и гормональную регуляцию синтеза Na/K-АТФазы, осуществляющуюся на уровне генетического аппарата (например, активацию синтеза фермента гормоном, регулирующим минеральный обмен, – альдостероном).

Интересную проблему представляет ингибирование Na/K-АТФазы сердца уабаином и другими сердечными гликозидами.

Механизм действия уабаина и родственных ему алкалоидов[A33] растительного происхождения на организм человека и животных был долгое время неясным, хотя их длительное применение в медицине в качестве кардиотонических препаратов оправдывало присвоение им названия сердечных гликозидов.

Изоформа Na/K-АТФазы, обнаруживаемая в клетках сердца, гораздо более чувствительна к уабаину, чем, например, изоформа фермента, обнаруживаемая в почечной ткани. Причины различий сродства к уабаину разных изоформ фермента кроется в первичной структуре – точечные замены делают α1-субъединицу резистентной, а α2 и α3 – чувствительными к нему.

Благодаря этому ткани, содержащие уабаин‑чувствительные формы фермента (сердечная мышца, мозг) приобретают способность реагировать как на экзогенные, так и на эндогенные гликозиды, избирательно понижающие насосные функции клеток.

Биологическое значение наличия уабаин-чувствительных форм Na-насоса разнообразно. Одна из форм участия этого фермента в передаче внутриклеточных сигналов будет рассмотрена ниже.

Здесь мы обратим внимание на то обстоятельство, что, как правило, уабаин-чувствительная АТФаза экспрессируется в тех же клетках, в которых имеется Na/Ca-обменник. Частичное ингибирование Na-насоса приводит к росту внутриклеточного уровня натрия и позволяет восстановить уровень внутриклеточного кальция с помощью этого механизма. Вот почему применение уабаин-подобных лекарственных препаратов (например, экстракта наперстянки) устраняет сердечную недостаточность.

 

6.4.2. Н+-АТФаза

 

Н+-АТФаза использует энергию, освобождающуюся при гидролизе АТФ для того, чтобы переносить через клеточную мембрану ионы водорода. Особая роль Н+-АТФазы у растений заключается в том, что, выкачивая протоны из клетки наружу, она не только поддерживает рН цитоплазмы близкий к нейтральному (что очень важно для протекания многих ферментативных процессов), но и создает на мембране разность потенциалов, во многом определяя электрические свойства высших растений. В отличие от этого Н+-АТФаза лизосом[A34] животных и вакуоли растений выкачивает протоны из цитоплазмы, но не наружу, а в эти компартменты клетки.

Н+-АТФаза – это интегральный белок, полипептидная цепь которого так же, как и Na/K-АТФаза, десять раз пересекает поверхностную (плазматическую) мембрану. Молекулярная масса одной субъединицы фермента – 104 кД. Полагают, что в мембране Н+-АТФаза функционирует в виде олигомера и состоит из двух субъединиц. В молекуле Н+-АТФазы различают несколько доменов, из которых основные – это домен, связывающий АТФ четырьмя местами связывания, и домен, имеющий отношение к переносу протона (включающий протонный канал). Истинным субстратом Н+-АТФазы, как и для Na/K-АТФазы, является не сама АТФ, а ее комплекс с магнием (Mg-АТФ). В процессе работы Н+-АТФа-за подвергается фосфорилированию – дефосфорилированию и обратимо меняет свою конформацию:

 

 

При этом она переходит из формы Е1 в форму Е2. В форме Е1 она связывает протон на внутренней стороне мембраны, а в форме Е2 освобождает его на наружной стороне. На 1 мкм² поверхности мембраны приходится 10⁴ молекул Н+-АТФазы. Каждая молекула работает со скоростью от 20 до 100 оборотов в секунду и переносит от 10⁵ до 10^б протонов в секунду на 1 мкм2. Как правило, отношение количества перенесенных протонов к количеству гидролизованных молекул АТФ равно 1.

С функционированием Н+-АТФазы в растительной клетке связана работа вторичных систем активного транспорта (рис. 52).

 

 

Рис. 52. Роль Н+-АТФазы во вторично активном транспорте Н+-АТФаза создает на мембране градиенты. Системы вторично активного транспорта используют их для переноса внутрь клетки протона и веществ (симпорт) или протона внутрь и веществ наружу (антипорт).

 

Н+-АТФаза путем генерации электрического и концентрационного градиентов обеспечивает энергией работу самых разнообразных систем вторичного активного транспорта, находящихся в клеточной и вакуолярной мембранах.

 

Са-АТФазы

Кальциевые АТФазы, входящие в состав цитоплазматических или внутриклеточных мембран, различаются по ряду свойств. Все они представляют собой мономерные белки, то есть состоят из единственной полипептидной цепи, хотя несколько различаются по молекулярной массе. Так, Са-АТФаза саркоплазматического ретикулума имеет молекулярную массу 108 кД, а Са-АТФаза плазматической мембраны – 120 кД. Хотя они имеют определенную гомологию в структуре и безусловно близки по функциональным свойствам, интересно отметить, что они образуются при участии различных генов. И в каждом случае в образование молекулы насоса вовлекается несколько генов.

Лучше всего изучена Са-АТФаза саркоплазматического ретикулума поперечнополосатых мышц. В общих чертах расшифрована последовательность стадий при работе Са-АТФазы (рис. 53).

 

Рис. 53. Цикл работы Са-АТФазы

1 – связывание ионов кальция, 2 – связывание АТФ, 3 – образование фосфофермента, 4 – отщепление ионов кальция, 5 – гидролиз фосфофермента, 6 – возвращение фермента в исходное состояние[A35].

 

 

Работа насоса замечательна тем, что стадии гидролиза АТФ чередуются со стадиями переноса Са2+: связывание двух ионов кальция на поверхности АТФазы, обращенной в цитоплазму; связывание на той же поверхности молекулы АТФ; фосфорилирование белка (образование ЕР) и высвобождение АДФ; высвобождение ионов кальция с поверхности АТФазы, происходя[A36] щее во внутреннюю полость СР; гидролиз фосфатной связи; переход молекулы фермента в исходное состояние (центры связывания кальция оказываются опять на цитоплазматической стороне СР).

Са-АТФаза саркоплазматического ретикулума скелетных мышц пронизывает мембрану (рис. 54).

 

 

Рис. 54. Общая схема строения Са - АТФазы

 

Более короткая петля расположена между 2 и 3, более длинная – между 4 и 5 α-спиралями. Длинная петля содержит АТФ-связывающий участок, включающий остаток аспарагиновой кислоты, к которому присоединяется фосфат. Связывание ионов Са2+ происходит на участке, образованном малой петлей (между 2 и 3 α -спиралями), возможно, с участием аминокислотных остатков, прилежащих к 1 и 4 спиралям. В местах связывания собрано несколько остатков аспарагиновой кислоты, несущих отрицательные заряды.

 

 

Белая линия – полипептидная цепь Са-АТФазы саркоплазматического ретикулума, серая – участки цепи Са-АТФазы цитоплазматической мембраны. Цилиндры – α-спиральные участки, пронизывающие мембрану, NН2 – N-конец полипептидной цепи, СООН – С-конец. Овалы обозначают участки связывания: Са2+ – ионов кальция, Mg-АТФ – молекулы АТФ, ФЛБ – фосфоламбана (у Са-АТФазы саркоплазматического ретикулума), КМ – кальмодулина (у Са-АТФазы плазматической мембраны), Р – участок фосфорилирования.

 

Са-АТФаза плазматических мембран в отличие от АТФазы СР содержит дополнительную полипептидную петлю, экспонированную в цитоплазму и образуемой С-концом. На этом домене имеется центр связывания кальмодулина – регуляторного белка, который помимо других функций регулирует активность Са-АТФазы плазматической мембраны. Белком-регулятором Са-АТФаз эндоплазматических мембран (в частности, СР) является фосфоламбан, который присоединяется к Са-АТФазе неподалеку от места фосфори[A37] лирования и тормозит работу фермента за счет уменьшения сродства участков связывания к Са2+.

Специальные внутриклеточные регуляторные системы контролируют связь фосфоламбана с АТФазой за счет фосфорилирования фосфоламбана специфическими протеинкиназами. Фосфорилированный фосфоламбан не обладает способностью связываться с Са‑АТФазой и снижать ее активность. Таким образом, Са-насос в клетке находится под множественным контролем.

Несмотря на противоположное действие, кальмодулин и фосфоламбан имеют схожую структуру – сравнение аминокислотных последовательностей показывает, что многие участки полипептидной цепи у них совпадают.

Обращает на себя внимание, что для всех известных транспортных АТФаз, переносимые ими ионы могут рассматриваться как субстрат наряду с Mg-АТФ. При этом переносимый ион должен рассматриваться с одной стороны мембраны как субстрат, а с другой стороны – как продукт транспортного процесса. Однако такие представления требуют привлечения кинетики двух-субстратных реакций и оказываются слишком сложны для анализа[A38].

////