БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984
ТОМ 3
ЧАСТЬ V. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ
ГЛАВА 36. МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ
36.2. Открытие системы активного транспорта ионов натрия и калия
Большинство животных клеток имеет высокую концентрацию К+ и низкую концентрацию Na+ по сравнению с окружающей клетку средой. Градиенты этих ионов создаются специфической транспортной системой, называемой (Na+ + К+)-насосом, поскольку движение этих ионов взаимосвязано. Активный транспорт Na+ и К+ имеет огромное физиологическое значение. В самом деле, в организме животного на этот процесс затрачивается более трети АТР, расходуемой в состоянии покоя. Градиенты концентрации Na+ и К+ регулируют объем клетки, обеспечивают электрическую возбудимость нервных и мышечных клеток и служат движущей силой для активного транспорта Сахаров и аминокислот (разд. 36.10).
В 1957 г. Йенс Скоу (Jens Skou) открыл фермент, гидролизующий АТР только при условии добавления Na+и К+ в содержащую Mg2+среду. Этот фермент был назван (Na++ К+)-АТРазой:
Скоу предположил, что (Na+ + К+)-АТРаза является интегральной частью (Na+ + К+)-насоса и расщепление АТР обеспечивает энергией активный транспорт Na+ и К+. С тех пор был получен целый ряд доказательств того, что (Na+ + К+)-АТРаза - действительно составная часть (Na+ + К+)-насоса.
1. (Na+ + К+)-АТРаза обнаруживается во всех случаях, когда происходит активный транспорт Na+ и К+. Уровень ферментативной активности коррелирует с количеством транспортируемых ионов. Так, нервным клеткам свойственна высокая активность и (Na+ + К+)-АТРазы, и (Na+ + К+)-насоса, тогда как в эритроцитах оба этих показателя находятся на низком уровне.
2. И (Na+ + К+)-АТРаза, и насос прочно связаны с плазматической мембраной.
3. (Na+ + К+)-АТРаза и насос одинаково ориентированы в плазматической мембране.
4. Изменения концентраций Na+ и К+ оказывают одинаковое действие на АТРаз- ную активность и скорость транспорта этих ионов.
5. Кардиотонические стероиды являются специфическими ингибиторами и (Na+ + К+)-АТРазы, и (Na+ + К+)-насоса. Концентрация ингибитора, оказывающая полумаксимальный эффект, для обоих процессов одинакова.
Рис. 36.3. (Na+ + К+)-АТРаза [компонент Na+ + К+)-насоса] гидролизует АТР только в том случае, если в среде, содержащей Мg2+, одновременно присутствуют Na+ и К+
6. При обращении работы насоса в определенной ионной среде происходит синтез АТР из ADP и Рi.
36.3. И фермент, и насос ориентированы в мембране
Исследование (Na+ + К+)-насоса в тенях эритроцитов позволило установить, как ориентированы (Na+ + К+)-АТРаза и (Na+ + К+)-насос. В гипотонической солевой среде эритроцит набухает, и в его мембране появляются дырки. Из него выходит гемоглобин и остается светлая мембрана (тень). Содержимое набухшего эритроцита можно уравновесить с наружной средой. Если наружный раствор сделать изотоничным. то мембрана вновь становится барьером проницаемости. Следовательно, молекулярный и ионный состав среды внутри теней можно отрегулировать путем запечатывания их в соответствующей среде. Исследования процессов транспорта и ферментативной активности в тенях эритроцитов показало, что (Na+ + К+)-насос ориентирован следующим образом (рис. 36.4).
Рис. 36.4. (Na+ + К+)-насос строго ориентирован в плазматической мембране
1. Для активации АТРазы и переноса через мембрану ионы Na+ должны быть внутри, а ионы К+ - снаружи.
2. Только находящийся внутри клетки АТР служит эффективным субстратом АТРазы и используется для работы насоса.
3. Кардиотонические стероиды ингибируют насос и АТРазу только в том случае, если они находятся вне клетки (снаружи).
4. Ванадат-ионы ингибируют насос и АТРазу только при условии, что они находятся внутри клетки.
36.4. АТР транзиторно фосфорилирует натрий-калиевый насос
Каким образом АТР обеспечивает активный транспорт Na+ и К+? Ключом к решению этого вопроса оказалось наблюдение, что в присутствии Na+ и Mg2+ АТР фосфорилирует (Na++ К+)-АТРазу. Участком фосфорилирования служит боковая цепь специфического остатка аспартата. Далее в присутствии К+ происходит гидролиз фосфорилированного промежуточного продукта (Е—Р). Для реакции фосфорили- рования не требуется К+, а для реакции дефосфорилирования не требуются ни Na+, ни Mg2+:
Nа+-зависимое фосфорилирование и К+- зависимое дефосфорилирование - не единственные реакции, имеющие критическое значение. В процессе функционирования насос принимает по крайней мере две разные конформации, обозначаемые как Е1 и Е2. Всего же в транспорте Nа+ и К+ и сопряженном с ним гидролизе АТР участвует не менее четырех конформационных форм фермента: Е1, Е1—Р, Е2—Р и Е2 (рис. 36.5). При гидролизе одной молекулы АТР происходит перенос трех ионов Nа+ и двух, ионов К+. Следовательно, работа насоса генерирует электрический ток через мембрану. Другими словами, (Na+ + К+)-АТРазный насос электрогенен. Максимальное число оборотов АТРазы составляет около 100 с-1.
Рис. 36.5. Циклическое изменение конформации (Na+ + К+)-АТРазы в ходе катализа
Ионы ванадата (V5+) в наномолярных концентрациях ингибируют (Na+ + К+)- АТРазу. Этот пятивалентный ион фиксирует белок в форме Е2. Ванадат является аналогом переходного состояния, образующегося при гидролитическом отщеплении фосфорильной группы, так как он способен принять бипирамидальную структуру, подобную той, какую дает фосфат (рис. 36.6).
Рис. 36.6. Строение ванадат-иона (V5+). Лиганды вокруг этого иона располагаются в виде двойной пирамиды, т.е. так же, как вокруг атома фосфора при гидролитическом отщеплении фосфорильной группы
36.5. Транспорт ионов и гидролиз АТР тесно сопряжены
Важная характеристика насоса состоит в том, что в отсутствие транспорта Na+ и К+ не происходит гидролиза АТР. Другими словами, система так сопряжена, что энергия АТР не растрачивается впустую. Прочное сопряжение - общая особенность биологических систем, опосредующих превращение энергии. Вспомним, что и в митохондриях условием нормального потока электронов в дыхательной цепи служит одновременное генерирование АТР (разд. 14.13). Другой пример сформулированного принципа - обязательное сопряжение гидролиза АТР и мышечного сокращения.
Действие (Na+ + К+)-насоса можно обратить так, чтобы он приводил к синтезу АТР. Суммарный синтез АТР из ADP и Pi происходит в условиях резко увеличенных ионных градиентов. Это достигается инкубацией эритроцитов в среде с очень высокой (по сравнению с нормой) концентрацией Na+ и очень низкой концентрацией К+.