lekciya_15_biologicheskie_nasosy

Лекция № 14
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАСОСЫ
Термин «биологические насосы» закрепился в литературе с XIX в. Он появился
еще до возникновения взгляда на биомембрану как важнейший функциональный
компонент клетки. Вначале под биологическими насосами понимали какие-то
неизвестные механизмы, которые обеспечивают массоперенос в организме вопреки
элементарным законам физики и химии.
В середине XIX в. после блистательных успехов физико-химического изучения
жизнедеятельности появились факты, свидетельствующие о том, что всасывание
веществ в пищеварительном тракте, мочеобразование и лимфоотделение только
отчасти сводятся к процессам фильтрации и диффузии.
Позднее ученые разобрались во многих недоразумениях примитивного
приложения законов физики и химии к объяснению явлений жизни. Однако термин
«биологические насосы» продолжает жить в биологии. В последние годы с ними
зачастую отождествляют ионные насосы − системы активного транспорта Na+, К+,
Са2+, Н+ (натрий-калиевую, кальциевую, протонную помпы).
Активный транспорт. Активным транспортом называют трансмембранный
перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен был
бы происходить под действием физико-химических градиентов (прежде всего
концентрационного и электрического). Он направлен в сторону более высокого
электрохимического потенциала и необходим как для накопления в клетках (или
определенных органоидах) веществ, в которых они нуждаются, даже из среды с их
низкой концентрацией, так и для выведения из клеток (органоидов) тех агентов,
содержание которых там должно поддерживаться на низком уровне, даже при
повышении его в окружающей среде.
Свойства систем активного транспорта. Из определения активного
транспорта следует, что его важнейшим свойством является перенос веществ
вопреки действию физико-химических градиентов (вопреки электродиффузионному
уравнению Нернста−Планка), т. е. в сторону более высокого электрохимического
потенциала благодаря термодинамическому сопряжению концентрационного и
электрического градиентов с расходованием свободной энергии организма. Поэтому
система уравнений переноса выглядит так:
(48)
Химический потенциал (μх) количественно характеризует вклад ферментативных
реакций в свободную энергию биомембраны, необходимую для преодоления
сопряженного действия концентрационного и электрического градиентов. Если
изменения свободной энергии клетки, обеспечивающие активный транспорт через
мембрану, обусловлены макроэргами (АТФ), то в этих уравнениях: v − число молей
АТФ, затраченных на массоперенос, а μх равен приросту свободной энергии клетки при
гидролизе 1 моля АТФ (в стандартных условиях это составляет 31,4 кДж · моль-1).
1
Сказанное позволяет сформулировать второе характерное свойство систем
активного транспорта − необходимость энергетического обеспечения за счет свободной
энергии,
выделяющейся
либо
непосредственно
в
ходе
окислительновосстановительных реакций (речь идет о так называемой редокс-помпе), либо при
гидролизе макроэргов, синтезированных впрок при тех же реакциях. Необходимо
подчеркнуть, что свободная энергия, обеспечивающая активный транспорт, черпается
биомембранами в ходе химических процессов, связанных непосредственно с
переносом веществ через них, т. е. из химических реакций, в которых участвуют сами
мембранные компоненты систем активного транспорта. В этом состоит коренное
отличие активного транспорта от других способов транспорта веществ через БМ, также
нуждающихся в затратах свободной энергии.
Свободная энергия (∆G), затрачиваемая на трансмембранный перенос одного
моля вещества в направлении более высокого электрохимического потенциала,
рассчитывается по формуле:
(49)
У человека в покое примерно 30-40% всей энергии, образующейся в ходе
метаболических процессов, расходуется на активный транспорт. В некоторых случаях
на его обеспечение может затрачиваться почти вся свободная энергия,
вырабатываемая клеткой. Ткани, в которых активный транспорт особенно интенсивен,
потребляют много кислорода даже в покое. Например, масса мозга человека
составляет только 1/50 массы тела, но в условиях мышечного покоя ткани мозга
поглощают около 1/5 всего кислорода, усвоенного организмом. Общая мощность всех
ионных насосов человеческого мозга − примерно 1 Вт. Почки при угнетении в них
активного транспорта ионов снижают свою потребность в кислороде на 70−80%.
Третье свойство систем активного транспорта заключается в их
специфичности: каждая из них обеспечивает перенос через БМ только данного
вещества (или группы их) и не переносит другие. Правда, активный транспорт ионов
натрия бывает сопряжен с пассивным переносом в том же направлении других
веществ (например, глюкозы, некоторых аминокислот и т. д.). Это явление называют
симпортом. Некоторые системы активного транспорта переносят одно вещество в
данном направлении, а другое − в противоположном. Так, калий-натриевая помпа
закачивает калий из межклеточной среды в цитоплазму и откачивает натрий из
клетки. Такой вид транспорта называют антипортом.
Когда эти ионы начинают перемещаться через БМ в направлении более
низкого электрохимического потенциала, то натрий-калиевая помпа становится
генератором АТФ. Это явление получило название эффекта обращения систем
активного транспорта: на перекачивание ионов в сторону более высокого
электрохимического потенциала насосы затрачивают свободную энергию, гидролизуя
АТФ, тогда как при движении ионов в противоположном направлении они
преобразуют энергию градиентов в энергию макроэргической связи АТФ, синтезируя
его из АДФ. Специфичность систем активного транспорта служит одним из самых
действенных механизмов селективной проницаемости клеточных мембран и придания
им векторных свойств.
Компоненты систем активного транспорта. В составе любой системы
активного транспорта веществ через БМ можно выделить три основных компонента:
источник свободной энергии, переносчик данного вещества, сопрягающий
2
(регуляторный) фактор. Последний сопрягает работу переносчика с источником
энергии. Все компоненты систем активного транспорта образуют сложный
молекулярный комплекс в клеточной мембране.
В большинстве известных систем активного транспорта непосредственным
источником свободной энергии служит АТФ. За счет присоединения его концевой
фосфатной группы, предварительно оторванной при гидролизе, к мембранному
переносчику последний фосфорилируется и приобретает дополнительную энергию,
достаточную для преодоления физико-химических градиентов, препятствующих
движению переносимого вещества. Следовательно, фосфорилированный комплекс
переносчика с транспортируемым веществом способен преодолеть потенциальный
барьер, неприступный для него до фосфорилирования. Отдавая перенесенное
вещество
на
противоположной
стороне
БМ,
молекулы
переносчика
дефосфорилируются и теряют энергию.
Реже свободная энергия черпается системами активного транспорта
непосредственно из окислительно-восстановительных реакций, т. е. из цепи переноса
электронов. Систему активного транспорта с таким источником энергии называют
редокс-помпой. Примером может служить перенос Н+-ионов через внутреннюю
мембрану митохондрии, обеспечивающий создание протондвижущей силы, при
клеточном дыхании.
О переносчиках, обеспечивающих активный транспорт, известно пока немногое.
По-видимому, в разных системах активного транспорта работа переносчиков
осуществляется посредством различных механизмов. Во-первых, переносчиками
могут быть сравнительно мелкие белковые молекулы, присутствующие в БМ. В этом
случае молекула переносчика, приняв транспортируемое вещество, проходит всю
толщу биомембраны, работая по типу малой или большой карусели. Во-вторых,
переносчиками могут служить крупные молекулы мембранных белков, насквозь
пронизывающие фосфолипидный бислой. Им, вероятно, свойственны такие
механизмы, как ротация или сдвиг.
Третий компонент системы активного транспорта обеспечивает сопряжение работы
переносчика с источником энергии. Такое сопряжение может заключаться в переносе
фосфатной группы с АТФ на переносчик. Чтобы фосфорилировать переносчик, нужно
прежде гидролизовать АТФ. Гидролиз АТФ достаточно эффективен только в присутствии
специальных ферментов, называемых АТФазами. Они-то и служат фактором,
сопрягающим работу переносчика с источником энергии в основных системах активного
транспорта (натрий-калиевой и кальциевой помпах). Название этой ферментной системы
употреблено во множественном числе не случайно. Для активного транспорта каждого
вещества в тех случаях, когда источником энергии является АТФ, обнаружена
специфическая АТФаза. Каждая из транспортных АТФаз активируется именно тем
веществом, чей активный транспорт она обеспечивает. Например, Са-активируемая
АТФаза переходит в активное состояние только тогда, когда концентрация Са2+ в
примембранном пространстве достигает определенного уровня, при котором
необходим активный транспорт этого иона.
Все транспортные АТФазы связаны с клеточными мембранами и проявляют
высокую специфичность, катализируя реакции, течение которых строго зависит от
направления подхода к БМ транспортируемых веществ. Так, Na-K-активируемая
АТФаза приобретает активность при взаимодействии с нею натрия внутри клетки, а
калия − снаружи. Она не активируется при самых значительных концентрациях
натрия в межклеточной среде и калия − в цитозоле.
3
Зависимость потока (Ф) переносимого вещества через клеточную мембрану от его
концентраций по обе ее стороны (Сi и Се) при участии транспортной АТФазы
описывается уравнением:
(50)
где СА − концентрация АТФазы в биомембране, р − проницаемость мембраны для
комплекса «переносимое вещество − фермент», ki и ke − константы диссоциации этого
комплекса на внутренней и наружной поверхностях БМ.
В клеточной мембране постоянно присутствуют и переносчики, и транспортные
АТФазы, в примембранном пространстве клетки находится АТФ, выходящий из
митохондрии, которые подтягиваются к местам активного транспорта. Однако вся
система не работает до появления определенного стимула, которым обычно служит
нарастание концентрации вещества, подлежащего активному транспорту. Это вещество
активирует специфическую АТФазу, которая, в свою очередь, катализирует гидролиз
АТФ с отщеплением концевой фосфатной группы. Присоединяясь к переносчику, она
фосфорилирует его. При фосфорилировании переносчик приобретает дополнительную
свободную энергию, необходимую и достаточную для трансмембранного переноса
вещества вопреки действию физико-химических градиентов.
Так, внутри клетки повышение содержания Na+ выше определенного уровня
активирует Na-K-активируемую АТФазу, а она − реакцию гидролиза АТФ:
Системы активного транспорта ионов. Системы активного транспорта ионов
(ионные насосы, ионные помпы) обеспечивают неравновесное распределение этих
агентов между клеткой и межклеточной средой, а также среди различных органоидов.
Постоянство ионного состава (изоиония) цитозоля и содержимого органоидов является
необходимым условием поддержания жизни. Ионы входят в состав всех биологически
важных молекул, регулируют эффективность обмена веществ. Все превращения
энергии, включая образование и использование макроэргов, контролируются ионами.
В организме они составляют сложные тонко сбалансированные внутриклеточную и
внеклеточную ионные системы. Малейшее их нарушение неизбежно приводит к
нарушению жизнедеятельности. Например, весь клеточный метаболизм чрезвычайно
чувствителен к изменению содержания Na+ в цитозоле. При его повышении угнетается
синтез белка и усиливается образование липидов. При сохранении высокой
концентрации Na+ в цитозоле в течение длительного времени синтез белка также
усиливается. Следовательно, ионы натрия выступают в роли регулятора метаболической активности клетки. Подобная функция присуща и другим ионам.
Изменение содержания в цитозоле водорода, калия, кальция, магния и других
катионов сигнализируют ее метаболическим системам о малейших нарушениях
клеточной целостности, которая достигается относительной обособленностью
химического состава клетки при наличии многообразных связей со средой ее обитания.
4
В организме человека 50% ионов натрия содержится в межклеточной среде
(интерстиции), 40% − в костях и только 10% − внутри клеток. В интерстиции натрию
сопутствуют анионы хлора и бикарбоната, концентрации которых там значительно
выше, чем в цитозоле. В отличие от этих ионов, а также кальция, катионы калия и
магния сосредоточены преимущественно внутри клеток. Из 160 г ионизированного
калия, входящего в состав тела человека среднего роста и массы, только 3 г приходится
на межклеточную среду. В цитозоле Са2+ присутствует в ничтожной концентрации
(около 10-8 моль · л-1) даже в мышечных волокнах, где его содержание довольно велико,
но там он сосредоточен не в цитозоле, а в цистернах саркоплазматической сети,
мембрана которой в несокращающихся мышцах служит непреодолимым препятствием
для перемещения этого иона.
Стабильное поддержание ионного неравновесия, а также перемещение ионов
через клеточные мембраны в сторону более высокого электрохимического потенциала
для осуществления многих физиологических процессов обеспечивается работой
ионных насосов.
Калий-натриевый насос. Только благодаря системе активного транспорта Na+
+
и К поддерживаются стабильные и весьма высокие градиенты концентраций этих
ионов на плазмолемме любой клетки. Разница в их молярных концентрациях
между цитозолем и интерстицием достигает 10−20, причем калия больше в цито-золе, а
натрия − в межклеточной среде. Под действием концентрационных градиентов К+
выходит из клетки, a Na+ входит в нее. Пассивный транспорт привел бы к ликвидации
ионного неравновесия, но этому мешает работа калий-натриевого насоса. Он
беспрестанно откачивает натрий из цитозоля в интерстиций и закачивает К+ в клетку.
Установлено, например, что через каждый 1 см2 плазмолеммы нервного волокна
кальмара ежесекундно проходит 1010 ионов натрия, на что расходуется пятая часть всей
свободной энергии, образующейся у кальмара за счет клеточного дыхания.
Следовательно, калий-натриевый насос − весьма энергоемкая система. Энергия
затрачивается на антипорт натрия и калия.
Компонентами калий-натриевой помпы являются АТФ (источник энергии) и
натрий-калий-активируемая АТФаза (сокращенно − Na-K-АТФаза), которая служит
одновременно и сопрягающим фактором, и переносчиком. Этот фермент был открыт в
1957 г. при исследовании активного транспорта натрия через мембраны нерва краба, и
с тех пор о Na-K-АТФазе получено сведений больше, чем обо всех мембранных
транспортных системах вместе взятых. Созданы антитела к ней.
В состав наиболее высокоочищенных препаратов Na-K-АТФазы, выделенной из
почки собаки, входят два главных полипептида. Первый из них − интегральный
протеин с неполярными боковыми цепями − имеет молекулярную массу около 135 кДа
и, по-видимому, насквозь пронизывает биомембрану. Второй полипептид является
сиалогликопротеидом с молекулярной массой 40 кДа. Им образованы активные центры,
с которыми вступают во взаимодействие переносимые ионы. Na-K-АТФаза не активна
в отсутствие ионов магния, не работает без липидов. Ее активность зависит также от
рН вблизи активного центра, на котором адсорбируются ионы натрия. С АТФ
взаимодействует высокомолекулярный полипептид, при фосфорилировании которого
вся молекула фермента претерпевает механохимические превращения. По
приблизительным оценкам, они могут обеспечить как сдвиг подвижных групп
молекулы АТФазы относительно ее неподвижной структуры, так и ротацию всей
молекулы в биомембране.
5
Молекулярный механизм использования энергии АТФ для работы калийнатриевого насоса еще не вскрыт. В самом общем виде его сформулировал
Д.
Скоу в 1957 г. Он предполагал, что на внутренней стороне БМ находятся молекулярные
комплексы, способные фосфорилироваться за счет присоединения кон-цевой
фосфатной группы АТФ, отщепляющейся при его гидролизе. Фосфорили-рованный
транспортный комплекс переносит связанный с ним Na+ на наружную сторону
клеточной мембраны, где обменивает его на К+. Приняв ионы калия, он
транспортирует их внутрь клетки, после чего дефосфорилируется. Для следующего
транспортного цикла ему необходимо новое фосфорилирование за счет гидролиза
АТФ. С тех пор как были высказаны общие положения о работе калий-натриевого
насоса, появилось много гипотез, конкретизирующих участие в ней Na-K-АТФазы.
Ни одна из них не является общепринятой, но все модели активного транспорта натрия
и калия предусматривают конформационные превращения транспортной АТФазы,
сопровождающиеся ее перемещениями в пространстве биомембраны. Некоторые
исследователи полагают, будто калий-натриевая помпа действует по принципу
перистальтического насоса, который попеременно открывает и закрывает натриевые и
калиевые каналы, расположенные в БМ по соседству с Na-K-АТФазой. Ее
конформационные перестройки, обусловленные чередованием фосфорилирования и
дефосфорилирования, вызывают изменение проницаемости ионных каналов,
работающих в противофазе: когда натриевый канал открыт, калиевый − закрыт, и
наоборот. Согласно этой гипотезе, Na-K-АТФаза служит не переносчиком ионов, а
своеобразным клапаном в ионных каналах.
Другая гипотетическая схема действия калий-натриевой помпы изображена на
рис. 52.
Рис. 52. Схема работы натрий-калиевого насоса: а − состояние до
транслокации ионов; б − состояние после транслокации ионов.
6
Она предполагает, что транспортная АТФаза работает как переносчик. Молекула
фермента пронизывает плазмолемму, контактируя одним полюсом с цитоплазмой, а
другим − с межклеточной средой. В примембранных участках цитоплазмы
скапливаются митохондрии, из которых выходят молекулы АТФ, вступая в
непосредственный контакт с мембраной и, следовательно, с Na-K-АТФазой.
Содержание ионов натрия в цитоплазме поддерживается на строго постоянном уровне.
Так, в нервном волокне кальмара концентрация Na+ составляет 50 ммоль · л-1, а в
интерстиции − 450 ммоль · л-1. Концентрационный градиент на мембране волокна
достигает 4 · 1013 моль · л-1 · м-1. Он заставляет ионы натрия диффундировать внутрь
волокна. Этому же способствует и электрический градиент, обусловленный
существованием трансмембранной разности потенциалов, причем цитоплазма несет
отрицательный потенциал относительно интерстиция.
Если вследствие пассивного транспорта ионы натрия войдут в цитоплазму и их
содержание там превысит 50 ммоль · л-1, то они адсорбируются на Na-K-АТФазе и
переведут ее в активное состояние. Активированная АТФаза катализирует гидролиз
АТФ, в результате чего от АТФ отщепляется концевая фосфатная группа, которая
связывается с 3-карбоксильной группой L-аспарагиновой кислоты, входящей в состав
Na-K-АТФазы, и переносит на нее свободную энергию. Фосфорилированная и
энергизованная молекула фермента претерпевает конформационную перестройку
следствием чего будут ротация или сдвиг ее в плазмолемме. Перемещения в мембране
АТФазы вместе с адсорбированными на ней ионами натрия обеспечивают перенос их
из цитоплазмы наружу − в сторону более высокого электрохимического потенциала.
Оказавшись на внешней стороне плазмолеммы, Ма+ покидает транспортную АТФазу,
которая после конформационной перестройки дефосфорилируется. Из межклеточной
среды на нее адсорбируются ионы калия, а дефосфорилированная АТФаза приобретает
исходную конформацию, вследствие чего ее внешние участки с находящимся там К+
поворачиваются к цитоплазме. Таким образом ионы калия переносятся из интерстиция
внутрь клетки тоже вопреки действию концентрационного градиента. Отдав К+
цитоплазме, транспортная АТФаза готова к новому циклу работы, но для этого она
должна быть снова фосфорилирована.
Na-K-АТФаза активируется и натрием, и калием, но проявляет при этом ярко
выраженную векторность: натрий действует на нее только со стороны цитоплазмы, а калий
− из межклеточной среды (рис. 53). Вместе с тем ее специфичность по отношению к
натрию выше, чем к калию. Для включения в действие Na-K-АТФазы натрий незаменим,
тогда как вместо калия можно использовать любой одновалентный катион, причем с
рубидием транспортная система функционирует даже лучше, чем с калием. Повидимому, для фермента характерны разные механизмы распознавания натрия на
цитоплазматической стороне плазмолеммы и других катионов на ее наружной
поверхности.
Установлено, что за счет гидролиза одной молекулы АТФ осуществляется
активный транспорт трех ионов натрия и двух ионов калия, т. е. их сопряженному
трансмембранному переносу (антипорту) свойственна стехиометрия. Она сохраняется
независимо от величины и направления концентрационного и электрического
градиентов.
7
Рис. 53. Зависимость активации Na-K-активируемой АТФазы от
концентрации Na+ в цитоплазме и К+ во внеклеточной среде; активность АТФазы
выражена фосфатом (в мкмоль), высвободившимся за 1 ч (на 1 мг белка)
Стехиометрией обусловлены электрогенные свойства калий-натриевого насоса.
Перенося 2К+ внутрь клетки и выводя из нее 3Na+, он создает небольшую разность
потенциалов на плазмолемме, причем цитоплазма приобретает отрицательный
потенциал относительно интерстиция. Электрогенность ионного насоса подтверждена
в эксперименте на искусственных мембранах. Очищенный препарат Na-K-АТФазы,
встроенный в липидный бислой, вызывает появление электрического тока через
искусственную мембрану. Ток прекращается при добавлении в раствор, омывающий
мембрану, специфического ингибитора этого фермента.
В опытах на липидных мембранах, инкрустированных Na-K-АТФазой,
установлен также эффект обращения действия ионного насоса. Он состоит в том, что
при трансмембранном переносе Na+ и К+ в направлении низких электрохимических
потенциалов каждого из этих ионов АТФаза начинает работать в качестве АТФсинтетазы, т. е. катализировать не гидролиз АТФ, а его синтез из АДФ и ортофосфата.
В этом случае калий-натриевый насос служит генератором свободной энергии (в
форме АТФ).
Калий-натриевый насос присутствует в плазматических мембранах почти всех
клеток животных организмов, но в разных клетках его активность неодинакова. В
плазмолемме человеческого эритроцита выявлено от 100 до 300 таких молекулярных
«насосиков», а в мембранах почечных эпителиоцитов их примерно на три порядка
больше. Содержание Na-K-АТФазы в эритроцитарной мембране не достигает и одного
процента общего белка, тогда как в мембранах почечных клеток − более 10%, а в
электрическом органе рыб − еще выше.
Очень высока концентрация этого фермента в клетках солевой железы
альбатроса. Пожалуй, ни одна птица не может улетать от берега так далеко, как
альбатрос, и столь дальние полеты над морем доступны ему только благодаря
способности пить морскую воду. В клетках специального органа происходит ее
опреснение за счет работы мощного калий-натриевого насоса, локализованного в
плазматических мембранах. Лишняя соль выбрасывается из солевой железы в море.
Значительна роль калий-натриевой помпы кожи лягушки в жизни этого животного,
вышедшего из водной среды на сушу. Она перекачивает ионы натрия из окружающей
среды в межклеточную жидкость лягушки даже тогда, когда концентрация натрия в
пресном водоеме на четыре порядка ниже, чем в интерстиции животного.
Учитывая многообразие физиологических процессов, обеспечиваемых работой
калий-натриевого насоса, можно думать, что существуют разные формы этой
8
транспортной системы в различных органах и у разных представителей животного
мира. Полагают, к примеру, что в почках млекопитающих наряду с системой активного
антипорта натрия и калия присутствует другой натриевый насос, обеспечивающий
симпорт натрия и хлора.
Калий-натриевый насос угнетается различными агентами, из которых наиболее
активны сердечные гликозиды, избыток Са+ внутри клетки, а также дыхательные яды.
Последние блокируют окислительное фосфорилирование в митохондриях и, нарушая
синтез АТФ, лишают ионный насос источника энергии.
Кальциевый насос обеспечивает стабильно низкий уровень Са2+ в цитозоле.
В отличие от калий-натриевого насоса, он выводит из цитозоля избыток ионов не в
межклеточную среду, а в органоиды (главным образом, в эндоплазматическую сеть).
Поэтому основная локализация кальциевого насоса в большинстве типов клеток −
внутриклеточные мембраны, а не плазмолемма. Детальные исследования кальциевой
помпы проведены в мембране саркоплазматической сети миоцитов скелетных мышц,
где ее активность особенно высока.
Источником энергии для системы активного транспорта кальция служит АТФ.
Вторым компонентом насоса является Са2+-активируемая АТФаза (сокращенно − СаАТФаза). Она состоит из одной полипептидной цепи с молекулярной массой около 100
кДа. В ней преобладают аминокислотные остатки с неполярными боковыми цепями.
Это липидзависимый фермент, причем вокруг каждой его молекулы находится
примерно 35 молекул фосфолипидов, содержащих ненасыщенные жирнокислотные
остатки. Особенно сильным активирующим действием обладают жирные кислоты с
одной ненасыщенной связью. Кроме того, для работы Са-АТФазы необходимы ионы
магния.
В саркоплазматической сети на долю Са-АТФазы приходится 60% общего
мембранного белка. По-видимому, в мембране саркоплазматической сети нет другого
интегрального белка, кроме Са-АТФазы. Остальные 40% мембранных протеинов
составляют периферические белки. На активный транспорт двух молей Са2+
затрачивается один моль АТФ, но при преодолении очень высоких физико-химических
градиентов соотношение Са2+ и АТФ снижается с 2:1 до 1:1.
Механизм действия кальциевой помпы установлен благодаря изучению
кинетики ее работы. В этом процессе выделяют три ступени (этапа).
1).
Сигналом к активному транспорту служит превышение допустимого
2+
уровня Са в цитозоле. Показано, что константа связывания ионов кальция СаАТФазой имеет порядок 107 л · моль-1, т. е. адсорбция кальция на транспортном
ферменте происходит уже при концентрации Са2+ в цитозоле около 10-7 моль · л-1. СаАТФаза связывает не только Са2+, но и АТФ в комплексе с ионами магния. Центры
связывания Са2+ и АТФ локализованы на той поверхности фермента, которая
обращена к цитозолю, но это разные центры.
2).
Активированная кальцием транспортная АТФаза катализирует гидролиз
АТФ, что и составляет основное событие второго этапа в работе кальциевой помпы. При
гидролизе от АТФ отщепляется концевая фосфатная группа, присоединяясь затем к СаАТФазе, которая приобретает при этом дополнительную свободную энергию, равную
энергии гидролиза АТФ (примерно 31,4 кДж · моль-1). За счет этой энергии образуется
фермент-фосфатный комплекс (Ф~Р).
3).
Третий этап работы кальциевого насоса включает переход Са2+ на
противоположную сторону мембраны, что обеспечивается изменением конформации
Са-АТФазы, приводящим к перемещению молекулы фермента в пространстве БМ.
9
Полагают, что происходит сдвиг подвижных групп Са-АТФазы, на которых
адсорбирован Са2+, относительно неподвижной части молекулы. На внешней стороне
БМ транспортная АТФаза освобождается от Са2+, поскольку комплекс Ф~Р
гидролизуется после того, как затрачивает полученную ранее энергию на активный
транспорт ионов. Вслед за гидролизом фермент-фосфатного комплекса происходит
дефосфорилирование фермента. Возвращение Са-связывающих центров в исходное
состояние является следствием восстановления той конформации молекулы СаАТФазы, которая свойственна ей в нефосфорилированном состоянии.
В сокращенном виде схема активного транспорта кальция выглядит
следующим образом:
Обозначения в схеме: Са2+ц − кальций в цитоплазме, Са2+спс − кальций в саркоплазматической сети, Р − ортофосфат, Ф1 − неэнергизованная конформация СаАТФазы, Ф2 − энергизованная конформация Са-АТФазы.
Кальциевый насос, в отличие от калий-натриевого, не проявляет электрогенных
свойств − активный транспорт Са2+ не сопровождается образованием разности
потенциалов на мембране саркоплазматической сети. Неэлектрогенность кальциевой
помпы обусловлена высокой проницаемостью этой мембраны для многих ионов.
Поэтому мембранный потенциал, создаваемый переносом Са2+, сразу падает из-за
утечки других ионов.
10