Мембранные транспортные белки

Маленькие водорастворимые молекулы (сахара, аминокислоты, нуклеотиды) через гидрофобный бислой мембраны переносят специальные белки, которые называют мембранными транспортными белками. Каждый белок переносит только определенную молекулу или группу похожих молекул, т. е. эти белки относительно специфичны. Таким способом обеспечивается избирательность поглощения веществ клеткой.

Транспортные белки есть во всех мембранах, хотя сильно отличаются по своему составу друг от друга. Полипептидная цепь всех изученных интегральных транспортных белков пересекает липидный бислой несколько раз. Наружная поверхность этих белков, соприкасающаяся с гидрофобным слоем мембраны, гидрофобна, а внутренняя — гидрофильна. Вещества с помощью транспортных белков проходят через мембрану, не контактируя с ее гидрофобной частью.

Существует два типа мембранных транспортных белков: 1) белки-переносчики, транспортеры (от лат. transportare — переносить, перевозить) или транслокаторы (от лат. tram — сквозь, через, в сложных словах — находящийся по ту сторону и locus — место) и 2) каналообразующие белки, или порины (от греч. poros — проход, отверстие). Теория переносчиков разработана в 1960;е гг. Э. Эпштейном с сотрудниками.

Белки-переносчики (транспортеры или транслокаторы). Работа белков-переносчиков напоминает работу фермента, но переносимое вещество при этом не изменяется. Как и фермент, белок-переносчик имеет специальный участок для связывания транспортируемого вещества. Транспортный белок соединяется с молекулой или ионом переносимого вещества так же, как фермент соединяется с субстратом, т. е. по принципу комплементарности (см. параграф 1.2).

Сначала подход к связывающему участку открыт с наружной стороны мембраны. Молекула или ион входит в молекулу белка-переносчика и соединяется со связывающим участком (рис. 1.32). Форма молекулы переносчика изменяется, и подход к связывающему участку открывается с другой стороны мембраны. Молекула или ион переносимого вещества отделяется от молекулы переносчика и оказывается с противоположной стороны мембраны.

Рис. 1.32. Интегральный мембранный белок-переносчик¹:

1 — участок связывания; 2 — липидный бислой Итак, белки-переносчики транспортируют растворенные вещества через липидный бислой, обратимо изменяя свою форму, при этом участки связывания открываются то с одной, то с другой стороны мембраны. Изменение формы молекулы белка-переносчика может происходить с затратой энергии.

Белки-переносчики транспортируют вещества через мембраны как по градиенту электрохимического потенциала, так и против этого градиента. Транспорт растворенных веществ через мембрану по градиенту электрохимического потенциала с помощью переносчика называется облегченной диффузией.

Роль белков-переносчиков могут выполнять специальные белки, использующие для изменения своей формы энергию, освобождающуюся при гидролизе АТФ с помощью фермента аденозинтрифосфатазы (АТФазы). Пропускная способность транспортеров (транслокаторов) варьирует от 10 до 1000 молекул субстрата в секунду. ¹

Цит. с изм. по: Молекулярная биология клетки: в 3 т. / Б. Альберте [и др.]. М.: Мир, 1994. Т. 1. С. 138.

Лучше других изучены белки-переносчики фосфатов. Фосфатные транспортеры — это интегральные мембранные белки с молекулярной массой около 58 кДа, Каждый белок образует 12 гидрофобных внутримембранных доменов (англ, domain — область, участок). Две части по 6 доменов каждая объединены гидрофильной петлей, обращенной внутрь клетки (рис. 1.33). Такой тип строения характерен для многих транспортных белков, осуществляющих транспорт через мембраны сахаров, нуклеозидов, фосфата, нитрата, фосфорилированных органических соединений и других маленьких молекул.

Рис. 1.33. Модель фосфатного транспортера¹:

в состав белка входят 12 мембраносвязанных доменов. Две области по шесть доменов каждая соединены большой гидрофильной петлей Перенос транспортными белками одного вещества через мембрану называют унитранспортом (унипортом), а одновременный перенос двух веществ — котранспортом. В этом случае два транспортера связаны между собой гак, что изменение их формы происходит только в том случае, когда одновременно оба связывающих участка заняты молекулами переносимых веществ. Например, транспорт в митохондрию малата идет в обмен на фосфат. Если два вещества транспортируются через мембрану в одном направлении, то такой транспорт называется симпортом, если в разных — то антипортом (рис. 1.34). ¹

Рис. 1.34. Симпорт и антипорт²:

Либ — переносимые ионы

Цит. но: Физиология растений / Н. Д. Алехина [и др.|; под ред. И. П. Ермакова.

² Цит. с изм. по: Plant Physiology / ed. by L. Так, E. Zeiger. Sunderland: Sinauner Associetes, 1998.

Переносчиками могут быть и сами АТФазы. Они располагаются поперек мембраны и гидролизуют АТФ. Их еще называют транспортными АТФазами. Эти АТФазы находятся на плазмалемме, тонопласте, мембранах эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи. Энергия гидролиза АТФ в данном случае используется для транспорта протонов через мембрану.

Вынос протонов из клетки сопровождается возникновением и поддержанием на мембране градиента электрохимического потенциала Др_м. Если Др_нш/ >

> Др_ш>7, где индексы out и in указывают на внешнюю и внутреннюю стороны мембраны соответственно, ион пассивно входит в клетку. Когда Др_|1+7" >

> Др_н+out*^ион движется пассивно из клетки. Движение продолжается до установления равновесия: Ap_H+0Mf = Др_н+1/г Итак, движущей силой транспорта иона через мембрану является фадиент электрохимического потенциала.

Перенос протонов через мембраны с использованием энергии АТФ называется протонным насосом (протонной помпой или Н⁺-АТФазой). Протонные насосы играют важную роль в клетках не только высших растений, но и грибов, водорослей. Перенос протонов через мембраны может идти и за счет окисления НАДН или НАДФН (см. параграф 5.2).

С участием Н⁺-помп поддерживается также величина pH в цитозоле, подкисляется клеточный сок и среда в клеточной стенке, что необходимо для протекания целого ряда процессов, активности ферментов и функционирования транспортных систем. Н⁺-АТФазы участвуют в движениях устьиц, осморегуляции (см. параграф 3.2), устойчивости к солевому стрессу и низким значениям pH среды, поступлении сахаров и AM К из апопласта в клетки, загрузке флоэмы, растяжении клеток и др.

На основе строения, локализации в клетке и механизма действия АТФазы делят на три группы: Н⁺-АТФазы F-типа, Н⁺-АТФазы Г-типа и АТФазы Р-типа. П⁺-АТФазы Р-типа — это АТФ-синтазы, находящиеся в мембранах хлоропластов и митохондрий и катализирующие синтез АТФ. Н⁺-АТФазы Г-типа — эго вакуолярные АТФазы, находящиеся в тонопласте, а также в мембранах ЭПР и лизосом, они работают для создания протонного градиента (АТФ —> Др_и+). Сопряженно с гидролизом АТФ они переносят протоны через мембрану из цитозоля, закисляя свободное пространство, клеточный сок или матрикс других органелл. АТФазы P-типа имеют более простое строение: один полипептид с молекулярной массой около 100 кДа находится на плазмалемме клеток и выкачивает протоны из цитозоля в периплазматическое пространство.

Выкачивание протонов из клетки или из органеллы и возникновение на мембране Др_п4. может быть использовано для поступления в них катионов или выхода анионов. Вместе с протонами в ту же сторону могут передвигаться анионы, сахара, аминокислоты, ионы хлора; в противоположном направлении — катионы, например калия. Активный транспорт ионов и других веществ обеспечивается конформационными изменениями транспортирующего белкового комплекса.

У высших растений в плазмалемме и мембранах эндоплазматического ретикулума есть АТФазы, которые обменивают на протоны ионы кальция (Са²⁺-АТФаза). Эти АТФазы, или кальциевые насосы, активно выводят ионы кальция из цитозоля в свободное пространство клеточной стенки или в кальциевые депо (митохондрии, ЭПР). В результате концентрация ионов кальция в цитозоле ниже (10~⁷ М) по сравнению с его концентрацией в свободном пространстве клеточной стенки (10 ³ М), в митохондриях и в эндоплазматическом ретикулуме. На каждую гидролизованную молекулу АТФ через мембрану переносится два иона кальция. В ответ, например, на раздражение клетки кальций возвращается в цитозоль из свободного пространства клетки или выходит из митохондрии и эндоплазматического ретикулума.

Итак, специальные белки, находящиеся в мембране и транспортирующие через нее растворенные вещества против градиента электрохимического потенциала с использованием энергии, освобождаемой, например, при гидролизе АТФ, получили общее название ионных, или биологических, насосов.

Каналообразующие белки — порины образуют в мембранах каналы, пронизывающие липидный бислой и заполненные водой (рис. 1.35). Наружная поверхность этих каналов гидрофобна, а внутренняя — гидрофильна; диаметр канала — 0,5—0,8 им. Вещества проходят через каналы, не контактируя с гидрофобной частью мембраны.

Рис. 135. Схема ионного канала^1.

Большая и разнообразная группа интегральных белков, функция которых — узнавать и транспортировать ионы, получила название ионных каналов. В настоящее время известно около 50 видов этих каналов. Наиболее распространенными являются каналы, проницаемые для ионов калия и кальция.

Ионные каналы в зависимости от их особенностей подразделяют на группы. Например, мембраны растительных клеток содержат высокоспецифичные катионные каналы для транспорта протонов, ионов калия и кальция, а также анионные каналы для транспорта хлора и дикарбоновых кислот, например малата. В свою очередь, калиевые каналы плазмалеммы подразделяют на входные (англ, inward) и выходные (англ, outward), а кал левые каналы тоиопласта — на быстрые (англ. fast) и медленные (англ. slow). Кальциевые каналы, участвующие в передаче информации, делят на потенциалуправляемые и рецептору правя яемые, а также по местоположению на мембране (плазмалемма, тонопласт, ЭПР). ¹

Цит. с изм. по: URL: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2008/elektricheskii-ugornanotekhnologii-priroda-podskazhet.

Каналообразующие белки мембран митохондрий и хлоропластов образуют большие неспецифичные поры, а в плазмалемме эти поры малы и высоко специфичны, т. е. через них проходят ионы только определенного вида. Особенности каналов — ионная специфичность, пропускная способность, характер регуляции и другие свойства — определяются структурой канала.

Ионные каналы могут открываться и закрываться, причем в отличие от транспортеров канал может быть открыт одновременно с обеих сторон клеточной мембраны. Открытым или закрытым канал может быть от нескольких миллисекунд до нескольких секунд в зависимости от типа канала. Каналы открываются и закрываются в ответ на изменения мембранного потенциала, механические раздражения или соединение рецепторов с сигнальными молекулами. Сигнальными молекулами могут быть ионы, нуклеотиды, регуляторные белки, гормоны (см. параграф 1.6).

Ионы транспортируются через эти каналы пассивно, по градиенту, со скоростью 10⁶—10⁸ ионов/с, т. е. в 1000 раз быстрее, чем с помощью белков-переносчиков. Часто поступление иона в клетку через нлазмалемму происходит против градиента электрохимического потенциала с помощью белка-транспортера, а выход из клетки — пассивно через канал.

Транспортеры иногда ведут себя как каналы, а каналы — как переносчики, поэтому различия между ними не всегда видны.