5.3. Транспортные системы клеток. Насосы
Под насосами подразумеваются системы, в которых сочетаются механизмы энергизации и трансмембранного переноса. Принимается, что источником энергии в большинстве случаев служит энергия макроэргических связей АТФ. Деятельность насосов лежит в основе функционирования практически всех известных типов клеток. Мы рассмотрим несколько типов насосов, участвующих в переносе через мембрану различных ионов и представляющих собой транспортные АТФазы.
Na+, К+-АТФаза поддерживает градиенты Na+ и К+ между вне- и внутриклеточными жидкостями, необходимые для вторичной энергизации процессов, зависящих от натриевых градиентов, и для мембранного потенциала. Фермент, реализуя гидролиз АТФ на внутренней поверхности плазматической мембраны, переносит Na+ против градиента концентраций во внеклеточную среду, а К+ — во внутриклеточную в соотношении 3 молекулы Na на 2 молекулы К в расчете на молекулу АТФ. Таким образом, Na+, К+-АТФаза является комплексом, в котором энергия АТФ обеспечивает транспорт ионов. Во всех поляризованных клетках фермент локализован преимущественно в базолатеральной мембране независимо от того, выделяется ли Na+ во внутреннюю (при всасывании) или во внешнюю (при секреции) среды. Первоначально этот сложный фермент был обнаружен в нервах краба, а впоследствии — в плазматической мембране кишечных клеток и в мембране клеток всех органов и тканей различных животных, а также растений (но не у прокариотов).
Ca2+, Mg2+-ATФaзa играет важную роль в поддержании градиента Са2+. Первоначально фермент был выявлен в саркоплазматическом ретикулуме клеток поперечнополосатых мышц и в их мембране, а затем — в клетках других структур, б том числе в мембранах эритроцитов, клеток мозга, плаценты, почечных канальцев, слюнных желез, нервных клеток и т.д. Фермент представляет собой универсальный насос, характерный практически для клеток всех организмов.
К+, Н+-АТФаза участвует в выделении протонов в присутствии АТФ, а также в поддержании градиента К+. Вначале фермент был обнаружен в препаратах слизистой желудка. Позднее оказалось, что он уникален по своей органной локализации и широко распространен, если можно так сказать, по эволюционной вертикали, так как идентифицирован не только в париетальных клетках млекопитающих, но и в оксинтных клетках амфибий. Однако недавно фермент выявлен в клетках толстой кишки млекопитающих.
Н+-АТФаза необходима для реализации процессов окислительного фосфорилирования и транслокации Н+. Фермент универсален и широко распространен у представителей всех царств. Например, у эукариотов он изолирован из митохондрий, у прокариотов — из мембран хлоропластов. Он характерен для плазматической мембраны бактерий и для фотосинтезирующих растений.
Анионные АТФазы участвуют в транспорте анионов через плазматическую мембрану клеток. Вначале ферменты были обнаружены в апикальной мембране клеток, секретирующих соляную кислоту, а затем во фракции микросом и митохондрий многих тканей, в том числе клеток средней кишки амфибий, в плазматической мембране клеток поджелудочной железы, слюнных желез, почек, печени, эритроцитов и т.д. Их наибольшая активность продемонстрирована в микросомах клеток слизистой желудка, во фракции митохондрий клеток мозга крыс, в мембранах клеток поджелудочной железы и слюнных желез млекопитающих.
Таким образом, существует несколько типов ионных насосов, которые, комбинируясь между собой, осуществляют разнообразные функции клеток с различной специализацией. Общим для насосов является формирование ионных градиентов за счет энергии АТФ.
В ряде случаев благодаря сочетанному котранспорту или антипорту возможно варьирование градиентов в широких пределах. Например, Na+, К+-АТФаза в комбинации с противотоком Na+ и Са2+ может поддерживать не только градиенты одновалентных ионов, но и высокий градиент Са2+, который выкачивается из клетки за счет энергии движущегося по градиенту Na+.
Исследование молекулярных структур насосов мембраны различных клеток показало их сходные принципы функционирования, а также использование идентичных или близких по структуре молекулярных машин.
5.4. Транспортные системы клеток. Транспортеры
Перенос веществ через мембрану в большинстве случаев осуществляется с помощью неспецифических и специфических систем активного и пассивного транспорта — переносчиками, каналами и порами. Больших различий между этими понятиями не делается.» В последнее время используется термин «транспортер».
Переносчики и каналы — устройства, обеспечивающие специфические транспортные процессы. В клетках высших организмов, и в том числе в кишечных, существуют транспортеры многих типов. К ним относятся переносчики глюкозы, аминокислот и др. Каждое такое устройство переносит один или ограниченное число типов органических молекул через мембрану по электрохимическому градиенту или благодаря сопряжению с механизмом транспорта другого вещества, движение которого до градиенту концентраций служит источником энергии для сопряженного с ним процесса.
Для вторичной энергизации используются многие ионные градиенты, но преимущественно градиент Na+ без участия АТФ (табл. 8). Na+-зависимые переносчики используются в различных системах, включающих в себя систему всасывания (например, тонкая кишка), систему обеспечения собственных энергетических и пластических потребностей, транспорт ряда веществ (например, тех же глюкозы и аминокислот) для собственных синтезов и т.д. В печени механизмы активного транспорта глюкозы используются для депондрования веществ и их иммобилизации из депо. Мобильный переносчик, представляющий собой, как правило, белковую молекулу, движется от одной поверхности мембраны к другой, совершая вертикальные или вращательные движения, с тем чтобы связывать транспортируемые субстраты на одной поверхности мембраны и освобождать с другой. Типичным примером такого переносчика служат ионофоры. Канал как устройство характеризуется наличием постоянной или индуцированной поры, через которую проходит транспортируемое вещество.
Nа+-зависимый транспорт органических веществ в клетках животных
Вещество Ткани или клетки Глюкоза, галактоза и их дериваты Тонкая кишка, почечные канальцы Аминокислоты Тонкая кишка, почечные канальцы, желточный мешок, мозг, печень, ацинарные клетки поджелудочной железы, жировая ткань, мышцы, клетки асцитной карциномы Эрлиха, клетки карциномы КВ, эритроциты голубя, ретикулоциты, лейкоциты, покровы тела морских беспозвоночных Дипептиды, трипептиды Тонкая кишка Аскорбиновая кислота Тонкая кишка, мозг, надпочечники Биотия, тиамин Тонкая кишка, мозг Соли желчных кислот, билирубин Тонкая кишка π-Аминогиппуровая кислота Почечные канальцы Лактат Тонкая кишка, почечные канальцы Холин Тонкая кишка Миоинозитол То же Рибофлавин » Урацил »
Несмотря на то что механизм Na+-зависимoro транспорта не вполне ясен, ряд фактов свидетельствует о его сходстве или идентичности в разных клетках и органах. Так, не удается выявить переносчиков аминокислот, характерных для клеток одного типа и отсутствующих у других (табл. 9). В пользу идентичности транспортных блоков в разных клетках свидетельствуют генетические дефекты, в том числе точечные. Так, при нарушении всасывания одной из субстанций в кишечных клетках наблюдаются аналогичные нарушения всасывания в клетках почечных канальцев (см. гл. 7). Распространенность таких нарушений говорит, что дефект локализован в одном гене. У человека идентифицировано более 20 «транспортных» болезней. Однако молекулярная природа недостающих компонентов в транспортной системе не ясна. Примеры некоторых генетических нарушений приведены в табл. 10. При дефиците различных транспортных или связывающих белков в кишечных клетках наблюдается малабсорб-ция глюкозы и галактозы, нейтральных аминокислот, цистина и глицина, фолиевой кислоты и т.д.