6.3.1.3. Транспорт фосфата через мембраны.

Транспорт Фн через плазмалемму. Поступление в клетку через плазмалемму, или вход, происходит против «крутого» электрохимического потенциала на мембране и обеспечивается белками-транспортерами. Выход Фн из клетки происходит пассивно через канал.

Идентифицированы два подсемейства фосфатных транспортеров плазмалеммы: PT - индуцируемые с высоким сродством к переносимому аниону (К_м = 3 -7 мкмолей), Pht - конститутивные, с низким сродством к фосфату (К_м = 50 – 330 мкмолей). Механизм транспорта: симпорт с 2Н⁺ или 4Н⁺. Транспорт Фн через плазмалемму зависит от рН и не зависит от Е (Рис. 6.34).

Фосфатные транспортеры - интегральные мембранные белки с молекулярным весом около 58 кДа. Каждый белок образует 12 гидрофобных внутримембранных доменов в конфигурации 6 + 6 (Рис. 6.35). Две области, по 6 доменов каждая, соединены большой гидрофильной «петлей», ориентированной внутрь клетки.

Такой тип строения присущ многим транспортным белкам, которые объединяют в одно большое семейство MFS (Major Facilitator Super family). MFS – одно из самых больших семейств переносчиков, образованных одиночной полипептидной структурой, осуществляющих транспорт через мембраны небольших молекул за счет энергии хемиосмотического ионного градиента. Это семейство включает переносчики сахаров, нуклеозидов, фосфата, нитрата, фосфорилированных органических соединений и других небольших молекул.

Множество фосфатных транспортеров высокого сродства обеспечивает транспорт Фн через мембраны в различных тканях. В первую очередь, гены РТ экспрессируются в корнях растений, испытывающих Р-дефицит. Индукция наблюдается в клетках корневых волосков, эпидермальных клетках внешнего слоя по всей длине корня и в поверхностных клетках протеоидных корней. Таким образом, фосфатное голодание приводит корни растений в состояние высокой готовности поглощать неорганический фосфат из среды после периода голодания, даже при его ничтожных концентрациях. РТ экспрессируются также в клетках других органов: листа, стебля, пыльцевой трубки, цветка (данные для томатов и картофеля).

О подсемействе транспортеров Фн низкого сродства известно пока немного: идентифицированы гены Pht, конститутивно экспрессированные в клетках корней и листа арабидопсис.

Транспорт фосфата через тонопласт. Основным клеточным компартментом накопления свободного фосфата является вакуоль, где концентрации Фн достигают 25 мМ. Транспорт иона фосфата через тонопласт, так же как и через плазмалемму, осуществляется в двух направлениях: «в» и «из» вакуолярного компартмента (Рис. 6.34). Движущей силой для транспорта ортофосфата в вакуоль является электрический градиент Е и в значительно меньшей степени - протонный градиент Н⁺ . В этом принципиальное отличие механизма транспорта Фн через тонопласт от транспорта через плазмалемму. Фосфатные транспортеры тонопласта еще предстоит идентифицировать и выделить.

Потоки фосфата через мембраны пластид. Особого внимания заслуживает транспорт Фн между цитозолем и пластидами. Пластиды содержат группу белков различных по структуре «фосфатных транслокаторов» для переноса через мембрану в антипорте с Фн низкомолекулярных соединений: триозофосфатов, ФЕП и гексозофосфатов. Внутренняя мембрана хлоропласта высокоселективна и содержит, в частности, триозофосфат/фосфат транспортер (ТФТ) (Рис. 6.34, номер 5). Этот белок присутствует исключительно в фотосинтезирующих тканях. У мутантных растений с низким содержанием ТФТ в хлоропластах происходит избыточное накопление крахмала. В норме большая часть фиксированного углерода на свету экспортируется из хлоропласта в виде фосфотриоз в обмен на Фн.

Еще один «фосфатный транслокатор» пластид - ФЕП/фосфат транспортер (ФФТ) (Рис. 6.34, номер 6). Транспорт ФЕП из цитозоля в хлоропласт необходим для дальнейших реакций биосинтеза аминокислот, жирных кислот или предшественников шикиматного пути, так как хлоропласты и незеленые пластиды у большинства растений не содержат полный набор гликолитических ферментов для превращения гексозофосфатов и/или триозофосфатов в ФЕП. ФФТ высоко селективен: переносит только ФЕП и фосфат. В хлоропластах мезофилла С4 растений, вероятно, ФФТ-подобный белок (Рис. 6.34, номер 7) работает на вынос ФЕП из хлоропластов в цитозоль.

В хлоропластах, где представлены и ТФТ, и ФФТ, в результате их совместной деятельности фосфотриозы обмениваются на ФЕП без видимого нетто транспорта фосфата (Рис. 6.34, номера 5 и 6).

Незеленые пластиды в гетеротрофных тканях для импорта углерода содержат также гексозофосфат/фосфат транслокатор (ГФТ) (Рис. 6.34, номер 8). В амилопласты запасающих тканей транспортируется и Гл6Ф и Гл1Ф, которые идут затем на биосинтез крахмала.

Загрузка ксилемы. Для загрузки ксилемы существует специальный механизм транспорта Фн через мембраны клеток ксилемной паренхимы. Хорошо известен мутант арабидопсис (pho1), который не способен транспортировать фосфат в надземные органы. Другой, не менее известный, мутант арабидопсис (pho2), наоборот, аккумулирует фосфаты в надземной части в избыточных количествах. Примечательно, что ни один из девяти известных сегодня генов фосфатных транспортеров не является аллельным к pho1 и pho2. Это подтверждает особый характер транспортных процессов при загрузке ионов в сосуды ксилемы, которые до сих пор наименее изучены в физиологии минерального питания.