5. Конкретні системи транспорту низькомолекулярних речовин через мембрану

А ) Na⁺,K⁺-АТФаза – відкрита у всіх клітинах тварин, рослин і бактерій. В організмі людини її активність найвища в нервовій тканині та секреторних органах. Na⁺,K⁺-АТФаза локалізована в плазматичній мембрані і служить маркером цих мембран (рис. 6.4). За структурою – це білок з молекулярною масою 250-300 кДа, який складається з двох субодниць.

Рис. 6.4. Схема розташування Na⁺,K⁺-АТФази в клітинній мембрані (а) і структура її специфічного інгібітора уабаїну (б).

Менша субодиниця пересікає мембрану тільки один раз, в той час, як велика – багато разів, утворюючи п’ять двійних петель, при цьому обидва кінці пептидного ланцюга обернені в цитоплазму і доступні для цитоплазматичної АТФ. Для Na⁺,K⁺-АТФази необхідні іони Mg²⁺, які сприяють зв’язуванню АТФ з активним центром ферменту. Приєднання Mg²⁺-АТФ до активного центру ферменту змінює його спорідненість з іонами Na⁺ і K⁺. Спочатку на внутрішній стороні мембрани до АТФази приєднюються 3 іони Na⁺. Це викликає гідроліз АТФ до АДФ і Фн, при цьому фосфатний залишок приєднується до АТФази. Як наслідок, відбувається зміна конформації ферменту, що проявляється закриттям іонного каналу з внутрішнього боку мембрани та відкриттям з зовнішнього боку; одночасно спостерігається зменшення спорідненості центрів зв’язування Na⁺ на внутрішній стороні мембрани та підвищення її з іонами K⁺ на зовнішній. Таким чином, іони Na⁺ залишають фермент на зовнішній стороні мембрани, а до нього приєднуються іони K⁺. Останні призводять до відриву залишку фосфату та зміни конформації ферменту: іонний канал закривається зовні і відкривається всередині. Спорідненість з іонами K⁺ знижується і вони потрапляють в цитозоль.

Загальне рівняння:

3 Na⁺_вн. + 2 K⁺_зовн. +АТФ + Н₂О → 3 Na⁺_зовн. +2 K⁺_вн. + АДФ + Фн

Оскільки перенесення іонів є нерівнозначним, то одночасно з різницею їх концентрацій виникає різниця електричних потенціалів, тобто натрієва помпа створює трансмембранний електрохімічний потенціал μ; ∆μ= F∆φ + RTln∆C (∆φ – різниця електричних потенціалів).

За рахунок створеного градієнту іонів Na⁺ реалізується вторинний транспорт через мембрани (глюкоза, амінокислоти). Натрієвий насос захищає клітину від осмотичного набухання; бере участь у створенні градієнту концентрації іонів, необхідних для передачі нервового імпульсу при збудженні.

Інгібіторами Na⁺,K⁺-АТФази є серцеві глікозиди (наприклад, уабаїн, строфантин G), іони заліза, міді, деякі гормони (наприклад, глюкагон, адреналін). Підвищують активність Na⁺/K⁺-АТФази – дипептид карнозин; кортикостероїдні гормони мають здатність стимулювати біосинтез ферменту в нирках.

Б) Са²⁺-АТФаза – знаходиться як на плазматичній, так і на внутрішньоклітинних мембранах (ЕПР, мітохондрії). Це мономерні білки, які розрізняються за молекулярною масою (108-120 кДа). Ця АТФаза використовує енергію гідролізу АТФ для перенесення проти градієнту концентрації іонів Са²⁺.

С а²⁺-АТФаза плазматичних мембран забезпечує викачування Са²⁺ з клітини в міжклітинний простір, має центр зв’язування білка кальмодуліну. Наприклад, завдяки плазматичній Са-помпі в еритроцитах вміст Са²⁺ менший 0,001 мМ, а в плазмі крові – 1,2-2,5 мМ. Са²⁺-помпа внутрішньоклітинних мембран забезпечує закачування Са²⁺ з цитоплазми до внутрішньоклітинних депо (наприклад, Са²⁺-АТФаза СПР переносить Са²⁺ з цитоплазми до цистерн ретикулуму і є важливим компонентом, що регулює цикл скорочення-розслаблення м’язового волокна). Са²⁺-АТФаза є електронейтральною: відкачування іонів Са²⁺ супроводжується надходженням у клітину еквівалентної кількості іонів Mg²⁺ або Na⁺ (рис. 6.5). Інгібується Са²⁺-АТФаза рутенієм червоним, ванадатом і SH-реагентами.

Рис 6.5. Цикл роботи Са-АТФази: 1 – зв'язування іонів кальцію, 2 – зв'язування АТФ, 3 – утворення фосфоферменту, 4 – відщеплення іонів кальцію, 5 – гідроліз фосфофермента, 6 – повернення ферменту в початковий стан.

В) Н⁺-АТФаза – використовує енергію гідролізу АТФ для перенесення через мембрану іонів Н⁺. У рослин Н⁺-АТФаза плазматичної мембрани викачує Н⁺ з клітини назовні і не тільки підтримує рН цитоплазми близьким до нейтрального, але й створює на мембрані різницю потенціалів, що визначає електричні властивості вищих рослин. Н⁺-АТФаза лізосом тварин і вакуолі рослин викачує протони з цитоплазми в ці компартменти. З функціонуванням Н⁺-АТФази в рослинній клітині пов’язана робота вторинного транспорту.

У тварин і рослин Н⁺-АТФаза виявлена і на внутрішній мембрані мітохондрій – має складну структуру (10 субодиниць) з двох функціональних частин: F₀ i F₁. F₀ – гідрофобний білок, що виконує функцію каналу, через який просочується Н⁺. F₁ – частина, призначення якої фосфорилювання АДФ до АТФ, тобто білок функціонує як Н⁺-АТФ-синтетаза. Каталізуючи протилежну реакцію, Н⁺-АТФ-синтетаза працює як Н⁺-АТФаза. За цих умов вона відкачує протони з матриксу в міжмембранний простір за рахунок енергії гідролізу АТФ. У слизовій оболонці і кишечника – К⁺,Н⁺-АТФаза нечутлива до уабаїну, інгібується фторидом, бере участь у створенні високої кислотності шлунку: 4Н⁺/1 АТФ.