Основные транспортные белки биомембран и механизм натрий-калиевого насоса

1. Транспортный белок порин. Бактерии имеют одну, но достаточно сложно устроенную клеточную стенку. Плазматическая мембрана грамотрицательных бактерий защищена от внешней среды сетью пептидогликанов (муреин) и дополнительной наружной мембраной. Метаболиты, которые бактериальной клетке необходимо абсорбировать или высвободить, должны иметь возможность без труда пересекать наружную мембрану. Для обеспечения процесса переноса у бактерий имеются трансмембранные каналообразующие белки, так называемые порины. Эти белки — тримеры образуют поры, заполненные водой и проницаемые для молекул с молекулярной массой до 600 Да (облегченная или опосредованная диффузия). В высших организмах пориноподобные белки найдены в мембранах митохондрий и хлоропластов.

2. Переносчики глюкозы. Захват глюкозы клетками обычно является опосредованным процессом. Сначала глюкоза связывается с переносчиком глюкозы (ГЛУТ), локализованным в клеточной мембране. Перенос глюкозы через мембрану обеспечивается за счет изменения конформации молекулы переносчика.

Для многочисленных мембранных белков известна лишь последовательность аминокислот, но не трехмерная структура. Из-за трудностей кристаллизации мембранных белков к настоящему времени известны трехмерные структуры только некоторых из них.

Переносчики глюкозы представляют собой семейство структурно близких мембранных белков о различными функциями. ГЛУТ-1 и ГЛУТ-3 имеют высокое сродство к глюкозе (К_d около 1 мМ). Они обнаружены почти во всех клетках, где обеспечивают постоянное поступление глюкозы. ГЛУТ-2 найден в клетках печени и поджелудочной железы. Этот переносчик обладает гораздо меньшим сродством к глюкозе (K_d 15-20 мМ). Это означает, что связывание глюкозы ГЛУТ-2 пропорционально концентрации глюкозы в крови. ГЛУТ-4 с K_d около 5 мМ найден в плазматической мембране мышечных и жировых клеток. Гормон инсулин вызывает увеличение количества молекул ГЛУТ-4 на поверхности клетки и таким образом стимулирует поступление глюкозы в эти ткани. ГЛУТ-5 синтезируется клетками кишечного эпителия. Этот переносчик обеспечивает симпорт глюкозы с ионами Na⁺.

3. АТФ-азные (АТР-азные) системы, транспортирующие ионы К⁺ и Na⁺ относятся к группе транспортных белков. Они осуществляют АТФ-зависимый активный транспорт через мембраны против концентрационного градиента. Имеется множество различных АТФ-аз, способных транспортировать различные вещества от неорганических катионов (ионные насосы) до пептидов (пептидные насосы) и неполярных соединений (например, переносчики лекарственных веществ или белки, обеспечивающие множественную лекарственную устойчивость). Во всех клетках имеются ионные насосы (ионтранспортирующие АТФ-азы), осуществляющие постоянный перенос таких катионов, как Н⁺ и Na⁺, K⁺ и Са²⁺, что существенно важно для поддержания электрохимического градиента.

На схеме показана Na⁺/K⁺-обменивающая АТФ-аза, которая найдена в плазматической мембране практически всех животных клеток. Это мембранный гликопротеин, состоящий из четырех субъединиц (α₂β₂). Цитоплазматическая область фермента участвует в реакционном цикле фосфорилирования/дефосфорилирования, принимая попеременно два конформационных состояния, ответственных за транспорт ионов. При расходовании одной молекулы АТР из клетки «выкачивается» три иона Na⁺ в обмен на поступающие два иона К⁺. Благодаря непрерывному функционированию этого «насоса» обеспечивается поддержание неравновесного распределения ионов Na⁺ и К⁺ между цитоплазмой клетки и окружающей средой, характерное для животных клеток.

Рассмотрим механизм активного транспорта веществ через мембрану на примере натрий–калиевого насоса.

Плазмалемма пронизана сложным белком–переносчиком, который называется натрий–калиевая АТФаза (или натрий–зависимая АТФаза). Первоначально этот переносчик присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона Na⁺ (1). Эти ионы являются аллостерическим активатором и изменяют конформацию активного центра АТФазы. После такой активации АТФаза способна гидролизовать одну молекулу АТФ, причем, фосфат-ион фиксируется на поверхности переносчика с внутренней стороны мембраны (2). Выделившаяся энергия расходуется на изменение конформации АТФазы, после чего три иона Na⁺ и ион PO₄^3- оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионы Na⁺ отщепляются (3), а PO₄^3- замещается на два иона К⁺ (4). Затем конформация переносчика изменяется на первоначальную, и ионы К⁺ оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы К⁺ отщепляются (5), и переносчик вновь готов к работе.

В итоге на внешней стороне мембраны накапливается избыточный положительный заряд, обеспечивающий формирование потенциала покоя в возбудимых клетках. В ряде случаев энергия избыточного положительного заряда поверхности мембраны используется в работе натрий–зависимых переносчиков глюкозы, аминокислот и некоторых ионов. Такой транспорт веществ является сопряженным.