Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
изменением пространственной структуры ион-транспортного комплекса.
Действительно, рядом методов, в частности путем измерения ЭПР-сигнала
спиновой метки, присоединенной к Са2+-АТФ-азе, было показано изменение
конформации белка в ходе работы Са2+-АТФ-азы. Это проявляется в том, что
на определенных стадиях работы фермента происходит изменение подвижности
спиновой метки.
Сам по себе процесс транслокации еще недостаточен для активного
транспорта ионов. Нужна энергия, чтобы прочно связанные ионы оторвались
от центров связывания. Эта энергия в конечном счете обусловлена
гидролизом АТФ. Но на этапе 2, где этот гидролиз происходит, образуется
Е~Ф- комплекс с макроэргической фосфатной связью. Высвобождение энергии
происходит на третьем этапе работы Са2+-АТФ-азы в результате изменения
характера связи фосфатной группы с ферментом: связь становится обычной,
при ее гидролизе энергии выделяется немного. Энергия, ранее
сосредоточенная в макроэргической фосфатной связи, расходуется на
изменение константы связывания ионов кальция с ферментом. Константа
связывания становится равной примерно 10(r) л/моль. С энергетической точки
зрения это означает изменение энергии связывания: AG при связывании Са2+
внутри везикул равна всего лишь 17,8 кДж/моль (AG-5,9 1gKc. кДж/моль).
Перенос Са2+ с одной стороны мембраны на другую сопровождается, таким
образом, затратой энергии, которая может составлять 37,4 - 17,8 = 19,6
кДж/моль. Ясно, что энергии гидролиза АТФ (около 40 кДж/моль) хватает на
перенос двух ионов кальция. Действительно,
5*
131
изучение стехиометрического отношения числа перенесенных через мембрану
молей Са2+ к числу молей гидролизованного АТФ показало, что оно равно 2.
Перенос Са2+ из области меньшей (1 4 • 10~7 моль/л)
в область больших концентраций (1 д- 10 • 10_3 моль/л) - это и есть та
работа, которую совершает Са2+-транспортная АТФ-аза в мышечных клетках.
Для повторения цикла требуется возвращение кальций-евязывающих центров
изнутри наружу, т. е. еще одно конформационное изменение в молекуле
фермента, которое следует за гидролизом энзим-фосфатного комплекса (этап
4)
Несмотря на значительные различия в структуре Са2+-АТФ-азы и Na* - К+-
АТФ-азы, разную локализацию в клетке и различную биологическую роль,
молекулярный механизм работы этих двух "насосов" во многом близок.
Основные этапы работы Na+ - К+-АТФ-азы таковы:
1. Присоединение трех ионов Na+ и фосфорилирование фермента внутри
клетки:
3Na+ + Mg2+ - АТФ + Е Mg2+ - АДФ + (3Na+) Е ~ Ф.
2. Перенос центров связывания Na+ наружу (транслокация 1):
(3Na+) Е ~ Ф Е ~ Ф (3Na+)
3. Отсоединение ионов натрия и замена этих ионов двумя ионами К+,
находящимися во внешней среде:
Е - Ф (3Na+) + 2К+ -> Е ~ Ф (2К+) + 3Na+.
4. Отщепление остатка фосфорной кислоты:
Е ~ Ф (2К+) Е (2К+) + Н8Р04.
5. Перенос центров связывания вместе с ионами К+ внутрь клетки
(транслокация 2):
Е (2К+) (2К+) Е.
6. Отщепление 2К+, присоединение 3Na+ и фосфорилирование фермента:
3Na+ -j- Mg2+ - АТФ + (2К+) Е = 2К+ + Mg2+ - АДФ Д + 3(Ыа+)Е~Ф.
Перенос 2К+ внутрь клеток и выброс 3Na+ наружу приводит в итоге к
переносу одного положительного заряда из цитоплазмы в окружающую среду, а
это способствует появлению мембранного потенциала (со знаком
132
"минус" внутри клетки). Таким образом, Na+ - К+-насоС является
электрогенным. Величина работы, которую необходимо совершить для переноса
ионов при функционировании этого фермента, зависит как от мембранного
потенциала, так и от градиентов концентрации К+ и Na+ на мембране, а
именно на каждый моль '
где z равен 1, так как в цикле работы №+-К+-АТФ-азы переносится один
положительный заряд в область более высокого потенциала 1см. уравнение
(1.5)1; lK+li, [Na+li и (К+Ь, iNa^b - концентрации ионов во внешней среде
и клетке.
В нервном волокне кальмара Loligo forbesi <гм = = -63 мВ и 1К+Ь =0,340
моль/л; lK+li =0,104 моль/л; [Na^k = 0,049 моль/ji; lNa+li = 0,463
моль/л. Подставив эти величины в уравнение (6.14), получаем ДО = 18,0 + +
17,4 + 5,8 =41,2 кДж/моль. Примерно такую же работу совершает в каждом
цикле Na+ - К+-АТФ-аза в сарколемме (цитомембране) мышечных клеток и в
эритроцитах. Мы видим, что как и в случае Са2*-АТФ-азы, на активный
транспорт тратится практически вся энергия гидролиза АТФ (31-36 кДж/моль
в стандартных условиях и до 45 кДж/моль при реальных внутриклеточных
концентрациях АТФ, АДФ и ортофосфата).
вв. КИНЕТИКА АКТИВНОГО ТРАНСПОРТА
Зависимость потока Ф ионов через мембрану в отсутствие влияния
мембранного потенциала от концентрации транспортной АТФ-азы и
концентрации ионов по сторонам' мембраны 151г и 1512 описывается
уравнением
с0 - концентрация фермента-переносчика в мембране; Р - коэффициент
проницаемости мембраны для иона в комплексе с ферментом; Кх и К2 -
константы диссоциации комплекса иона с активным центром фермента -
переносчика на двух сторонах мембраны.
Вывод этого уравнения будет рассмотрен в главе 7.
По мере работы транспортных АТФ-аз концентрация ионов 151", выкачиваемых
