Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
391 лоты внутрь клетки за собой. Чем выше градиент Na + , тем больше скорость всасывания растворенных молекул. Наоборот, если концентрация Na + во внеклеточной жидкости заметно уменьшается, - транспорт растворенных молекул останавливается. Гипотетическая (и довольно упрощенная) схема функционирования подобной системы симпорта изображена на рис. 6-51. У бактерий и растений большинство систем активного транспорта, приводящихся в действие ионными градиентами, используют в качестве котранспортируемого иона Н + , а не Na + . В частности, активный транспорт большей части Сахаров и аминокислот в бактериальные клетки обусловлен градиентом Н + через плазматическую мембрану. Наиболее хорошо изученный пример такого рода - переносчик лактозы (пермеаза). Этот трансмембранный белок, состоящий из одной полипептидной цепи (длиной около 400 аминокислотных остатков), по-видимому, пересекает липидный бислой по крайней мере девять раз. Он осуществляет Н + -зависимый симпорт: с каждой транспортируемой в клетку молекулой лактозы переносится один протон. 6.4.10. Антипорты в плазматической мембране регулируют внутриклеточное значение рН [27] Почти все клетки позвоночных имеют в составе плазматической мембраны (Na + + Н + )-переносчик-обменник. Он играет ключевую роль в поддержании внутриклеточного значения рН (pH i ) обычно около 7,1 — 7,2. Этот переносчик обеспечивает сопряжение выброса ионов Н + с притоком ионов Na + и, таким образом, удаляет избыток ионов Н + , образующийся в результате клеточных реакций окисления. Работа (Na + + Н + )- обменника регулируется значением рН: например, когда рН i в мышечных клетках цыпленка выше уровня 7,7 - обменник становится неактивным; как только значение Ph i падает - активность обменника увеличивается, достигая половины своей максимальной активности при рН i 7,4. Такая регуляция обусловлена связыванием Н + с регуляторным участком обменника, находящимся на цитоплазматической стороне мембраны. Важность (Na + + К + )-обменника в поддержании уровня рН i была продемонстрирована экспериментами с мутантами фибробластов, не содержащими такого обменника: они очень быстро погибали при помещении их в достаточно кислые условия, хотя нормальные фибробласты в этих условиях жизнеспособны. В поддержании уровня рН i у многих ядерных клеток, по-видимому, играет важную роль и (С1 - + НСО 3 )-обменник, сходный с белком полосы 3 из мембран эритроцитов (см. разд. 6.2.6). Подобно (Na + + Н + )-обменнику, работа (Сl - + НСО 3 - )-обменника регулируется значением рН i , но противоположным образом. Его активность возрастает при повышении рН i (т. е. когда цитозоль становится слишком щелочным), увеличивая скорость выведения НСОз - из клетки в обмен на С1 - и, таким образом, понижая рН i Существуют данные, свидетельствующие о том, что (Na + + Н + )-обменник может участвовать не только в поддержании рН i , но и в преобразовании внеклеточных сигналов во внутриклеточные. Например, большинство белковых факторов роста в процессе стимуляции клеточной пролиферации активируют такого рода системы антипорта, увеличивая рН i от 7,1 или 7,2 до примерно 7,3. По крайней мере в некоторых случаях они делают это косвенным образом, активируя cпецифическую протеин-киназу (протеинкиназа С - см. разд. 12.3.10), которая в свою очередь фосфорилирует обменник. Это приводит к увеличению сродства регуляторного участка, связывающего Н + , и, следовательно, обменник остается активным и при больших рН. Мутантные клетки, лишенные (Na + + + Н + )-обменника, или клетки, обработанные препаратом амилоридом, 392 ингибирующим его, не способны к ответу на действие факторов роста. Все эти факты наводят на мысль, что активация обменника с последующим увеличением рН i играет важную роль в инициации клеточной пролиферации. По-видимому, сходным образом увеличение рН i при оплодотворении яиц морского ежа, вызванное активацией (Na + + Н + )-обменника, стимулирует синтез ДНК и белка. Остается неясным, какие внутриклеточные белки ответственны за увеличение рН i в ответ на эту активацию. 6.4.11. В основе межклеточного транспорта растворенных веществ лежит асимметричное распределение белков-переносчиков в клетках эпителия [28] В плазматической мембране некоторых эпителиальных клеток, участвующих в поглощении пищи в кишечнике, белки-переносчики распределены асимметрично, способствуя, таким образом, сквозному транспорту поглощенных растворенных веществ через клетку. Как показано на рис. 6-52, белки, локализованные в плазматической мембране на апикальной (всасывающей) поверхности эпителиальной клетки, осуществляют Na + -зависимый симпорт, перенося питательные вещества внутрь клетки. В то же время Na + -независимые белки в базальной и латеральной мембранах позволяют питательным веществам выходить наружу по градиенту их концентраций. Градиент Na + на плазматической мембране таких клеток поддерживается (Na + + К + )-АТРазой, находящийся в базолатеральной области. По-видимому, сходные механизмы используются эпителиальными клетками кишечника и почек для перекачивания молекул воды из одного внеклеточного пространства в другое. Рис. 6-52. Асимметричное распределение транспортных белков в плазматической мембране клетки эпителия кишечника приводит к сквозному транспорту глюкозы из полости кишки сквозь клетку во внеклеточную жидкость (откуда она поступает в кровь). Глюкоза проникает в клетку через апикальную мембрану посредством Na + -зависимого симпорта глюкозы и выходит из клетки (по градиенту своей концентрации) путем облегченной диффузии, опосредуемой другим белком-переносчиком глюкозы, локализованном в базальном и латеральном доменах. Градиент Na + , который приводит в движение симпорт глюкозы, поддерживается (Na + + К + )-АТРазой, находящейся в плазматической мембране базолатерального домена; благодаря этому ферменту внутриклеточная концентрация Na + сохраняется на низком уровне. Соседние клетки соприкасаются между собой, образуя непроницаемые контакты (называемые плотными контактами), обладающие двоякими функциями в представленном здесь процессе транспорта. Эти контакты препятствуют проникновению растворов в щели между клетками эпителия и способствуют возникновению градиента глюкозы через слой эпителиальных клеток. Плотные контакты также служат барьером внутри плазматической мембраны, препятствующим диффузии молекул по поверхности мембраны. Благодаря им различные белки-переносчики удерживаются в соответствующих мембранных доменах (см. рис. 6-36). 393 Рис. 6-53. Активный транспорт Сахаров внутрь бактериальных клеток за счет направленного переноса групп. Специальная «фосфотрансферазная система белков» в бактериальной мембране фосфорилирует сахар сразу после переноса его через мембрану. Донором фосфата служит фосфоенолпируват, а не АТР. Во многих эпителиальных клетках площадь плазматической мембраны намного увеличена за счет существования тысяч микроворсинок, выступающих с апикальной поверхности в виде тонких пальцевидных образований (рис. 6-52). Такие микроворсинки могут увеличивать общую площадь всасывающей поверхности в 25 раз, тем самым значительно повышая транспортные возможности клетки. Апикальная поверхность эпителиальной клетки кишечника является также местом, где локализованы иммобилизованные гидролитические ферменты, участвующие в конечных стадиях переваривания пищи. Увеличение площади поверхности эпителия за счет микроворсинок в значительной степени способствует перевариванию и всасыванию пищи. 6.4.12. Активный транспорт в бактериях может идти путем векторного переноса групп [29] Как мы теперь знаем, активный транспорт в клетках может приводиться в действие светом (например, в бактериородопсине), гидролизом АТР или же ионными градиентами. Четвертый путь, используемый некоторыми бактериями, состоит в том, чтобы молекулу, вошедшую в клетку посредством пассивного транспорта, «поймать в капкан» с помощью химической модификации, которая не дает возможности молекуле выйти обратно тем же путем. Например, сахара после переноса через плазматическую мембрану некоторых бактерий фосфорилируются. В результате такой модификации они становятся заряженными, не могут выйти обратно и поэтому накапливаются в клетке. Более того, вследствие фосфорилирования транспортируемых Сахаров концентрация их нефосфорилированных аналогов внутри клетки остается очень низкой, так что градиент концентрации сахара продолжает «вталкивать» эти молекулы в клетку. Поскольку фосфатные группы переносятся на молекулы растворенных веществ после их транспорта, этот тип активного транспорта называют векторным или направленным переносом групп. В большинстве хорошо изученных примеров механизм фосфорилирования достаточно сложен и тщательно регулируется. В нем принимают участие по крайней мере четыре отдельных мембранных белка, а в качестве донора высокоэнергетического фосфата используется фосфоенолпируват, а не АТР (рис. 6-53). 6.4.13. Гактерии с двойными мембранами обладают транспортными системами, которые зависят от водорастворимых субстрат- связывающих белков [30] Как уже упоминалось выше, плазматические мембраны всех бактерий содержат белки-переносчики, использующие градиент ионов Н + для 394 Рис. 6-54. Схематическое изображение небольшого участка двойной мембраны бактерий Е. соli. Внутренняя мембрана -это клеточная плазматическая мембрана. Между внутренней и внешней липидными бислойными мембранами находится высокопористый, упругий пептидогликан, состоящий из белков и полисахаридов, входящих в клеточные стенки бактерий. Он присоединен к липопротеиновым молекулам внешней мембраны и заполняет периплазматическое пространство. В нем содержатся различные растворимые белки. Темные нити на поверхности внешней мембраны представляют собой полисахаридные цепи специальных липополисахаридных молекул, образующих внешний монослой верхней мембраны. Для простоты показаны лишь несколько цепей. Бактерии с двойной мембраной называются грамотрицателъными, поскольку они не окрашиваются темно-синей краской по Граму. Бактерии с одной мембраной (но с толстыми клеточными стенками), например, стафиллококки или стрептококки, окрашиваются по Граму и называются грамположительными. Их единственная мембрана аналогична внутренней мембране грамотрицательных бактерий. перекачки различных питательных веществ внутрь клетки. Однако многие бактерии, включая Е. coli, имеют еще и окружающую их внешнюю мембрану, через которую растворенные вещества с молекулярной массой до 600 дальтон могут относительно свободно проникать через различные каналообразующие белки (известные под общим названием порины) (рис. 6-54). У этих бактерий для переноса некоторых Сахаров, аминокислот и мелких пептидов через внутреннюю (плазматическую) мембрану существует двухкомпонентная транспортная система, использующая водорастворимые белки, локализованные в периплазматическом пространстве между двумя мембранами. Такие периплазматические субстрат- связывающие белки присоединяют к себе специфические молекулы, которые нужно перенести через мембрану. При этом конформация белков меняется, что позволяет им связываться с другим компонентом транспортной системы - трансмембранным белком-переносчиком, находящимся во внутренней мембране (рис. 6-55). По-видимому, субстрат-связывающие белки передают присоединенное к ним растворенное вещество специальному белку-переносчику, который затем использует энергию гидролиза АТР для переноса его через внутреннюю мембрану. Те же самые периплазматические субстрат-связывающие белки служат и в качестве рецепторов в хемотаксисе -адаптивном процессе, позволяющем бактериям перемещаться в направлении более высокой концентрации специфического питательного вещества. Теперь же мы вновь обратимся к каналообразующим белкам. 6.4.14. Белковые каналы образуют в плазматической мембране поры [31] В отличие от белков-переносчиков белковые каналы (или каналообразующие белки) формируют в мембранах поры, заполненные водой. При этом каналообразующие белки внешних мембран бактерий (а также митохондрий и хлоропластов) образуют большие, относительно неспецифичные поры, а в плазматических мембранах животных и растительных клеток эти поры малы по размеру и высоко специфичны. Почти все белковые каналы служат для специфического транспорта ионов и обсуждаются здесь под названием ионных каналов. Ионные каналы обеспечивают перенос приблизительно 10 6 ионов в секунду, что более чем в 100 раз больше скорости транспорта, осуществляемого любым из известных белков-переносчиков. Ионные каналы никогда не работают совместно 395 Рис. 6-55. Транспортная система, зависящая от периплазматических субстрат-связывающих белков в бактериях с двойной мембраной. Растворенные вещества диффундируют через каналообразующие белки (порины), находящиеся во внешней мембране, и связываются с периплазматическими субстрат-связывающими белками. При этом белки испытывают конформационные изменения, приобретая способность связываться с белками-переносчиками плазматической мембраны, которые затем перехватывают субстрат и активно транспортируют его через бислой. Эта стадия опосредуется гидролизом АТР. Пептидогликаны для простоты не показаны. Их пористая структура позволяет субстрат- связывающим белкам и водорастворимым веществам двигаться путем простой диффузии. с источником энергии; осуществляемый ими транспорт всегда пассивный («с горки») и позволяет специфическим ионам, главным образом Na + , К + , Са 2+ или С1 - , диффундировать по их электрохимическим градиентам через липидный бислой. Белковые каналы плазматической мембраны обладают ионной селективностью, т. е. позволяют диффундировать через них только ионам определенного вида. По-видимому, поры должны быть достаточно узкими, чтобы ионы находились в тесном контакте с их стенками и чтобы проходить могли только те из них, которые имеют подходящий размер и заряд. Скорее всего на этом пути ионам приходится терять большинство или даже все ассоциированные с ними молекулы воды. Эти два обстоятельства накладывают ограничение на скорость диффузии через канал и делают его селективным фильтром, допускающим прохождение только ионов определенного типа. Таким образом, при увеличении концентрации ионов их поток через канал возрастает пропорционально, но лишь до определенного предела. Другой особенностью, отличающей ионные каналы от простых пор, заполненных водой, является то, что они открыты не все время. Как показано на рис. 6-56, каналы имеют «ворота», которые открываются на Рис. 6-56. Схематическое изображение воротного ионного канала в закрытой и открытой конформациях. Трансмембранный белок, показанный в разрезе, образует в липидном бислое заполненную водой сквозную пору при открытых воротах. В состав стенок поры входят, видимо, гидрофильные аминокислотные остатки. Гидрофобные остатки взаимодействуют с липидным бислоем. Ионная селективность канала определяется самым узким его местом. Временное открытие ворот вызывается специфическим возмущением мембраны, различным для разных каналов (обсуждается в тексте). Положение ворот и ионного селективного фильтра для большинства каналов неизвестно. 396 короткое время, а затем закрываются. В большинстве случаев ворота открываются в ответ на специфические возмущения мембраны. Среди них наиболее известны в настоящее время изменение мембранного потенциала (потенциал-зависимые воротные каналы), механическая стимуляция (механически открываемые каналы - см. разд. 19.6.3) или связывание сигнальных молекул (лиганд-зависимые воротные каналы). Сигнальными лигандами могут быть либо внеклеточные посредники, называемые нейротрансмиттерами или нейромедиаторами (нейротрансмиттер- зависимые каналы), либо внутриклеточные посредники, например ионы (ион-зависимые каналы - см. разд. 21.1.1.), нуклеотиды (нуклеотид- зависимые каналы - см. разд. 3.3.5) или GTP-связывающие регуляторные белки (G-белок-регулируемые каналы - см. разд. 12.3.12). На сегодняшний день известно уже около 50 видов ионных каналов. И в настоящее время продолжают открывать все новые их виды. Ионные каналы ответственны за электрическую возбудимость нервных и мышечных клеток; они осуществляют большинство форм передачи электрических сигналов в нервной системе. Отдельная нервная клетка обычно содержит более пяти видов ионных каналов. Однако такие каналы присущи не только электрически возбудимым клеткам. Они есть у всех животных клеток и обнаруживаются в некоторых клетках растений и микроорганизмов. Именно эти каналы, например, ответственны за закрывание листьев в ответ на раздражение у мимозы или за изменение направления движения на обратное у одноклеточного Paramecium. Видимо, наиболее распространенными ионными каналами являются те, которые проницаемы главным образом для К + . Они обнаружены в плазматических мембранах почти всех животных клеток. Поскольку для их открывания скорее всего не требуется специфических мембранных возмущений, их называют иногда калиевыми проточными каналами. Эти каналы играют ключевую роль в установлении мембранного потенциала - разности электрического напряжения, наблюдающейся на двух сторонах всех типов мембран. 6-24 6-26 6.4.15. Мембранный потенциал зависит от К + -проточных каналов и градиента К + через мембрану [32] Мембранный потенциал зависит от распределения ионов на обеих сторонах мембраны. Выше уже шла речь о том, что (Na + +К + )-АТРаза способствует установлению осмотического равновесия в клетке за счет поддержания низкой внутриклеточной концентрации Na + . Из-за низкой концентрации натрия внутри клетки необходим избыток других катионов, чтобы сбалансировать заряд фиксированных клеточных анионов - отрицательно заряженных органических молекул, находящихся внутри клетки. Эту роль выполняют главным образом ионы калия благодаря |