Переносчики: разнообразие функций

Содержание

Введение. 3

1. Переносчики: разнообразие функций. 7

2. Переносчики как ферменты: применение теории скоростей. 9

3. Применение теории переходного состояния при изучении работы переносчиков. 10

4. Анализ стационарного состояния. 12

5. Некоторые симпортеры, антипортеры и унипортеры.. 14

5.1 Белок полосы 3 - анионный переносчик из мембраны эритроцитов. 15

5.2 Группа митохондриальных переносчиков. 17

5.3 Переносчик глюкозы из мембраны эритроцита. 18

5.4 Лактозопермеаза из е. Соli 20

6. Несколько примеров активных переносчиков, использующих энергию атр и фосфоенолпирувата. 22

6.1 Переносчики катионов плазматической мембраны (е1e2-типа): атр-зависимые ионные насосы.. 25

6.2 АТР-азы F1F0-типа из митохондрий, хлоропластов и бактерии. 30

6.3 Три других класса переносчиков. 32

Заключение. 36

Введение

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Фосфолипидный биослой является очень эффективным барьером для множества небольших растворимых молекул. Тем не менее через плазматическую мембрану, а также через мембраны, ограничивающие различные органеллы (например, митохондрии), постоянно транспортируются полярные вещества и ионы. Этот транспорт целиком опосредован белками, и для объяснения механизма переноса растворимых веществ через мембрану было предложено много моделей. Будет полезно ввести несколько терминов, использующихся для характеристики белков или структур, участвующих в трансмембранном транспорте. В табл.1 дается классификация транспортных белков. Прежде всего их подразделяют на каналы (или поры) и переносчики. Поры и каналы часто изображают в виде туннелей через мембрану, в которых места связывания транспортируемых растворимых веществ доступны с обеих сторон мембраны одновременно. Канальные белки не претерпевают никаких конформационных изменений в процессе переноса растворимых веществ с одной стороны мембраны на другую. Напротив, конформация переносчиков в процессе транспорта различных веществ изменяется. Переносимое вещество связывается с одной стороны мембраны, и для высвобождения его с другой стороны в переносчике должно произойти определенное конформационное изменение. При этом в любой момент времени место связывания вещества доступно только с одной стороны мембраны.

Таблица 1. Классификация некоторых транспортных белков, основанная на механизме их действия и энергетике.

Переносчики можно разделить на две группы: пассивные и активные. Мы будем использовать термин пассивный переносчик в том случае, когда при его участии осуществляется перенос через мембрану единственного типа веществ. Переносчики-унипортеры только увеличивают поток вещества, идущий без потребления энергии, т.е. по градиенту электрохимического потенциала. Такой процесс называется облегченной диффузией. Наиболее полно изученным пассивным переносчиком является переносчик глюкозы в эритроцитах.

Активные переносчики осуществляют перенос веществ через мембрану с затратами энергии, в результате эти вещества накапливаются с одной стороны мембраны. При этом транспорт вещества должен быть сопряжен с другим, запасающим свободную энергию процессом. Почти все первичные активные переносчики являются ионными насосами, в которых перемещение иона прямо сопряжено с поставляющей энергию химической или фотохимической реакцией. Примером ионного насоса является бактериородопсин, который для переноса протонов через мембрану использует энергию фотонов видимого света. В большинстве случаев ионные насосы являются электрогенными: при работе первичного насоса осуществляется перемещение заряда, в результате чего происходит разделение электрических зарядов и на мембране создается напряжение.

Первичные активные переносчики генерируют напряжение и создают трансмембранные ионные градиенты. Вторичные активные переносчики используют такие градиенты в качестве движущей силы для транспорта растворимых веществ. Наиболее полно охарактеризованным примером такого рода является белок - переносчик лактозы (лактозопермеаза) из Escherichia colt. Этот переносчик использует протонный электрохимический градиент, генерируемый дыхательной электронтранспортной цепью, в качестве движущей силы для накопления лактозы в клетке. Это пример симпорта, когда через мембрану одновременно переносятся два разных вещества (например, протоны и лактоза). Антипортеры осуществляют транспорт веществ в противоположных направлениях. Так, например, белок полосы 3 эритроцитов осуществляет сопряженный транспорт Cl - и НСО3 - в противоположных направлениях через эритроцитарную мембрану.

Термины пермеаза, транслоказа и переносчик, являющиеся синонимами, их часто используют по отношению к транспортным белкам, отличным от первичных активных переносчиков. Обычно термин "пермеаза" применяют при описании бактериальных транспортных белков. Термин "переносчик", по-видимому, лучше использовать по отношению к ионофорам или сходным с ними структурам, которые связываются с ионами и переносят их через биослой в составе комплекса.

Некоторые группы переносчиков:

1. Митохондриальные переносчики:

переносчик ADP/ATP; - переносчик Н+ - фосфатаза;

разобщающий белок (переносчик Н+ /ОН -)

2. Переносчики сахаров:

переносчик глюкозы (клетки млекопитающих);

переносчик Н+-арабинозы (Е. coli);

переносчик Н+ - ксилозы (Е. coli);

3. АТРазы E1E2-типа, сопряженные с трансмембранным переносом ионов:

Н+ /К+-АТРаза (слизистая желудка млекопитающих);

Na+ /К+ - АТРаза (плазматическая мембрана);

Са2+-АТРаза (саркоплазматический ретикулум);

Н+ - АТРаза (плазматическая мембрана);

К+-АТРаза (S. faecalis).

Переносчики: разнообразие функций

Функции переносчиков весьма разнообразны; проиллюстрируем их на нескольких примерах.

Таблица 2. Сравнение скоростей транспорта для некоторых систем.

В табл.2 приведены значения числа оборотов для нескольких переносчиков. Для лактозопермеазы Е. coli максимальное число оборотов составляет всего лишь 30 с-1. Ее роль состоит в транспорте лактозы - углевода, который затем участвует в клеточном метаболизме.

Для ионных насосов, использующих для работы энергию гидролиза АТР или переноса электронов, характерны максимальные числа оборотов, что довольно типично для ферментов.

Однако не все переносчики работают столь медленно. Анионный переносчик белок полосы 3 из эритроцитарной мембраны играет важную физиологическую роль в усилении быстрого трансмембранного обмена С1 - на НСО3-. Одна из функций эритроцитов заключается в усилении транспорта СО2 от различных тканей к легким. В венозных капиллярах СО2 быстро диффундирует через эритроцитарную мембрану. В клетке под действием карбоангидразы СО2 превращается в Н2СО3, затем быстро устанавливается равновесие Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3 - , и анион бикарбоната переносится через мембрану в плазму крови белком полосы 3. В результате по мере того, как эритроцит проходит по капиллярам, концентрация НСО3 - в плазме увеличивается, причем этот процесс занимает меньше 1 с. Когда кровь достигает легких, начинается диффузия СО2 в атмосферу. При этом под действием карбоангидразы в эритроцитах происходит массовое превращение Н2СО3 в СО2 и Н2О. Этот процесс в свою очередь является движущей силой для переноса аниона бикарбоната внутрь эритроцита, где он быстро превращается в СО2 и Н2О.

Транспортная система должна функционировать очень быстро, но в отличие от ионных каналов в аксонах здесь нет нужды в электрогенных реакциях, которые только замедлили бы быстрый массовый транспорт. Но транспорт катиона, например Na+, вместе с НСО3 - был бы нежелателен, поскольку изменение концентрации соли в эритроците привело бы к осмотическому дисбалансу. Эта проблема решается с помощью антипортера, который в обмен на каждый транспортируемый ион НСО3 - переносит в обратном направлении анион Сl-. Такая челночная система работает очень быстро.