РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТА

Активность Na / K-АТФазы в клетке регулируется многими факторами. На первом месте стоят соотношение Na / K и доступность ATФ - это факторы так называемой краткосрочной регуляции активности. Показателем «энергоемкости» транспорта может служить то, что в нейронах мозга, например, на транспорт затрачивается до 30% всего фонда АТФ, причем спящий мозг расходует на поддержание разницы в распределении одновалентных катионов внутри и вне нейронов почти столько же энергии, сколько и бодрствующий. К долгосрочным механизмам регуляции фермента можно отнести гормональную регуляцию синтеза Na / K-АТФазы, осуществляющуюся на уровне генетического аппарата (например, активацию синтеза фермента гормоном, регулирующим минеральный обмен, - альдостероном).

Na / K-АТФаза является ферментом наружной мембраны клеток всех тканей животных, и определяет асимметричное распределение ионов натрия и калия по обе стороны клеточной мембраны. Важность этого фермента иллюстрируется тем, что на его работу расходуется около 25% всего АТФ клетки. Асимметричное распределение одновалентных катионов важно и для формирования мембранного потенциала клетки, и для транспорта метаболитов через клеточную мембрану, и для регуляции внутриклеточных реакций обмена веществ.

Другой парой жизненно важных ионов являются Са и Mg. В морской воде, где, вероятно, зарождалась жизнь, ионы Са2 + и Mg2 + присутствуют в сопоставимых концентрациях. Близко их содержание и в плазме крови человека, около половины кальция в плазме связано с органическими фосфатами и белками. В цитоплазме клетки концентрация ионов Са2 + в 10 000 раз меньшая. Магния в цитоплазме в 10 раз больше, чем в крови, однако он более чем на 90% связан с нуклеотидами и другими полианионами, вследствие чего концентрация свободных ионов Mg2 + в цитоплазме почти такая же, как в крови. Комплексы магния с нуклеотидами, фосфолипидами, нуклеиновыми кислотами и фосфосахарами часто являются истинными субстратами ферментов, а свободный Mg2+ может выполнять роль кофактора соответствующего метаболического процесса.

В отличие от магния, кальций в цитоплазме не может образовывать комплексы с метаболитами, так как его концентрация очень низка. Он редко является кофактором ферментативных реакций, хотя может регулировать многие метаболические процессы, активируя специфические Са-связывающие белки. Именно в передаче регуляторных сигналов заключается основная функция Ca2 +.

Клетка не может жить как без Mg2 +, так и без Са2 +, однако продолжительное (в течение десятков минут) повышение уровня Са2 + в цитоплазме приводит к гибели клеток.

Итак, содержание ионов Са в цитозоле и во внешней среде различается на 4 порядка. Низкое содержание Са делает клетку очень чувствительной к минимальным изменениям его концентрации и, соответственно, позволяет Са регулировать те или иные процессы в клетке. Логично предположить, что существует механизм, обеспечивающий перенос ионов Са через мембрану. Перенос Са служит примером использования клеткой различных механизмов транспорта:

(1) сложно организованные белковые структуры, обеспечивающие вход Са2 + в цитоплазму по градиенту его концентрации (белковые Са2 +-каналы);

(2) селективные системы активного транспорта Са2 + против градиента его концентрации, использующие для этого либо энергию АТФ (Са-насос), либо градиенты других ионов (например, Na / Ca-переносчик).

Поддерживает разницу в концентрации Са система активного транспорта ионов кальция, главную роль в которой играет кальциевый насос – система ферментов - кальциевых АТФаз (Са-АТФазы). АТФазы различаются по локализации в клетке, строению и способу регуляции. Но все они переносят ионы кальция за счет энергии гидролиза АТФ, поддерживая тем самым низкую концентрацию ионов кальция в цитоплазме. Все Са-АТФазы представляют собой мономерные белки, но несколько различаются по молекулярной массе. Так, Са-АТФаза саркоплазматического ретикулума имеет молекулярную массу 108 кД, а плазматическая Са-АТФаза - 120 кД.

Работа АТФаз в цитоплазме покоящихся клеток создает возможность регуляции клеточных функций путем увеличения проницаемости клеточных мембран для Ca2 +: входя в клетку, эти ионы активируют множество различных внутриклеточных процессов. Например - сокращение мышцы, которое начинается с выхода ионов кальция из саркоплазматического ретикулума и его взаимодействия с сократительными белками. Последующее удаление Ca2+ из цитоплазмы и накопление его в емкостях эндоплазматического ретикулума осуществляются Са-АТФазой и приводят к расслаблению мышцы. В других клетках ионы кальция, входя пассивно через открывающиеся каналы, связанные с различными рецепторами, также играют роль посланников, дающих приказы включить ту или иную внутриклеточную систему. После исполнения приказа "посланников" надо выпроводить из цитоплазмы, что и делают Са-АТФазы, а также Na+-Ca2 +-обменники.

Хотя транспортные АТФазы и называют ионными насосами, от корабельной помпы их отличает то, что они не качают жидкость, а переносят дискретные частицы - ионы. Каждый цикл переноса включает в себя как минимум три стадии:

1) частицу надо захватить с одной стороны мембраны,

2) перенести ее через мембрану (транслоцировать) и

3) выпустить с другой стороны.

Осуществление этих стадий сопряжено с расходом энергии, и, следовательно, одновременно происходят изменения АТФ, высвобождение энергии.

Работа насоса (почему и насос) замечательна тем, что стадии переработки АТФ как бы чередуются со стадиями переноса Ca2 + :

1) связывание двух ионов кальция на поверхности АТФазы, обращенной в цитоплазму;

2) связывание на той же поверхности молекулы АТФ;

3) фосфорилирование белка (образование фосфофермента) и высвобождение АДФ;

4) высвобождение ионов кальция с поверхности АТФазы, связывание магния;

5) гидролиз фосфатной связи и отщепление ионов магния;

6) переход молекулы фермента в исходное состояние.

СТРОЕНИЕ КАЛЬЦИЕВОЙ АТФазы. Са-АТФаза саркоплазматического ретикулума скелетных мышц пронизывает мембрану 11-ю альфа-спиральными участками, большая часть которых соединена снаружи короткими полипептидными связками, за исключением двух протяженных гидрофильных (то есть хорошо растворимых в воде) петель на стороне цитоплазмы. Более короткая петля расположена между a-спиралями М2 и М3, более длинная - между a-спиралями М4 и М5. Длинная петля содержит АТФ-связывающий участок, включающий остаток аспарагиновой кислоты, к которому присоединяется фосфат. Связывание ионов Ca2 + происходит на участке, образованном малой петлей (между a-спиралями М2 и М3), возможно с участием аминокислотных остатков, прилежащих к спиралям М1 и М4. В местах связывания собрано несколько остатков аспарагиновой кислоты, несущих отрицательные заряды.

НАРУШЕНИЕ АКТИВНОСТИ Са-АТФазы В ПАТОЛОГИИ

Структура и функции Са-АТФазы нарушены у гипертоников. Одна из причин – перекисное окисление липидов, при котором происходит окисление SH-групп, входящих в активный центр фермента. «Подпорченная» таким образом Са-АТФаза перестает качать ионы кальция и из насоса она превращается в канал для кальция, через который эти ионы начинают переноситься не из цитозоля в ретикулум, а из ретикулума, где их концентрация выше, в клеточный сок, где их концентрация ниже.

Подобного типа повреждение кальциевых насосов происходит нередко. Хорошо известна роль свободных радикалов в развитии широкого круга так называемых дегенеративных болезней, включая рак, многие интоксикации, болезни, связанные с атеросклерозом и иммунными нарушениями. Во многих случаях повреждение Са-АТФаз свободными радикалами может играть не последнюю роль в зарождении и развитии заболевания.

Следует отметить, что в живой клетке существует дублирование одного и того же процесса, таким образом обеспечивается дополнительный запас прочности. Перенос ионов также осуществляется различными путями, однако АТФ-азы обеспечивают основной путь.

Дата добавления: 2014-03-03; просмотров: 522; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!