Механизм действия Са2+-АТФазы

Рассмотрим основные принципы работы ионных насосов на примере Са²⁺-АТФазы саркоплазматического ретикулума (SR) клеток

мышц (SR Са²⁺-АТФаза) (рисунок 64).

Релаксация мышц происходит вследствие уменьшения концен­трации кальция в цитозоле и переноса его в саркоплазматический ретикулум (специализированный "отсек" гладкого эндоплазматического ретикулума для хранения ионов кальция), который осуществляется SR Са²⁺-АТФазой.

Концентрация ионов Са²⁺ в цитозоле клеток мускулатуры изменяется от значений 10 ⁷ М (в расслабленном состоянии) до более чем 10 ⁶ М (при сокращении), а в саркоплазматическом ретикулуме концен­трация Са²⁺ может достигать 10 ² М.

Са²⁺-АТФаза - это 110 кДа полипептид, трансмембранный домен которого состоит из десяти а-спиралей. (1 Дальтон (Да) = 1 а.е.м = = 1,00-10 ²¹ г). Цитоплазматическая часть SR Са²⁺-АТФазы, по массе составляющая приблизительно половину молекулярной массы белка, состоит из трёх доменов А, N и Р (рисунок 64).

Три цитоплазматических домена SR Са²⁺-АТФазы имеют различ­ные функции. Нуклеотид-связывающий домен N связывает АТФ, фосфо- рилируемый домен Р принимает фосфатную группу на аспартат Asp 351, активаторный (управляющий) домен А активизирует домен N.

Десять трансмембранных а-спиралей формируют канал для прохождения Са²⁺ через мембрану. Две из этих спиралей доходят только до середины мембраны и те места, в которых белковая нить становится спиралью, являются центрами связывания ионов кальция.

Пространственное положение домена А управляет сродством ионов Са²⁺ к этим связывающим центрам и последующим выходом ионов кальция из цитозоля наружу из клетки или в саркоплазматический ретикулум клетки.

В исходном состоянии между центром фосфорилирования и цен­трами связывания Са²⁺-ионов достаточно большое расстояние. В процессе одного транспортного цикла домен N наклоняется на 20° влево (рису­нок 61), перемещая АТФ-центр к аспартату Asp 351 (аспарагиновая кис­лота), и домен А поворачивается на 90° вокруг нормали к мембране.

Такие изменения конформации молекулы приводят к перемещению Са²⁺-связывающих центров сначала на одну сторону мембраны, а затем на другую, изменяя при этом сродство этих центров к ионам Са²⁺ от высокого на цитоплазматической стороне мембраны до низкого на саркоплазматической стороне мембраны.

Общим для работы всех насосов является

1) фосфорилирование специфического аспартата - Asp 351 в случае SR Са²⁺-АТФазы;

2) существование как минимум двух различных конформаций, которые мы обозначим и /І .

С учётом фосфорилирования, следовательно, существует минимум четыре конформационных состояния Е_х, Д-Р, Д-Р, Д, на основе которых можно построить общую схему работы насосов (рисунок 65).

Реакционный цикл работы насоса состоит из шести этапов.

Рисунок 65 - Схема механизма действия SR Са²⁺-АТФазы: связывание Са²⁺ (1) и фосфорилирование АТФазы (2) приводит к переносу (3) центров связывания с цитозольной на внешнюю сторону мембраны и высвобождению Са²⁺ (4); гидролиз фосфоаспартата (5) и конформационный переход, переносящий центры связывания обратно на внутреннюю сторону мембраны (6). возвращает АТФазу в исходное состояние

1. Цикл начинается со связывания АТФ и двух ионов Са²⁺ с конформацией Д АТФазы.

2. АТФаза переносит фосфатную группу к целевому аспартату.

проходить фосфорилирование. Фосфорилирование смещает кон- формационное равновесие АТФазы в сторону Е₂ -конформации.

3. Переход от Д к Е_г конформации приводит к "выворачиванию" через мембрану ион-связывающих центров так, что диссоциация ионов кальция будет происходить уже на наружной стороне мембраны.

4. В Е₂ -конформации АТФаза имеет низкое сродство к ионам Са²⁺, что приводит к их высвобождению.

5. Высвобождение ионов Са²⁺ стимулирует гидролиз фосфоаспар­тата (дефосфорилирование) и диссоциацию фосфатной группы.

6. АТФаза, лишённая ковалентно связанной фосфатной группы, конформационно нестабильна в Е₂ состоянии. Она "выворачива­ется обратно" в /', -конформацию, завершая реакционный цикл.

Все ионные насосы P-класса независимо то того, какие ионы они перекачивают через мембрану, имеют подобное строение. Во всех таких насосах происходит фосфорилирование аспартата, трансмембранные а-домены всех насосов P-класса имеют приблизительно одинаковый молекулярный вес и одинаковую "конструкцию" из а-спиралей. Всё это говорит о происхождении всех Р-насосов от общего предка, хотя и с течением времени эти насосы эволюционно приспособились транспортировать различные ионы.

Изменение цитозольной концентрации ионов Са²⁺ играет ключевую роль в механизмах клеточной сигнализации. Для того, чтобы быстро реагировать на сигнал, о котором внутриклеточные системы узнают из скачкообразного роста концентрации кальция в цитозоле, необходимо постоянно (в промежутках между сигналами) поддерживать низкую концентрацию ионов Са²⁺ в цитозоле (ниже 0,1-0,2 мкМ).

Ионы Са²⁺ удаляют из цитозоля Са²⁺-АТФазы плазматической мембраны клетки, строение которых подобно SR Са²⁺-АТФазе. Активность Са²⁺-АТФаз плазматической мембраны регулируется кальций-связывающими цитозольными белками кальмодулинами.

При высокой концентрации кальция в цитозоле кальмодулины, вследствие связывания с ионами кальция, изменяют конформацию и "обхватывают" Са²⁺-АТФазы, что, в свою очередь, индуцирует аллостерическую активацию АТФаз, в результате чего насосы быстро выкачивают ионы из цитозоля.

7.3.