184

Топик к лекции
ТРАНСПОРТ АТФ МЕЖДУ КОМПАРТМЕНТАМИ КЛЕТКИ.
Функция всех клеток в организме зависит от адекватного энергообеспечения.
Универсальным поставщиком энергии является АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).
Живые клетки должны производить это соединение непрерывно т.к. энергия, запасенная в
высокоэнергетических связях молекулы АТФ, необходима для большого числа
внутриклеточных процессов, таких как движение клетки или ее частей (жгутиков,
ресничек), секреция сигнальных молекул (гормонов и нейромедиаторов), сокращения
мышц, деления клетки и многого другого.
Как энергия трансформируется и путешествует по клетке? Этим вопросом стали
задаваться еще в 30-е годы 20 века. Но прежде чем ответить на этот вопрос необходимо
разобраться, где и в каких процессах синтезируется АТФ.
Известно 3 типа клеток: животные, растительные и бактериальные.
У растений АТФ синтезируется в цитоплазме, митохондриях и хлоропластах в
результате гликолиза, окислительного фосфорилирования и фотофосфорилирования
соответственно.
В животных клетках – в результате окислительного фосфорилирования
(митохондрии) и гликолиза (цитоплазма), а в бактериальных клетках в результате
окислительного фосфорилирования, проходящего на цитоплазматической мембране
(ЦПМ), брожения и фотосинтеза.
Начнем рассматривать процесс транспорта АТФ в животных клетках на примере
мышечной ткани.
Итак, источником АТФ в мышечных клетках являются митохондрии. Хотя они
находятся вблизи миофибрилл, АТФ требуется время для преодоления пути к
миофибрилле и проникновения в нее.
Скорость диффузии молекул в миоплазме зависит от размера молекул и разницы
концентраций. Была рассчитана скорость диффузии АТФ в сердечной мышце.
Было показано, что
Скорость диффузии АТФ в сердечной мышце - 35 мМ/мин Это в 250 раз выше
скорости использования АТФ.
• Скорость диффузии АДФ 0,1 мM/мин. Это на 20% ниже скорости использования
АДФ
• Это обусловлено низкой концентрацией свободного АДФ в клетке.
• ВЫВОД Поток АДФ от миофибрилл не может обеспечить адекватную работу
сократительного аппарата.
Поэтому логично заключить, что есть иной путь транспорта энергии в клетке.
Было показано, что в клетках животных содержится вещество, коэффициент диффузии
которого превышает коэфффициент диффузии АТФ и в несколько раз. Эти вещества –
креатин и креатинфосфат.
•
Молекулы креатинфосфата были идентифицированы даже раньше, чем молекулы
АТФ и их роль стала более или менее понятной после обнаружения реакции Ломана
(1934):
Было показано, что креатин является субстратом только одного фермента –
креатинфосфаткиназы. В то время, как АТФ может связываться со многими белками «по
пути» к миофибрилле.
Изоферменты креатинфосфаткиназы локализуются в:
` Митохондриях
` Миофибриллах
` Мембране саркоплазматического ретикулума
` В комплексе с мембранными транспортными белками
Долгое время считалось, что избыток АТФ, синтезируемого в клетке, используется
креатинфосфаткиназой для запасания энергии в виде Кф, который рассматривался как
резервная форма энергии. Но достижения биохимиков в 70-е годы позволили
пересмотреть эту концепцию. С тех пор Кф стали рассматривать как удобный способ
транспорта энергии в клетке.
На рисунке 2 представлена схема челночного механизма Кф.
АТФ, синтезированный в матриксе митохондрий, переносится через внутреннюю
мембрану с участием специфической АТФ-АДФ-транслоказы на активный центр
митохондриального изофермента креатинкиназы, который расположен на внешней
стороне внутренней мембраны; в межмембранном пространстве (в присутствии ионов
Mg2+) при наличии в среде креатина образуется равновесный тройной ферментсубстратный комплекс креатин-креатинкиназа-АТФ-Mg2+, который затем распадается на
креатинфосфат и АДФ Mg2+ . Креатинфосфат диффундирует в цитоплазму, где
используется в миофибриллярной креатинкиназной реакции для рефосфорилирования
АДФ, образовавшегося при сокращении.
Изоферменты КФК находятся в тесном функциональном сопряжении с другими
ферментами, обеспечивающими перенос веществ и ионов через мембраны. Так, в
митохондриях КФК функционирует в тесном сопряжении с АТФ-АДФ-транслоказой, в
миофибриллах, мембране СПР и сарколемме – соответственно с Mg-зависимой, Сазависимой и Na, К-зависимой АТФ-азой.
Недавно выяснилось, что клетки во время активности выбрасывают АТФ в межклеточное
пространство. Этот факт не заслуживал бы особого внимания , если бы многие клетки
организма не проявляли высокую чувствительность именно к внеклеточной АТФ.
Позднее были обнаружены рецепторы к внеклеточному АТФ на поверхности многих
клеток. Различают:
•
Ионотропные рецепторы (В структуре есть ионный канал)
•
Метаботропные рецепторы (Биологический эффект обусловлен наличием
вторичных посредников, активирующих сеть последовательных реакций)
Рисунок 4 Схема нервно-мышечного синапса. Внеклеточные АТФ и аденозин
взаимодействуют с рецепторами (P2Y и Р1 соответственно), расположенными на
мембране нейрона. В свою очередь P2Y через протеинкиназу С (ПКС) связан с
кальциевым каналом, а Р1 — с калиевым. АТФ, выделившись изнервного окончания
(совместно с ацетилхолином, АХ) в синаптическую щель, гидролизуется и активирует
P2Xрецепторы, находящиеся на мембране мышечной ткани.
Как и многие другие нейромедиаторы, вышедшая из клетки АТФ гидролизуется,
образуя аденозин:
АТФ ↔АДФ ↔АМФ ↔аденозин.
Весь процесс, т.е. последовательное отщепление фосфатных групп, катализируется
эктоферментами (внеклеточными), ускоряющими реакцию в сотни, тысячи раз.
Ферменты, работающие на двух первых стадиях, называются экто-АТФаза и эктоАДФаза, а превращение АМФ в аденозин завершается с помощью экто5’нуклеотидазы.
Аденозин тоже является физиологически активным соединением. Он блокирует
выделение всех нейромедиаторов.
Как же происходит транспорт АТФ в бактериальной клетке? В связи с менее
развитой компартментализацией по сравнению с клетками растений и животных, АТФ
может беспрепятственно «путешествовать» в клетке. Но существуют паразитические
микроорганизмы, которые не имеют своего АТФ-синтезирующего аппарата на ЦПМ. Им
необходимо транспортировать его из клеток хозяина (пример, возбудитель сыпного тифа
Rickettsia prowazekii). Для этого в мембрану встроен специальный трансмембранный белок
АТФ-АДФ-транслоказа.
Этот белок имеет консервативные домены, одинаковые для всех видов транслоказ
(митохондрии, пластиды, бактерии) – рисунок 5.
В заключении выделим несколько основных моментов
` АТФ успешно транспортируется между компартментами клетки с помощью белка
АТФ/АДФ – транспортера
` Основной путь транспорта АТФ в мышцах и нейронах – креатинфосфаткиназный
путь
` Существует внеклеточный АТФ, который действует, как медиатор и имеет
собственные рецепторы на поверхности клеток
` У паразитических бактерий АТФ транспортируется по антипорту с АДФ из клеток
хозяина
Список литературы
1. Гиниатуллин, Р.А. Вторая
МЕДИЦИНСКАЯ НАУКА.
профессия
АТФ
//
БИОЛОГИЯ
И
2. Капелько, В.И. Креатинфосфатный путь транспорта энергии в мышечных
клетках // Соросовский образовательный журнал – 2000. – Т. 6, № 11. – С.
8-12.
3. Klingenberg, M The ADP and ATP transport in mitochondria and its carrier //
Biochimica et Biophysica Acta. – 2008. – Vol. 1778. – P. 1978–2021.
4. Winkler, H. H. Non-mitochondrial ATP transport / H. H.Winkler and H. E.
Neuhaus // TIBS – 1999. – Vol. 24. – P.64-68.