Кальциевый насос животной клетки

Гидролиз АТФ    

Итак, на поверхности  АТФазы имеются центры связывания для  двух ионов кальция и для одной  молекулы АТФ, обладающие высоким сродством к субстрату. Они взаимодействуют между собой, так как связывание Са²⁺"запускает'' гидролиз АТФ, присоединенного вместе с Mg²⁺ к своему центру. При этом было показано, что гидролиз АТФ начинается только после того как оба иона кальция присоединятся к своим участкам связывания. Это соответствует стехиометрии переноса Са²⁺ и гидролиза АТФ, равной 2, о которой мы уже говорили.

Фосфорилирование  белка(стадия3)    

Гидролиз АТФ осуществляется Са-АТФазой в три этапа: вначале  происходит связывание АТФ, затем - фосфорилирование белка и отщепление АДФ, и наконец - гидролитическое расщепление белок-фосфатной связи и высвобождение ортофосфата.    

Фосфорилирование осуществляется по карбоксильной группе остатка  аспарагиновой кислоты. Стадия эта  обратима: добавив к изолированным везикулам эндоплазматического ретикулума, содержащим ферментфосфат (Е~ Р), АДФ в присутствии 1 мМ Са²⁺, можно наблюдать почти полный перенос фосфата с белка на АДФ с образованием АТФ. Таким образом, в мембранах СР существует равновесие:

где K_o - константа связывания ионов кальция на АТФазе у наружной поверхности мембранных везикул СР, а K_ph - константа равновесия реакции фосфорилирования. Последняя величина близка к единице.    

Как известно, при гидролизе  АТФ высвобождается большое количество энергии, благодаря чему связь между  фосфатом и АДФ в молекуле АТФ  называют макроэргической (богатой  энергией).    

Обратимость процесса фосфорилирования белка означает, что и связь фосфата с аспарагиновым остатком в фосфорилированном белке (на рис. 3 она обозначена знаком "~ ") тоже богата энергией, которая высвобождается при ее гидролизе. Ниже мы увидим, что именно эта энергия и тратится на активный перенос ионов кальция.

Гидролиз энзим-фосфатного комплекса(стадия 4)    

Высокоэнергетическая (способная  передавать остаток фосфорной кислоты  на АДФ) форма фосфорилированной  АТФазы стабильна только в присутствии  миллимолярных (т. е. сравнительно высоких) концентраций ионов Са²⁺. При меньших концентрациях Ca²⁺ происходит вытеснение ионов Са²⁺ из Са - связывающих центров фосфофермента ионами Mg²⁺ (которые присутствуют в среде и без которых Са-АТФаза не работает); ионы кальция при этом выходят в окружающий раствор.    

Эта стадия работы АТФазы (гидролиз E~ P) - важнейшая в цикле переноса ионов кальция и заслуживает пристального рассмотрения. Вытеснение ионов Са²⁺ из Са - связывающих центров высокоэнергетического фосфопроизводного белка ионами Mg²⁺ происходит, как выяснилось, не одномоментно, а в два этапа: сначала отщепляется кальций, а только потом - происходит гидролиз фосфатной связи (отщепление неорганического фосфата).    

Кальциевый и магниевый  комплексы энзим-фосфата принципиально  различаются по их способности вступать в реакцию с АДФ с образованием АТФ. Как уже говорилось, комплекс кальция с энзим-фосфатом (существующий при высоких концентрациях кальция) может превратиться в исходную Са-АТФазу с синтезом АТФ (так называемое ионное фосфорилирование). Поэтому мы говорим, что фосфат связан с белком макроэргической связью и обозначаем комплекс как E~ P.    

Оказалось, что комплекс энзим-фосфата с магнием не обладает способностью передавать фосфат на АДФ: при гидролитическом отщеплении фосфата уже не выделяется достаточной энергии; связь фосфата с белком не макроэргическая (комплекс обозначаем как E~ P).    

На что же потратилась  энергия фосфатной связи? - Оказывается, она пошла на изменение константы связывания кальция с АТФазой. Изучение влияния ионов Ca²⁺ на распад и образование фосфофермента показало, что при фосфорилировании константа связывания Ca²⁺ уменьшается более чем в 1000 раз, т. е. становится меньше 2·10³М^-1. В 0,5 мМ растворе Ca²⁺ половина всех связанных ранее ионов кальция после форсфорилирования белка отрывается от АТФазы и ионы переходят в раствор; при 1 мМ концентрации ионов кальция в среде в связанном состоянии находятся две трети ионов, остальные выходят в раствор (см. уравнение 3). Наличие ионов магния в среде дополнительно уменьшает количество связанного кальция, поскольку у фосфорилированной АТФазы разница в сродстве к Ca²⁺ и Mg²⁺ не очень велика.    

Что же получается? До фосфорилирования АТФаза связывала кальций при низких концентрациях (10^-7 M), а после фосфорилирования - только при высоких (10^-3 M). Энергия АТФ пошла на то, чтобы АТФаза "вытолкнула" в концентрированный раствор Ca²⁺ ионы, которые фермент "выловил" из их разбавленного раствора. Но это еще не все. Дело ведь в том, что АТФаза связывает кальций по одну сторону мембраны, а отщепляется он - по другую.

Перенос кальция  через мембрану(транслокация)   

В везикулах саркоплазматического ретикулума молекулы Са-АТФазы ориентированы  строго определенным образом, так что связывание ионов кальция и АТФ происходит с наружной стороны пузырьков, а высвобождение кальция - с внутренней. Изучение связывания ионов кальция на разных стадиях работы Са-АТФазы показало, что в нефосфорилированном состоянии Са- связывающие центры АТФазы доступны для ионов Ca²⁺ только с внешней стороны пузырьков и недоступны с внутренней.    

После фосфорилирования фермента Са - связывающие центры становятся доступными с внутренней стороны  и недоступными с внешней. Таким  образом, фосфорилирование приводит к переносу центров связывания кальция через мембрану (транслокации). Поскольку перенос ионов осуществляет белковая молекула, очевидно, что какие-то ее части должны перемещаться, или, как принято говорить, должно происходить изменение конформации белковой молекулы. Одновременно, как уже говорилось, происходит изменение сродства центров связывания к ионам кальция. Механика сопряжена с энергетикой.

Завершение цикла - гидролиз фосфофермента 
(стадии 5 и 6)   

Магниевый комплекс энзим-фофата быстро гидролизуется, и фермент приобретает свои исходные свойства. При этом на поверхности фермента, обращенной наружу, вновь появляются центры связывания кальция с высоким сродством. Очевидно, что гидролиз E~P (стадия 5 на рис. 2) приводит, во первых, к освобождению центров связывания от магния, а во-вторых, к их обратной транслокации (стадия 6). При этом на поверхности фермента, обращенной наружу, центры связывания кальция приобретают вновь высокое сродство к этим ионам. Таким образом, дефосфорилирование E~P приводит к пространственным перемещениям участка белковой молекулы и к изменениям энергии связывания ионов точно так же, как и фосфорилирование АТФазы, но в противоположном направлении. Цикл работы фермента замыкается (см. рис. 3).

Прямые доказательства того, что фермент “шевелится”, когда работает   

Хотя идея о том, что  при работе фермента происходит изменение  конформации белка, высказана давно, прямые доказательства этого получены далеко не для всех известных ферментативных реакций. В этом отношении транспортные АТФазы - благодарный объект, поскольку эти механохимические машины осуществляют перенос ионов с одной стороны мембраны на другую. Ясно, что такие действия связаны с перемещением в пространстве определенных участков белковой молекулы.    

Было показано изменение конформации Са-АТФазы при работе этого фермента методами дифференциальной спектрофотометрии, собственной белковой флуоресценции и спиновых зондов. Однако интереснее всего узнать, на каких именно стадиях работы фермента происходят наиболее заметные изменения конформации белка. В работах, проведенных в нашей лаборатории совместно с В. Б. Ритовым методом спиновых меток, было обнаружено резкое увеличение подвижности участка белка, содержащего SH-группу, при присоединении к ферменту Mg·АТФ. (Спиновая метка - это химическая группировка, содержащая устойчивый свободный радикал - (иминоксил, > NO), сигнал ýïð которого зависит от физических свойств той среды, которая окружает иминоксильную ( > NO) группу. При увеличении подвижности полипептидной цепи, к которой присоединен иминоксильный радикал, меняется соответствующим образом и сигнал ýïð). Затем удалось показать изменение конформации фермента (подвижности спиновой метки, присоединенной к SH-группе) как при образовании фосфофермента, так и при его распаде. Таким образом, механические перемещения участка фермента, которые были предсказаны на основании изучения отдельных стадий работы АТФазы (рис. 3), были подтверждены прямыми опытами.

Физическое состояние  липидов и работа Са-АТФазы   

Активность многих мембранных ферментов, включая Са- АТФазу, существенно зависит от вязкости и химической природы окружающих липидов. Так, например, меняя фосфолипидный состав везикул, в которые встроена Са-АТФаза, можно заметно влиять на активность фермента, причем чем выше текучесть (величина, обратная вязкости) липидного бислоя липосом, тем выше скорость гидролиза АТФ. При изменении температуры также параллельно изменяется текучесть липидного слоя в везикулах и активность Са-АТФазы. Было также показано, что при увеличении вязкости липидного слоя мембран, вызванного окислением фосфолипидов, происходит снижение активности фермента.    

Хотя кажется вроде  бы очевидным, что активность фермента, плавающего в липидном слое, должна зависеть от вязкости этого слоя, над  этим все-таки стоит призадуматься. В самом деле, ведь стадии присоединения субстрата и отщепления продуктов реакции протекают в водной фазе. Поэтому если бы фермент, выполняя свою функцию, не осуществлял никаких механических движений, вязкость вряд ли могла бы влиять на его деятельность.    

По-видимому, к вязкости липидного окружения чувствительны  только те мембранные ферменты, при  работе которых происходит изменение  их конформации. Продолжая эту мысль, можно полагать, что из всех стадий ферментативной реакции только те будут зависеть от вязкости липидов, на которых происходит изменение конформации белка. И действительно, было показано, что скорость распада фермент-фосфатного комплекса Са-АТФазы уменьшается с ростом вязкости липидов. Это подтверждает, что на этой стадии происходит движение участка фермента, которое, согласно схеме на рис. 3, связано с переносом ионов кальция через мембрану.    

В живых клетках изменения  липидного состава мембран, например состава жирных кислот в молекулах  фосфолипидов, включение холестерина или окисление мембранных липидов, также могут влиять на микровязкость липидного слоя и тем самым на активность Са-АТФазы. Разумно предположить, например, что повышение вязкости клеточных мембран ввиду избытка холестерина или перекисного окисления липидов может привести к ухудшению работы ферментных систем, осуществляющих выкачивание Ca²⁺ из клетки и в результате этого - к повышению концентрации этих ионов в клеточном соке со всеми вытекающими последствиями.

Строение кальциевой АТФазы   

Выражение "О ферментах, как и о людях, судят по их действию" , символ веры первого поколения энзимологов, сейчас уже не так бесспорно. Многие ферменты получены в виде кристаллов, и на основании рентгеноструктурного анализа воссоздана их подробная пространственная структура, а подчас и структура их комплексов с субстратами и ингибиторами. К сожалению, транспортные АТФазы, не растворимые в воде и работающие в составе мембран, не удается получить в виде настоящих кристаллов. Тем не менее, многое об их структуре все же известно, включая последовательность аминокислот в полипептидной цепи, локализацию мест связывания ионов и АТФ в полипептидной цепи и расположение определенных участков цепи по отношению к мембране.

   На  рис. 4 приведено схематическое изображение  Са-АТФазы саркоплазматического ретикулума скелетных мышц. Фермент пронизывает  мембрану 11-ю a-спиральными участками, большая часть которых соединена снаружи короткими полипептидными связками, за исключением двух протяженных гидрофильных (т. е. 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 2М и 3М), возможно с участием аминокислотных остатков, прилежащих к спиралям М1 и М4. В местах связывания собрано несколько остатков аспарагиновой кислоты, несущих отрицательные заряды.

Другие Са-АТФазы    

Даже в одних и  тех же клетках поперечно-полосатых мышц содержится не менее двух изоферментов Са-АТФазы, встроенной в мембраны эндоплазматического ретикулума, которые различаются по чувствительности к кофеину. Вообще же можно говорить о целом семействе кальциевых АТФаз. Различают Са-АТФазы цитоплазматических мембран и Са-АТФазы эндоплазматического (в том числе саркоплазматического) ретикулума. Каждая из них представлена несколькими изоформами. Плазматическая Са-АТФаза, в отличие от саркоплазматической, содержит третью петлю полипептидной цепи, экспонированной в цитоплазму и образуемый С-концом. На рис. 4 она обозначена красным цветом. На этом домене имеется центр связывания кальмодулина - регуляторного белка, который, помимо ряда других функций, реактивирует плазматическую Са-АТФазу, о чем будет сказано в следующем разделе.

Регуляция активности транспортных АТФаз   

Активность кальциевых АТФаз внутриклеточных депо (например, эндоплазматического ретикулума клеток сердца, печени или эпителия) регулируется особым белком - фосфоламбаном, который связывает участок пептидной цепи АТФазы неподалеку от места фосфорилирования (см. рис. 4) и тормозит работу фермента за счет уменьшения сродства участков связывания Ca²⁺ к этому иону. При необходимости, внутриклеточные регуляторные системы "отцепляют" фосфоламбан от АТФазы, и ее работа восстанавливается. Это осуществляется за счет фосфорилирования фосфоламбана протеинкиназами. Фосфорилированный фосфоламбан не обладает способностью связываться с Са-АТФазой и снижать ее активность.