Медицинская биохимия (10 семестр)

ATP-зависимые насосы Ca2 + и антипортеры Na +, Ca2 + действуют сообща, чтобы поддерживать низкую концентрацию свободного цитозольного Ca2 +. Концентрация цитозольного свободного иона кальция [Ca2 +] i в нестимулированных клетках составляет от 10-8 до 10-7 моль / л, что более чем в 10 000 раз ниже, чем внеклеточный свободный Ca2 +. Большинство внутриклеточных Ca2 + хранится в эндоплазматическом ретикулуме. Поскольку цитоплазматический [Ca2 +] имеет множество различных внутриклеточных сигнальных функций, его регуляция является сложной. и его обесценение может быть катастрофическим (рис.5-7). Первичный переносчик Ca2 + плазменной мембраны (PMCA) представляет собой насос P-типа с высоким сродством к Ca2 + (Km = 100-200 нмоль / л), но относительно небольшую транспортную емкость [19]. 

РИСУНОК 5-7 Гомеостаз кальция. На рисунке ионы кальция представлены заполненными красными кругами. Ca2 + поступает в клетки через различные каналы, контролируемые лигандом и напряжением, но базальный цитоплазматический свободный Ca2 + поддерживается на уровне менее микромолярного. Цитоплазматический Ca2 + регулируется координатами Na + / Ca2 + антипортером в плазменных мембранах и Ca-АТФазами P-типа в плазматических мембранах и эндоплазматическом ретикулуме. Движущей силой для обмена Na + / Ca2 + антипортером является направленный внутрь Na + градиент, который поддерживается α2 или α3 Na, K-ATPases. Митохондрии могут временно участвовать в гомеостазе Ca2 +, если мощности этих других систем превышены. ER-накопители Ca2 + могут выделяться вторыми мессенджерами, такими как IP3 или Са2 +, в ответ на различные рецепторные системы.

Стехиометрия PMCA представляет собой один Ca2 +, переносимый для каждого гидролизата ATP. Эти насосы, вероятно, не выполняют объемные движения Ca2 +, но наиболее эффективны при поддержании очень низких концентраций цитозольного Ca2 + в покоящихся клетках. Отличительной характеристикой PMCA является то, что в дополнение к связыванию Ca2 + в качестве субстрата они дополнительно активируются связыванием Ca2 + / кальмодулина. Эффект связывания кальмодулина заключается в увеличении сродства сайта Ca2 + субстрата в 20-30 раз. Этот механизм взаимодействия с высокой степенью кооперации делает PMCA очень чувствительным к небольшим изменениям в [Ca2 +] i. Группа из по меньшей мере пяти PMCA образует мультигенную семью. Три изоформы, PMCA1-3, встречаются в головном мозге, и каждый из них имеет различное распределение [20]. Глазные эндоплазматические ретикулярные кальциевые насосы (SERCA), обнаруженные в головном мозге, были впервые идентифицированы в саркоплазматическом ретикулуме. Три изоформы SERCA представляют собой продукты отдельных генов: SERCA-1 выражается в скелетной мышце с быстрым подергиванием; SERCA-2a в сердечной / медленной мышце; SERCA-2b, альтернативно сплайсированная форма, выражается в гладкомышечных и немышечных тканях; SERCA-3 экспрессируется в эндотелиальных, эпителиальных и лимфоцитарных клетках и тромбоцитах. SERCA-2b является основной формой, выраженной в мозге, преимущественно в нейронах. Уникальные структурные данные высокого разрешения, доступные для насоса SERCA1a Ca2 +, освещают структуру всех транспортеров P-типа. 

РИСУНОК 5-8. Структуры кальциевого насоса SERCA1a: E1 (Ca) 2 были получены из кристаллов, образованных в присутствии Ca2 +; E2 был получен из кристаллов, образующихся в отсутствие Ca2 + и в присутствии селективного ингибитора тапсигаргина [84]. Две конформации рассматриваются в плоскости, перпендикулярной (сверху) и параллельной внутри (внизу) липидного бислоя. Десять трансмембранных сегментов нумеруются в порядке от N- до С-конца и окрашены последовательно от синего до красного. Пурпурные сферы представляют собой два Са2 + -связывающих участка в структурах E1, а на нижних рисунках боковые цепи, которые взаимодействуют с Ca2 +, показаны в форме палочки для обеих конформаций. На верхних фигурах N, A и P цитоплазматические домены окрашены в пурпурный, оранжевый и зеленый цвета. Аспартильный остаток D351, который фосфорилирован и дефосфорилирован в каждом цикле накачки, показан как модель заполнения пространства. (Модели, построенные из баз данных базы данных белка 1eul и 1iwo с использованием DeepView 3.7.) [85].

В отличие от насоса Na, K, каталитическая субъединица насосов SERCA Ca2 + активна и не требует связывания с другой субъединицей. Однако сердечная изоформа SERCA-2a ассоциируется с небольшим мембранным белком, фосфоламбаном, который может регулировать силу сердцебиения и скорость. Механизм реакции Ca2 + -pump по существу такой же, как и на рис. 5-2, для насосов Na, K, за исключением того, что два цикла Ca2 + обмениваются в каждом цикле, возможно, для четырех протонов. Первичные последовательности для α-субъединиц Na, K- и H, K-ATPases могут быть наложены на эти структуры Ca2 + -pump с небольшими корректировками, необходимыми для малых удалений и вставок. Обратите внимание, что на рис. 5-8 катионы субстрата связаны с ионофорическими сайтами, состоящими из боковых цепей, образованных четырьмя смежными трансмембранными спиралями, и что конфигурации E2 этих спиралей повернуты относительно конфигураций E1. Изучение путей этих спиралей через двухслойный слой не обнаруживает никакого очевидного «канала» через мембрану. Это согласуется с исследованиями механизма реакции, которые показали, что на последовательных этапах цикла катионы либо имеют доступ только с одной стороны мембраны, либо «закупорены» внутри молекулы насоса. P-насосы имеют три четко демаркационных цитоплазматических домена, которые на рис. 5-8 окрашены в пурпурный (N или нуклеотидный связывание), оранжевый (P или фосфорил) и зеленый (A или активатор). Обратите внимание, что трансмембранная спираль 5, которая вносит вклад в ионофорический домен, простирается в виде спирали хорошо в цитоплазматический домен Р, превращаясь в структуру β-листа только на ее границе с «сигнатурной последовательностью», ICSDKTGTL. Он сохраняется во всех P-насосах и включает аспартильный остаток (заполненный пробелом остаток на рис. 5-8), который реагирует с АТФ и водой в каждом каталитическом цикле. Насыщенные и кальциевые насосы могут быть изолированы до почти чистоты и по-прежнему демонстрируют большую часть биохимических свойств «нативного» насоса. Некоторые кинетические свойства этих насосов в «нативных мембранах» изменяются или исчезают по мере очистки мембранных препаратов. Например, при измерении в неповрежденных мембранах временные зависимости фосфорилирования и дефосфорилирования каталитических центров накачки проявляют двухфазный быстрый медленный переход скорости; эта характеристика постепенно исчезает, так как мембраны обрабатываются мягкими моющими средствами. Одно из предложенных объяснений состоит в том, что, когда насосы начинают циклироваться, каталитические субъединицы связываются с более высокими олигомерами, которые могут обеспечить более эффективную передачу энергии из АТФ в процесс переноса ионов [29, 30]. Некоторые структурные данные показывают, что насосы Na, K существуют в клеточных мембранах как мультимеры (αβ) 2 [31]. 

Медные транспортеры P-типа важны для нервной функции. Болезни Вилсона и Менке имеют основные неврологические компоненты (глава 45). Ген болезни Вильсона кодирует транспортер, выраженный главным образом в печени, который, вероятно, функционирует в экскреции Cu2 +. Ген заболеваемости Menke кодирует тесно связанный транспортер, который регулирует абсорбцию Cu2 + в кишечнике [32].