Механизм сопряженного транспорта через мембрану клетки
• Бактериальная лактопермеаза функционирует как симпортер, который осуществляет сопряжение транспорта лактозы и протонов через цитоплазматическую мембрану
• Для поступления в клетку лактозы с участием лактопермеазы используется электрохимический Н+-градиент
• Для создания градиента протонов по обе стороны цитоплазматической мембраны лактопермеаза может также использовать градиент лактозы
• В процессе транспорта лактопермеаза, вероятно, меняет свою конформацию. При этом субстрат связывается с одной стороны мембраны и высвобождается с другой ее стороны
• Бактериальный переносчик глицерин-3-фосфата представляет собой антипорт, по строению напоминающий лактопермеазу
Транспортные белки представляют собой интегральные белковые компоненты мембран, обеспечивающие прохождение молекул через мембранный бислой. Унипортеры транспортируют метаболиты в направлении их концентрационного градиента. Симпортеры и антипортеры осуществляют транспорт одного метаболита против его концентрационного градиента.
Этот транспорт осуществляется за счет сопряжения с движением второго метаболита в направлении градиента. Многие переносчики относятся к суперсемейству белков, облегчающих основные транспортные процессы (MFS) и переносящих сахара, их фосфаты, лекарства, нейромедиаторы, нуклеозиды, аминокислоты, пептиды и другие метаболиты через клеточные мембраны.
В данной статье мы рассмотрим два MFS транспортера: бактериальную лактопермеазу, LacY, которая функционирует как мономерный олигосахарид/Н+-симпортер, и бактериальный переносчик глицерин-3-фосфата, GlpT, являющийся антипортером.
Лактопермеаза бактерий, LacY, катализирует захват лактозы за счет энергии градиента Н+, направленного в клетку.
Градиент устанавливается при дыхании бактерий или гидролизе АТФ, при котором из клетки выходят протоны.
LacY также может использовать энергию градиента лактозы для транспорта протонов из клетки против градиента концентрации.
LacY был первым из выделенных генов, кодирующих мембранный транспортный белок. Этот симпортер использует свободную энергию, высвобождающуюся при транспорте Н+ в направлении электрохимического градиента (обычно при этом происходит защелачивание цитозоля), для транспорта питательных метаболитов, таких как лактоза, против градиента концентрации.
Протонный градиент по сторонам цитоплазматической мембраны устанавливается за счет дыхательной цепи и F1F0-АТФазы, которая осуществляет сопряженный гидролиз АТФ и экспорт протонов из клетки. Стехиометрия транслокации лактозы и Н+ для LacY равняется 1:1, и оба субстрата транспортируются в одном направлении.
Однако совместный транспорт лактозы и протонов может происходить в любом направлении, в зависимости от трансмембранного градиента. Так, за счет градиента лактозы, протоны могут транспортироваться против своего градиента и создавать градиент Н+, направленный в клетку или из клетки, в зависимости от направления градиента концентрации лактозы. В отсутствие значительного электрохимического градиента Н+ совместный транспорт лактозы и протонов может происходить в любом направлении и зависит от направления трансмембранного градиента лактозы.
В состав LacY входят 12 трансмембранных спиралей, соединенных гидрофильными петлями, и цитоплазматические N- и С-терминальные участки. Он содержит два домена, каждый из которых состоит из шести трансмембранных сегментов, образующих симметричную структуру, по форме напоминающую сердце. Эта модель разработана на основании данных рентгеноструктурного анализа. Сайт связывания субстрата представляет собой гидрофильную полость, которая находится приблизительно в центре липидного бислоя.
Топология бактериальной лактопермеазы LacY
Кристаллическая структура LacY представлена во внутренней конфигурации, с полостью, открытой в сторону цитоплазмы.
Ранее была предложена аллостерическая модель транспорта лактозы/протонов с участием LacY, которая согласуется с кристаллической структурой белка. В модели, представленной на рисунке ниже, сайт связывания субстрата на LacY оказывается доступным или изнутри клетки, или с внешней стороны мембраны, но недоступен с двух сторон одновременно. Протонирование и связывание лактозы белком, находящимся в наружной конформации, изменяет его конформацию на внутреннюю.
Такая организация структуры, при которой оба субстрата связываются с белком до наступления конформационных изменений, обеспечивает процессы сопряженного и одновременного транспорта. Вход в клетку лактозы и протонов снова приводит к наружной конформации белка. Таким образом, связывание субстрата и его высвобождение снижают энергетический барьер между внутренней и наружной конформацией и облегчает их взаимные переходы в белке.
Бактериальный переносчик глицерин-3-фосфата, GlpT, является антипортером, близким к LacY. Он транспортирует в клетку глицерин-3-фосфат, который необходим для выработки энергии и синтеза фосфолипидов. GlpT функционирует как обменник между органическим и неорганическим фосфатом за счет энергии градиента Pi. Подобно LacY, он обладает симметричными терминальными N- и С-доменами, каждый из которых состоит из шести трансмембранных сегментов, окружающих транспортный путь.
Хотя LacY действует как симпортер, а GlpT как антипортер, оба переносчика, по-видимому, используют один и тот же механизм транспорта с попеременным доступом. Однако связывание глицерин-3-фосфата с GlpT и высвобождение фосфата происходит, когда белок находится в наружной конформации, а для внутренней конформации характерны противоположно направленные процессы. Для унипортеров глюкозы также предполагается механизм попеременного доступа.
Модель, описывающая конформационные изменения между внутренней и наружной конфигурациями лактопермеазы LacY.
Кристаллическая структура представлена для внутренней конформации переносчика, и связывающая субстрат полость открыта в цитоплазму.
Модель построена на основании данных Protein Data Bank file IPV6. Указано предполагаемое положение мембраны.
Схематическое изображение и рентгеноструктурное строение бактериального переносчика глицерин-3-фосфата, а также модель попеременного доступа для транспортного процесса.
Этот переносчик напоминает лактопермеазу LacY. Вверху слева показаны градиенты фосфата и глицерин-3-фосфата по сторонам клеточной мембраны бактерии.
Кристаллическая структура представлена для внутренней конформации переносчика. Модель построена на основании данных Protein Data Bank file 1PW4.
Указано предполагаемое положение мембраны.
