МедУнивер - MedUniver.com Все разделы сайта Видео по медицине Книги по медицине Форум консультаций врачей  
Рекомендуем:
Генетика:
Генетика
Аномалии хромосом
Биология клетки
Генетика врожденных пороков
Генетика рака - опухолей
Молекулярная генетика
Наследственные синдромы
Цитогенетика - исследование хромосом
Лечение наследственных болезней
Фармакогенетика
Форум
 

Строение кальциевой АТФазы SERCA и механизм закачивания кальция

• Подобно Na+/К+-АТФазам, реакционный цикл для Ca2+-АТФазы включает две основные конформации

• Фосфорилирование субъединиц Ca2+-АТФазы приводит к изменениям конформации и к транслокации ионов Ca2+ через мембрану

Стимуляция клеток, происходящая под действием гормонов или электрического импульса, приложенного к плазматической мембране, проявляется во временном увеличении концентрации в цитозоле ионов Ca2+, которые регулируют множество внутриклеточных процессов. Под действием Ca2+ активируются многие клеточные функции, от транскрипции генов и синтеза белка до регулируемой секреции гормонов, активации иммунного ответа, клеточной подвижности, возбуждения нейронов и сокращения клеток. Почти все клетки для быстрого увеличения концентрации в цитозоле ионов Ca2+ способны высвобождать их из внутриклеточных депо. Увеличение содержания Ca2+ в цитозоле зависит от его высвобождения из эндоплазматического ретикулума (ЭПР).

Наряду с функционированием в качестве части секреторного механизма, ЭПР функционирует как депо внутриклеточного Ca2+. В эндоплазматическом ретикулуме концентрация Ca2+ составляет порядка 10-3 М, и между ним и цитозолем, содержащим 10-7 М Ca2+, существует крутой электрохимический градиент концентрации. После прохождения кальциевого сигнала в клетке снова устанавливается концентрация Ca2+, характерная для состояния покоя. Основным Ca2+-транспортным белком, который обеспечивает выход из цитозоля ионов Ca2+, является Ca2+-АТФаза, различные изоформы которой присутствуют в ЭПР и в плазматической мембране.

В настоящем разделе мы рассмотрим одну из основных Ca2+-АТФаз, которая находится в мышечных клетках и нейронах. Клетки скелетных мышц обладают специальной структурой больших внутриклеточных депо Ca2+, которые называются саркоплазматическим ретикулумом (СР). Эта структура способна эффективно контролировать внутриклеточный захват Ca2+ и его выброс в цитозоль.

Выход ионов Ca2+ из цитозоля мышечных клеток в основном обеспечивается Ca2+-АТФазой (SERCA) саркоплазматического ретикулума. Клетки мышц являются одними из крупнейших клеток организма, и для эффективной активации и расслабления сократительных белков по всему объему клетки необходима разветвленная сеть структур, обеспечивающих внутриклеточное высвобождение Ca2+ и его реабсорбцию в депо.

Модель транспорта кальция
Цикл транспорта Ca2+ в саркоплазматический ретикулум (СР) SERCA-насосом.
Ионы Ca2+ связываются с высоким сродством с переносчиком, который находится в Е1-конформации.
Конформация Е2 обладает низким сродством к Ca2+. Макроэргическая фосфатная связь обозначена как Е1~Р.

SERCA-насос представляет собой Ca2+-активируемую АТФазу, которая является представителем большого семейства АТФ-зависимых клеточных насосов, известных под названием АТФазы P-типа. Эти АТФазы используют механизм, посредством которого энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ, расходуется на транспорт ионов Н+, Na+ или Ca2+ против градиента концентрации. Характерная особенность АТФаз P-типа состоит в том, что в присутствии соответствующего катиона они используют АТФ для фосфорилирования остатка аспарагиновой кислоты, находящегося в структуре этих ферментов. Фосфорилирование приводит к появлению промежуточного макроэргического белка, который попеременно осуществляет связывание Ca2+ и перенос фосфата в цикле работы насоса.

Таким образом, SERCA-насос использует химическую энергию гидролиза АТФ для быстрого снижения внутриклеточной концентрации Ca2+, за счет его реабсорбции в депо саркоплазматического ретикулума (СР).

На рисунке ниже представлены предполагаемые этапы цикла SERCA-насоса. Этот цикл характеризуется двумя основными конформациями фермента:
• конформация Е1, в которой Ca2+ с высоким сродством связывается с цитоплазматической стороны, и
• конформация Е2, в которой связывание Ca2+ происходит со значительно меньшим сродством, и поэтому он выходит из мест связывания в люмен СР.

В течение каждого ферментативного цикла два иона Ca2+ транспортируются в люмен СР, и предполагается, что протоны переносятся в противоположном направлении. При высокоафинном связывании двух атомов Ca2+, находящихся в цитозоле, конформация меняется на E1 (2Ca2+). В этой конформации белок подвергается аутофосфорилированию с образованием промежуточного макроэргического белка Е1~Р(2Ca2+). Энергия этого фосфопротеина расходуется на переход в конформацию Е2-Р(2Н+), которая обладает меньшим сродством к ионам Ca2+. В этой конформации закрывается вход ионов из цитозоля, снижается сродство к ионам Ca2+-транспортных сайтов, и открывается выход ионов в люмен СР. В обмен на связывание Н+, ионы Ca2+ поступают в депо СР. Затем происходит гидролиз фосфатной группы, и цикл завершается.

Строение кальциевой АТФазы
Расположение сайта фосфорилирования (Asp351) и ключевых остатков аминокислот, участвующих в связывании Ca2+ в изоформе SERCA1.
Показан градиент Ca2+ по сторонам мембраны саркоплазматического ретикулума.

Суммируя, можно отметить, что рабочий цикл SERCA-насоса состоит из последовательных событий фосфорилирования-дефосфорилирования, в результате которых два иона Ca2+ транспортируются в СР против градиента концентрации в обмен на два иона Н+. При этом происходит гидролиз одной молекулы АТФ.

SERCA-насос характеризуется асимметричным расположением трансмембранных и цитозольных доменов, которые значительно перемещаются при транспорте ионов Ca2+. Как следует из рисунка ниже, АТФаза состоит из 10 трансмембранных а-спиралей (М1-М10) и двух больших цитоплазматических петель, расположенных между трансмембранными спиралями, причем одна петля находится между М2 и М3, а другая между М4 и М5. Трансмембранные а-спирали образуют сайты связывания Ca2+, которые в конформации Е, кооперативно связывают два атома Ca2+ из цитозоля. Две цитоплазматические петли образуют три отдельных домена. Петля между спиралями М4 и М3 образует нуклеотид-связывающий домен (N), который связывает АТФ, и P-домен, содержащий сайт фосфорилирования. Петля между М2 и М3 содержит домен (А), который необходим для передачи конформационных изменений между трансмембранным и цитозольным доменами.

На рисунке ниже представлены две кристаллические структуры, соответствующие SERCA-насосу, находящемуся в конформации Е2 (2Н+) и Е1 (2Ca2+). Трансмембранные сегменты содержат гидрофильные остатки, которые образуют транспортный путь для ионов Ca2+. Открытие и закрытие транспортного пути, по-видимому, сопряжены с конформационными перестройками цитоплазматических доменов с участием S4 и S5 удлиннений М4 и М5 трансмембранных сегментов. Для структуры, способной с высоким сродством связывать Ca2+, характерно наличие широкого промежутка между цитозольными доменами. За счет этого промежутка АТФ связывается с N-доменом. Предполагается, что после того, как ионы Ca2+ связались с трансмембранными доменами и возникла конформация Е, (2Ca2+), связывание АТФ приводит к фосфорилированию критического остатка аспарагиновой кислоты, Asp351 в Р-домене. Это фосфорилирование индуцирует переход в конформацию Е2 с низким сродством к Ca2+.

В этой конформации при перегруппировке трансмембранных доменов разрушаются Ca2+ связывающие сайты, открываются ворота SERCA-насоса на стороне люмена, и ионы Ca2+ высвобождаются в просвет саркоплазматического ретикулума. При обратном переходе от Е2 (2Н+) в Е1 (2Ca2+) конформацию происходит значительное перемещение доменов цитозоля, при этом из компактной структуры образуется открытая. Молекулы воды входят в открытую структуру и обеспечивают процесс дефосфорилирования, который является важным этапом на пути возвращения SERCA-насоса в конформационное состояние, при котором он способен связывать ионы Ca2+. Сайты связывания Ca2+ доступны для цитоплазматического Ca2+, но не для ионов, содержащихся в люмене, поскольку в течение цикла работы изменяется сродство насоса к кальцию.

Поскольку для прекращения процесса сокращения мышцы и начала ее расслабления требуется снижение внутриклеточной концентрации Ca2+, необходимо, чтобы поток Ca2+ через SERCA направлялся только от цитозоля к депо СР, а не наоборот. Направление потока ионов через Ca2+-АТФазы определяется последовательным сопряжением событий гидролиза АТФ и направленного транспорта Ca2+. Конформационные изменения в доменах А, N и Р, наступающие при связывании АТФ и фосфорилировании, вызывают растяжение трансмембранных спиралей, перекрывающее путь ионом Ca2+ со стороны цитоплазмы. При переносе фосфатной группы ворота д ля кальция закрываются. Таким образом, в физиологических условиях не существует обратного потока ионов Ca2+ от СР в цитозоль.

Для экспорта ионов Ca2+ из цитозоля и поддержания в нем необходимого в покое уровня этих ионов, SERCA-насос работает совместно с Ca2+-АТФазой плазматической мембраны (РСМА). Оба фермента отличаются высоким сродством к ионам Ca2+, которое значительно превышает сродство к этому катиону других кальций-связывающих белков и буферных систем цитозоля. РСМА и SERCA насосы имеют близкое строение и сходный механизм действия. Они содержат десять трансмембранных последовательностей и три больших домена в цитозоле. Наряду с различной локализацией в клетке, РМСА-насос отличается от SERCA тем, что в расчете на одну молекулу АТФ переносит один, а не два иона Ca2+. Высокая транспортная эффективность и высокая плотность насоса SERCA в мембранах СР возбудимых клеток объясняют его преимущественное участие в выведении Ca2+ из цитозоля.

Na+/К+-АТФаза и Н+-АТФаза, которые также относятся к семейству АТФаз P-типа, имеют ряд обших структурных особенностей с группой SERCA. Гомологическое сходство между Na+/К+-АТФазой и Ca2+-АТФазами выражено в большей степени, чем для других АТФаз, и сравнение их структурных особенностей под держивает точку зрения о том, что эти ферменты обладают общими механизмами сопряжения процессов гидролиза АТФ и транспорта катионов через мембрану. Все три катионных насоса используют одинаковый каталитический цикл, который включает связывание АТФ, конформационные перестройки, приводящие к захвату транспортируемых катионов, их высвобождение с другой стороны мембраны, и дефосфорилирование д ля возвращения фермента в исходную конформацию, способную к связыванию ионов.

Структура кальциевой АТФазы
Структура E2 не содержит ионов Ca2+, а структура Е1 содержит два связанных иона.
Трансмембранные спирали обозначены различными цветами, от красной Ml до темносиней М10.
Структура SERCA Е2 и кристаллическая структура Е1 построены на основании данных Protein Data Bank files 1EUL и 1IWO соответственно.
Показано предполагаемое положение мембраны.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

- Вернуться в содержание раздела "генетика" на нашем сайте

Оглавление темы "Переносчики ионов через мембрану клетки":
  1. Кальциевые каналы мембраны клетки
  2. Хлоридные каналы мембраны клетки
  3. Транспорт воды через аквапорины мембраны клетки
  4. Формирование потенциала действия и потоки ионов
  5. Регуляция мышечного сокращения ионами кальция
  6. Перенос глюкозы через мембрану унипортным транспортом
  7. Механизм сопряженного транспорта через мембрану клетки
  8. Трансмембранный градиент ионов натрия и натрий зависимые переносчики
  9. Регуляция pH клетки и внеклеточной среды через обмен натрия
  10. Строение кальциевой АТФазы SERCA и механизм закачивания кальция
Медунивер Мы в Telegram Мы в YouTube Мы в VK Форум консультаций врачей Контакты, реклама
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.