Мембраны и транспорт

Каждую клетку окружает тонкий двойной слой жироподобных молекул, а пропускают ионы через этот слой белки двух типов — каналы и насосы 1.

Открытый канал пропускает десятки миллионов ионов в секунду по их электрохимическому градиенту 1. У насоса двое ворот, которые никогда не бывают открыты одновременно, поэтому он переносит ионы против градиента на несколько порядков медленнее 1. Насосы, гидролизующие АТФ, называют первичными; вторичные насосы сопрягают перенос одного иона (часто Na+) по градиенту с переносом другого субстрата против градиента 1.

Натрий-калиевый насос

Насос в наружной мембране за счёт энергии АТФ выводит натрий из клетки и переносит в неё калий 1.

В каждом цикле Na+/K+-АТФазы АТФ фосфорилирует консервативный остаток аспартата (Asp376 в ATP1A1), а насос выводит из клетки 3 иона Na+ и переносит в неё 2 иона K+; цикл повторяется до ста раз в секунду 12.

Транспортный цикл Na+/K+-АТФазыПлазматическая мембрана
123456E1E1·3Na+E1P(3Na+)E2PE2P·2K+E2(2K+)
  1. E1E1·3Na+Na+/K+-АТФаза (каталитическая субъединица α, вспомогательная β)Цитоплазматические ворота открыты; 3 Na+ связываются со стороны цитозоля
  2. E1·3Na+E1P(3Na+)Na+/K+-АТФаза (каталитическая субъединица α, вспомогательная β)АТФ → АДФ, Mg2+АТФ фосфорилирует консервативный остаток аспартата; окклюзия 3 Na+
  3. E1P(3Na+)E2PNa+/K+-АТФаза (каталитическая субъединица α, вспомогательная β)Внеклеточные ворота открываются; сродство снижается, и 3 Na+ выходят из клетки
  4. E2PE2P·2K+Na+/K+-АТФаза (каталитическая субъединица α, вспомогательная β)Уабаин и другие кардиотонические стероиды2 K+ связываются снаружи; K+ препятствует связыванию уабаина
  5. E2P·2K+E2(2K+)Na+/K+-АТФаза (каталитическая субъединица α, вспомогательная β)H2O → фосфатВнеклеточные ворота закрываются; гидролиз аспартилфосфата; окклюзия 2 K+
  6. E2(2K+)E1Na+/K+-АТФаза (каталитическая субъединица α, вспомогательная β)АТФ связывается, но не гидролизуетсяНуклеотид открывает цитоплазматические ворота; 2 K+ высвобождаются в цитозоль

Градиент Na+ обеспечивает работу вторичных насосов, например SGLT1 в кишечнике, который захватывает каждую молекулу глюкозы или галактозы вместе с двумя ионами Na+ 2. Почки потребляют 7–10% поглощаемого организмом кислорода и расходуют не менее двух третей этого количества на работу насоса 3. В таблице из учебника, составленной по данным для тканей грызунов в стандартном состоянии, на долю насоса отнесено 50–60% потребления кислорода в головном мозге, 5–10% — в печени и скелетных мышцах и 1–5% — в сердце 4.

Мембранный потенциал

Внутри покоящейся клетки создаётся отрицательный электрический заряд, поскольку ионы калия, концентрация которых в клетке намного выше, чем снаружи, диффундируют наружу 4.

K+ — преобладающий катион внутри клеток; его концентрация в клетке примерно в 10–30 раз выше, чем снаружи, где преобладает Na+ 4. Распределение K+ обычно близко к электрохимическому равновесию, при котором мембранный потенциал, отрицательный со стороны цитоплазмы, уравновешивает концентрационный градиент этого иона 4. Потенциал покоя обычно составляет от −10 до −100 mV в зависимости от того, какие ионные каналы экспрессирует клетка 5. В β-клетках поджелудочной железы повышение концентрации глюкозы увеличивает содержание АТФ и снижает содержание АДФ, что приводит к закрытию АТФ-чувствительных K+-каналов; мембрана деполяризуется, Ca2+ поступает в клетку, и высвобождается инсулин 5.

Компартменты

Мембраны разделяют внутреннее пространство клетки на компартменты, каждый из которых содержит собственный набор ферментов 6.

КомпартментОсновные процессы
ЦитозольГликолиз; пентозофосфатный путь, поставляющий НАДФН и рибозо-5-фосфат 6
МитохондрииЦикл трикарбоновых кислот, β-окисление и дыхательная цепь, протонный градиент которой обеспечивает работу АТФ-синтазы 6; митохондриальная ДНК кодирует 13 субъединиц дыхательной цепи 7
Эндоплазматический ретикулумСинтез секретируемых, мембранных и лизосомных белков на рибосомах, которые сигнал-распознающая частица прикрепляет к его мембране; начало N-гликозилирования 6; окисление этанола ферментом CYP2E1 8
Аппарат ГольджиМодификация N-гликанов 6; фосфотрансфераза, кодируемая геном GNPTAB, синтезирует маннозо-6-фосфатную метку, по которой лизосомные ферменты направляются в лизосомы 9
ЛизосомыЗакисление содержимого АТФазой V-типа 2; расщепление материала, поступившего путём эндоцитоза и аутофагии; дефекты ферментов вызывают болезни накопления, например болезнь Гоше 6
Пероксисомыβ-Окисление жирных кислот с очень длинной цепью, расщепление фитановой кислоты и начальные стадии синтеза плазмалогенов 6; биаллельные варианты любого из 13 генов PEX вызывают заболевания спектра синдрома Цельвегера 10
ЯдроТранскрипция; кэпирование, полиаденилирование и сплайсинг мРНК; экспорт мРНК через ядерные поры 6

От рецептора к гену

Инсулин связывается с рецептором на поверхности клетки, и по цепи реакций сигнал передаётся генам в ядре 11.

Передача сигнала инсулина к FOXO1Плазматическая мембрана, цитозоль и ядро гепатоцита
  1. Инсулин, связанный с инсулиновым рецептором (INSR)
  2. Тирозинкиназные домены β-субъединиц INSRАТФТрансавтофосфорилирование активационной петли
  3. INSR, фосфорилированный по Tyr1158, Tyr1162 и Tyr1163
  4. Тирозинкиназа инсулинового рецептораАТФ
  5. Белки IRS, фосфорилированные по остаткам тирозина
  6. Фосфоинозитид-3-киназа (регуляторная субъединица p85, каталитическая p110)АТФp85 связывает фосфорилированные мотивы YXXM в IRS; p110 превращает PIP2 в PIP3
  7. PIP3 в плазматической мембране
  8. PDK1 (Thr308) и mTORC2 (Ser473)АТФPIP3 привлекает AKT к мембране; нумерация остатков — как в AKT1
  9. AKT, фосфорилированная по Thr308 и Ser473
  10. AKTАТФЭти участки могут фосфорилировать и другие киназы
  11. FOXO1, фосфорилированный по Thr24, Ser256 и Ser319
  12. несколько стадийФосфорилированный FOXO1 выводится из ядра
  13. Снижение транскрипции G6PC1 и PCK1

Через белки IRS, фосфоинозитид-3-киназу и PIP3 рецептор активирует киназу AKT 116. AKT фосфорилирует фактор транскрипции FOXO1, который покидает ядро, и транскрипция генов глюконеогенеза G6PC1 и PCK1 снижается 11122. Глюкагон усиливает транскрипцию генов глюконеогенеза через цАМФ, протеинкиназу A и комплекс CREB–CBP–CRTC2 12.