Мембранный транспорт

Нитратные транспортеры. Существуют два типа NO3-транспоpтеров: NRT1 (PTR) и NRT2 (NNP). Хотя транспортеры семейства PTR как у прокариотов, так и у эукариот переносят аминокислоты и пептиды через плазматическую мембрану, несколько представителей этой группы у растений осуществляют транспорт NO3-, поэтому их называют NRT1/PTR-транспортеры. У арабидопсиса идентифицировано два семейства генов, которые кодируют транспортеры нитратов в корнях или их распределение по растению: NRT1 (53 гена) и NRT2 (7 генов). Эти транспортеры сопрягают в растениях транспорт NO3-против электрохимического градиента с более легким протонным транспортом.

Для адаптации к варьирующим концентрациям нитратов в почвах растения выработали три типа транспортных систем. Две высокоаффинные насыщающиеся транспортные системы (HATS) способны поглощать NO3- при его низких концентрациях (от 1мкM до 1мМ). Конститутивная система (cHATS) имеется даже в случае, если растения ранее не обеспечивались NO3-. Индуцированная система (iHATS) активируется только в присутствии NO3- в корнеобитаемой среде. Низкоаффинная транспортная система (LATS) обнаруживает линейную кинетику. Вклад этой системы в поглощение NO3 становится весомым при концентрации NO3 в среде более 1 мМ. Нитратный транспортер арабидопсиса NRT1.1 за счет фосфорилирования треонинового остатка может превратиться из низкоаффинного транспортера в высокоаффинный.

Воздействие NO3- на корни быстро индуцирует экспрессию мРНК, кодирующих большинство NRT1- и все NRT2-транспортеры. Напротив, мРНК двух NRT 1-транспортеров — NRT1.2 арабидопсиса и NRT1.1 томата экспрессируются конститутивно. Продукты азотного метаболизма (например, глутамин) могут репрессировать экспрессию генов, кодирующих NRT2-транспортеры, но оказывают меньшее влияние на гены, кодирующие NRT1-транспортеры. Содержание мРНК как для NRT1-, так и для NRT2-транспортеров выше в корнях (по сравнению с другими частями растения).

Аммонийные транспортеры. Хотя по физическим характеристикам NH4+ и K+ близки и даже могут взаимодействовать при транспорте K+, поглощение NH4+ корнями происходит при помощи высокоселективных аммонийных транспортеров. Один из них (AMTl) был идентифицирован у арабидопсиса, который имеет не менее пяти его гомологов. Матричная РНК транспортера АМТ1.1 обнаруживается по всему растению, и ее уровни варьируют в зависимости от поступления NH4+. Вместе с тем мРНК транспортеров AMT1.2 и AMT1.3 находятся только в корнях и не зависят от поступления NH4+.

У арабидопсиса были идентифицированы несколько других транспортеров. Один из них, АМТ2, имеет низкую степень гомологии (менее 25%) с транспортерами класса AMT1 и, очевидно, функционирует при концентрации NH4+ более 1мМ. У другого транспортера — SAT1, обнаруженного в клубеньках корней сои, отсутствует гомология с транспортерами AMT1 или АМТ2, и он облегчает поступление NH4+ из клубеньковых бактерий в клетки корней растения-хозяина.

Фосфатные транспортеры. Фосфатные ионы вынуждены двигаться против электрохимического и концентрационного градиента, и этот процесс требует затрат энергии. Растения обладают как высоко-, так и низкоаффинными механизмами поглощения фосфата. Высокоаффинные транспортеры были найдены у арабидопсиса. Транспорт возможно осуществляется по типу Н+/Рн-котранспорта.

Калиевые транспортеры. Существует три типа калиевых транспортеров: внутренние калиевые каналы обеспечивают направленный вовнутрь транспорт, обеспечивая однонаправленный перенос K+ в ограниченный компартмент; внешние калиевые каналы: 1) обеспечивающие однонаправленный перенос K+ из компартмента; 2) обладающие высоким сродством к Na+.

Внутренние калиевые каналы KAT1 и AKT1 были охарактеризованы одними из первых у растений арабидопсиса главным образом из-за их высокого сходства с калиевыми каналами животных и прокариот. Интересно, что гомологичные каналы у животных являются внешними, хотя изменение всего в одной аминокислоте рядом с С-концом может превратить их во внутренние каналы. Растительные внутренние калиевые каналы обычно формируются из четырех субъединиц. Гены арабидопсиса KAT1 и их гомологи KST1 у картофеля экспрессируются вначале в замыкающих клетках устьиц, и эти каналы вовлечены в регуляцию устьичных движений. Экспрессия гена AKT1 у арабидопсиса ограничивается корнем, и этот канал вместе с другой транспортной системой, которая преимущественно ингибируется NH4+, отвечают за поглощение K+.

Два типа наружных калиевых каналов были идентифицированы в арабидопсисе. Один из них — SKOR — похож на внутренние калиевые каналы KAT1 и AKT1. Ген транспортера экспрессируется в перецикле корня и клетках паренхимы, и этот транспортер выпускает K+ в ксилему. Калиевый канал KCO1 является представителем другого типа наружных калиевых каналов, которые имеют две поры. Уровень Ca2+ в клетке регулирует этот канал: при содержании Ca2+ ниже 0,1 мкМ он закрывается и полностью открывается при концентрации Ca2+ выше 0,3 мкМ.

Растения имеют несколько других высокоаффинных калиевых транспортеров. Транспортеры типа HAK/KUP могут работать параллельно с внутренними каналами, такими, как АКТ1, при адсорбции корнями ионов K+ из почвы. Функционально они отличаются от внутренних калиевых каналов, которые при средних концентрациях NH4+ ингибируют HAK/KUP-транспортеры. У арабидопсиса найдены по крайней мере 6 изомерных форм НАК/ KUP-транспортеров, и низкая внешняя концентрация K+ стимулирует экспрессию генов, кодирующих их. Был охарактеризован транспортер AtKUP1, который влияет на низко- и высокоаффинное поглощение корнями калия, молекулярный механизм переключения которого неизвестен.

Ген, кодирующий другой тип высокоафинного транспортера HKT1, экспрессируется при нехватке K+ в коре корня и клетках листьев, граничащих с сосудистой тканью. Вероятно, HKT1 улавливает любой K+, выходящий из клеток коры, и контролирует разгрузку K+ из ксилемы.

Связь между Н+/АТФазой и высокаффинным транспортом K+ не была доказана. Наиболее вероятно, что K+ пересекает плазматическую мембрану в симпорте с H+, который предварительно был вытеснен Н+/АТФазой плазматической мембраны. Вероятно, из каждых двух протонов H+, выпускаемых Н+/АТФазой, один повторно входит внутрь клетки вместе с K+. Однако механизм антипорта (H+ — наружу, K+ — внутрь) также не может быть исключен. В любом случае оба варианта согласуются с тем, что высокоафинный калиевый транспорт (в корнях ячменя) не зависит ни от вида противоиона, ни от скорости его поглощения.

Кальциевые каналы и помпы. Известно, что ионы Ca2+ выполняют роль вторичных мессенджеров в клетках растений и животных. Для этого концентрация Ca2+ в цитозоле должна поддерживаться на уровне 0,1—0,2 мкМ, в то время как концентрация этих ионов в окружающих компартментах (клеточная стенка, вакуоль, шероховатый эндоплазматический ретикулум, органеллы) около 1 мМ, т. е. выше в 10 тыс. раз.

Абсцизовая кислота напрямую или опосредованно открывает кальциевые каналы, позволяя ионам Ca2+ поступать в цитоплазму по градиенту концентрации. Высокие концентрации Ca2+ в цитоплазме модулируют активность многих ферментов. Часто это происходит с участием кальмодулина — небольшого белка, который может специфично связывать до четырех ионов Ca2+ и является высококонсервативным у многих видов. Когда Ca2+ связывается с кальмодулином, белок изменяет свою конформацию таким образом, что гидрофобный участок прикрепляется к особому связывающему сайту другого цитоплазматического белка (например, миозину V, кинезину, глутаматдекарбоксилазе, различным киназам) и изменяет их активность. Связывание комплекса Са2+-кальмодулин с Са2+/АТФазами (АТФ-зависимые кальциевые насосы) и с Н+/Са2+-антипортерами стимулирует выделение кальция из цитозоля в вакуоль, ЭПР, органеллы, поддерживая низкую концентрацию Ca2+ в цитозоле.

Кальциевые каналы найдены во всех биологических мембранах. Некоторые из них активируются, когда компартмент становится заряжен более отрицательно (гиперполяризация цитоплазмы) или более положительно (деполяризация цитоплазмы). Другие открываются в ответ на растяжение мембраны или химические сигналы, такие, как комплекс кальций-кальмодулин или инозитолтрифосфат. Однако до сих пор не найдены гены, кодирующие кальциевые каналы в плазматической мембране, тонопласте и ЭПР.

Ca2+/АТФазы (Са2+-каналы) поддерживают низкий уровень Ca2+ в цитоплазме и обнаруживают структурное сходство у разных видов. Арабидопсис имеет по меньшей мере 11 различных Ca2+/АТФаз, которые делятся на две группы:

• общие для всех клеточных организмов, являющиеся высокоспецифичными для АТФ как субстрата и не активируемыми каль-модулином;

• уникальные для эукариот и эволюционно более молодые, которые могут использовать в качестве субстрата помимо АТФ еще ГТФ и ИТФ и регулируются кальмодулином.

Протонные помпы. Перенос протонов через биологические мембраны против электрохимического потенциала обычно требует гидролиза АТФ до АДФ, и белки, которые переносят протоны таким способом, называются Н+/АТФазами. H+/АТФазы высших растений и дрожжей имеют много общего, в связи с чем последние могут служить в качестве модельного объекта при изучении растительных Н+/А.ТФаз.

Н+/АТФазы плазматической мембраны и тонопласта кодируются различными генами. Арабидопсис, имеющий очень маленький геном, обладает по меньшей мере 10 различными генами, кодирующими Н+/АТФазы плазматической мембраны, и 5 генами вакуолярной Н+/АТФазы. Эти группы генов могут экспрессироваться в различных тканях. У арабидопсиса, например, одна из форм H+/АТФаз плазматической мембраны специфична только для корневых волосков, а другая — для флоэмы, еще одна — для развивающихся семян.

Регуляция синтеза АТФаз осуществляется во время транскрипции, трансляции и пост-трансляции. Транскрипция мРНК для этих помп происходит в ответ на сигналы окружающей среды. Так, засоление повышает транскрипцию мРНК как вакуолярной, так и мембранной Н+/АТФаз. Регуляция ферментативной активности (т. е. пост-трансляционная регуляция) осуществляется во многих молекулярных областях помп. Лучше всего охарактеризованы модификации участка плазматической Н+/АТФазы с карбоксильного конца, стимулирующего перенос. Примеры этих модификаций включают перемещение аминокислот с этого конца, добавление грибного фитотоксина фузикокцина или связывание определенных кислых белков, называемых 14-3-3-белки. Однако до сих пор отсутствует четкое понимание регуляции активности протонной помпы.