1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии
  4. T. 39, № 5, 2022

Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии, 2022, T. 39, № 5, стр. 345-354

Исследования электрогенного ионного транспорта в Nа+,K+-ATP-азе на бислойных липидных мембранах импедансным методом

В. С. Соколов *

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
119071 Москва, Россия

* E-mail: sokolovvs@mail.ru

Поступила в редакцию 04.05.2022
После доработки 24.05.2022
Принята к публикации 26.05.2022

Аннотация

Рассмотрены результаты исследования электрогенного транспорта, осуществляемого Na+,K+-ATP-азой – белком, обеспечивающим активный транспорт ионов Na+ и K+ через мембраны клеток. Основной вклад в электрический ток при функционировании Na+,K+-ATP-азы вносит перемещения ионов натрия в каналах доступа – каналоподобных структурах, соединяющих центры связывания ионов с растворами. Электрогенный транспорт изучали на модельной системе, состоящей из бислойной липидной мембраны с адсорбированными на ней фрагментами мембран, содержащих Na+,K+-ATP-азу. Применение импедансного метода для изучения электрогенного транспорта, осуществляемого Na+,K+-ATP-азой позволило изучить каналы доступа ионов в этом белке. Большой вклад в эти исследования внес Ю.А. Чизмаджев, при активном участии которого разрабатывалась теоретическая модель транспорта ионов Na+,K+-ATP-азой, частично рассматриваемая в данной работе.

Ключевые слова: Na+,K+-ATP-аза, электрогенный транспорт, каналы доступа, импеданс

Список литературы

  1. Mueller P., Rudin D.O., Tien H.T., Wescott W.C. 1963. Methods for the formation of single bimolecular lipid membranes in aqueous solution. J. Phys. Chem. 67, 534–535.

  2. Маркин В.С., Чизмаджев Ю.А. 1974. Индуцированный ионный транспорт. М.: Наука, 251 с.

  3. Маркин В.С., Соколов В.С. 1986. Мембранный потенциал при сопряженном электрогенном транспорте. Термодинамическое рассмотрение. Биол. мембраны. 3, 638–649.

  4. Соколов В.С., Маркин В.С. 1984. Электрогенный транспорт ионов калия и водорода через мембрану, осуществляемый артибиотиками нигерициноми и гризориксином. Биол. мембраны. 1 (10), 1071–1086.

  5. Markin V.S., Sokolov V.S. 1990. A new concept of electrochemical membrane equilibrium. Coupled transport and membrane potential. Bioelectrochem. Bioenerg. 23, 1–16.

  6. Portnov V.I., Mirsky V.M., Markin V.S. 1990. Bacteriorhodopsin: Current-voltage characteristics. Bioelectrochem. Bioenerg. 23, 45–63.

  7. Post R.L., Hegyvary C., Kame S. 1972. Activation by adenosine triphosphate in the phosphorylation kinetics of sodium and potassium ion transport adenosine triphosphatase. J. Biol. Chem. 247, 6530–6540.

  8. Morth J.P., Pedersen B.P., Toustrup-Jensen M.S., Sorensen T.L., Petersen J., Andersen J.P., Vilsen B., Nissen P. 2007. Crystal structure of the sodium-potassium pump. Nature. 450 (7172), 1043–1049.

  9. Ogawa H., Shinoda T., Cornelius F., Toyoshima C. 2009. Crystal structure of the sodium-potassium pump (Na+,K+-ATPase) with bound potassium and ouabain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 106 (33), 13742–13747.

  10. Shinoda T., Ogawa H., Cornelius F., Toyoshima C. 2009. Crystal structure of the sodium-potassium pump at 2.4 Å resolution. Nature. 459 (7245), 446–450.

  11. Kanai R., Ogawa H., Vilsen B., Cornelius F., Toyoshima C. 2013. Crystal structure of a Na+-bound Na+,K+-ATPase preceding the E1P state. Nature. 502 (7470), 201–206.

  12. Toyoshima C., Kanai R., Cornelius F. 2011. First crystal structures of Na+,K+-ATPase: New light on the oldest ion pump. Structure. 19 (12), 1732–1738.

  13. Nyblom M., Poulsen H., Gourdon P., Reinhard L., Andersson M., Lindahl E., Fedosova N., Nissen P. 2013. Crystal structure of Na+,K+-ATPase in the Na+-bound state. Science. 342 (6154), 123–127.

  14. Bublitz M., Morth J.P., Nissen P. 2011. P-type ATPases at a glance. J. Cell Sci. 124 (Pt 15), 2515–2519.

  15. Axelsen K.B., Palmgren M.G. 1998. Evolution of substrate specificities in the P-type ATPase superfamily. J. Mol. Evol. 46 (1), 84–101.

  16. Palmgren M.G., Axelsen K.B. 1998. Evolution of P-type ATPases. Biochim. Biophys. Acta. 1365 (1–2), 37–45.

  17. Pedersen C.N., Axelsen K.B., Harper J.F., Palmgren M.G. 2012. Evolution of plant p-type ATPases. Front. Plant Sci. 3, 31.

  18. Wuddel I., Apell H.J. 1995. Electrogenicity of the sodium transport pathway in the Na,K-ATPase probed by charge-pulse experiments. Biophys. J. 69 (3), 909–921.

  19. Lauger P. 1991. Electrogenic ion pumps. Sunderland, Massachusets, USA: Sinauer Associates, Inc., 312 p.

  20. De Weer P., Gadsby D.C., Rakowski R.F. 1988. Voltage dependence of the Na-K pump. Ann. Rev. Physiol. 50, 225–241.

  21. Gadsby D.C., Rakowski R.F., De Weer P. 1993. Extracellular access to the Na,K-pump: Pathway similar to ion channel. Science. 260, 100–103.

  22. Apell H.-J., Borlinghaus R., Lauger P. 1989. Electrogenic properties of the Na/K pump-voltage dependence and kinetics of charge translocation. Curr. Top. Membr. Transp. 34, 229–252.

  23. Nakao M., Gadsby D.C. 1986. Voltage dependence of Na translocation by the Na/K pump. Nature. 323 (6089), 628–630.

  24. Apell H.J., Borlinghaus R., Lauger P. 1987. Fast charge translocations associated with partial reactions of the Na,K-pump: II. Microscopic analysis of transient currents. J. Membrane Biol. 97 (3), 179–191.

  25. Павлов К.В., Соколов В.С. 1999. Электрогенный транспорт ионов Na+,K+,ATP-азой. Биол. мембраны. 16 (6), 604–638.

  26. Holmgren M., Wagg J., Bezanilla F., Rakowski R.F., De Weer P., Gadsby D.C. 2000. Three distinct and sequential steps in the release of sodium ions. Nature. 403, 898–901.

  27. Rakowski R.F., Paxson C.L. 1988. Voltage dependence of Na/K pump current in Xenopus oocytes. J. Membrane Biol. 106, 173–182.

  28. Holmgren M., Rakowski R.F. 2006. Charge translocation by the Na+/K+ pump under Na+/Na+ exchange conditions: Intracellular Na+ dependence. Biophys. J. 90 (5), 1607–1616.

  29. Hilgemann D.W. 1994. Channel-like function of the Na,K pump probed at microsecond resolution in giant membrane patches. Science. 263, 1429–1432.

  30. Lu C.-C., Kabakov A., Markin V.S., Mager S., Frazier S., Frazier G.A., Hilgemann D.W. 1995. Membrane Transport mechanisms probed by capacitance measurements with megahertz voltage clamp. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995, 11220–11224.

  31. Fendler K., Grell E., Haubs M., Bamberg E. 1985. Pump currents generated by the Na+,K+-ATPase from kidney on black lipid membranes. EMBO J. 4, 3079–3085.

  32. Borlinghaus R., Apell H.J., Lauger P. 1987. Fast charge translocations associated with partial reactions of the Na,K-pump: I. Current and voltage transients after photochemical release of ATP. J. Membrane Biol. 97 (3), 161–178.

  33. McCray J.A., Trentham D.R. 1989. Properties and uses of photoreactive caged compaunds. Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 18, 239–270.

  34. Apell H.J., Roudna M., Corrie J.E., Trentham D.R. 1996. Kinetics of the phosphorylation of Na,K-ATPase by inorganic phosphate detected by a fluorescence method. Biochemistry. 35 (33), 10922–10930.

  35. Соколов В.С., Павлов К.В., Джанджугазян К.Н., Бамберг Е. 1992. Изменение емкости и проводимости модельной мембраны при функционировании Na+,K+,ATP-азы. Биол. мембраны. 9, 961–969.

  36. Щербаков А.А., Чизмаджев Ю.А., Ленц А.А., Соколов В.С. 2005. Импедансная спектроскопия транспорта ионов натрия в Na+,K+,ATP-азе. Биол. мембраны. 22 (6), 511–523.

  37. Sokolov V.S., Shcherbakov A.A., Lenz A.A., Chizmadzhev Yu.A., Apell H.J. 2008. Electrogenic transport of sodium ions in cytoplasmic and extracellular ion access channels of Na+,K+-ATPase probed by admittance measurement technique. Biochemistry (Moscow) Supplement Series A: Membrane and Cell Biology. 2 (2), 161–180.

  38. Post R.L., Suzuki K. 1991. The sodium pump: Structure, mechanism and regulation. Ed. De Weer P., Kaplan J.H. New York: Rockfeller University Press, p. 202–209.

  39. Sokolov V.S., Ayuyan A.G., Apell H.J. 2001. Assignment of charge movements to electrogenic reaction steps of Na,K-ATPase by analysis of salt effects on the kinetics of charge movements. Eur. Biophys. J. 30 (7), 515–527.

  40. Schneeberger A., Apell H.J. 2001. Ion selectivity of the cytoplasmic binding sites of the Na,K-ATPase: II. Competition of various cations. J. Membrane Biol. 179 (3), 263–273.

  41. Schneeberger A., Apell H.J. 1999. Ion selectivity of the cytoplasmic binding sites of the Na,K-ATPase: I. Sodium binding is associated with a conformational rearrangement. J. Membrane Biol. 168 (3), 221–228.

  42. Heyse S., Wuddel I., Apell H.J., Sturmer W. 1994. Partial reactions of the Na,K-ATPase: Determination of rate constants. J. Gen. Physiol. 104 (2), 197–240.

  43. Domaszewicz W., Apell H. 1999. Binding of the third Na+ ion to the cytoplasmic side of the Na,K-ATPase is electrogenic. FEBS Lett. 458 (2), 241–246.

  44. Apell H.J., Diller A. 2002. Do H+ ions obscure electrogenic Na+ and K+ binding in the E1 state of the Na,K-ATPase? FEBS Lett. 532 (1–2), 198–202.

  45. Apell H.J., Benz G., Sauerbrunn D. 2011. Proton diet for the sodium pump. Biochemistry. 50 (3), 409–418.

  46. Vasilyev A., Khater K., Rakowski R.F. 2004. Effect of extracellular pH on presteady-state and steady-state current mediated by the Na+/K+ pump. J. Membrane Biol. 198 (2), 65–76.

  47. Vedovato N., Gadsby D.C. 2014. Route, mechanism, and implications of proton import during Na+/K+ exchange by native Na+/K+-ATPase pumps. J. Gen. Physiol. 143 (4), 449–464.

  48. Polvani C., Blostein R. 1988. Protons as substitutes for sodium and potassium in the sodium pump reaction. J. Biol. Chem. 263 (32), 16757–16763.

  49. Polvani C., Sachs G., Blostein R. 1989. Sodium ions as substitutes for protons in the gastric H,K-ATPase. J. Biol. Chem. 264 (30), 17854–17859.

  50. Гришанин К.О., Ташкин В.Ю., Ленц А.А., Апель Х.-Ю., Соколов В.С. 2010. О возможном участии протонов в функционировании Na+,K+,ATP-азы. Биол. мембраны. 27 (6), 512–518.

  51. Ташкин В.Ю., Гаврильчик А.Н., Иловайский А.И., Апель Х.-Ю., Соколов В.С. 2015. Электрогенное связывание ионов с цитоплазматической стороны Na+,K+-ATP-азы. Биол. мембраны. 32 (2), 110–118.

  52. Ташкин В.Ю., Щербаков А.А., Апель Х.-Ю., Соколов В.С. 2013. Конкурентный транспорт ионов натрия и протонов в цитоплазматическом канале Na+,K+-ATP-азы. Биол. мембраны. 30 (2), 105–114.

  53. Вишнякова В.Е., Ташкин В.Ю., Терентьев А.О., Апель Х.-Ю., Соколов В.С. 2018. Связывание ионов калия в канале доступа с цитоплазматической стороны Na+,K+-ATP-азы. Биол. мембраны. 35 (5), 376–383.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал