Молекулярная организация активного транспорта

Пассивный перенос из клетки в окружающую среду и из среды в клетку всегда стремится выровнять неравномерность в распределении веществ между клеткой и средой. Вследствие этого градиенты величин, обуславливающих пассивный транспорт, имеют тенденцию к уменьшению. Вместе с тем, экспериментально установлено, что клеточное содержание значительно отличается по своему составу и концентрации от окружающей клетку среды. Неравномерно распределены ионы К⁺, Na⁺, Cl^- и других веществ. Например, в эритроцитах, в мышечных и нервных волокнах калия в 30-50 раз больше, чем в плазме крови и лимфе. В цитоплазме клетки ионов натрия в 8-10 раз меньше, а ионов хлора в 50 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости. Это говорит о том, что наряду с пассивным транспортом в мембранах клетки происходит перенос молекул и ионов в сторону роста электрохимического потенциала. При этом имеет место перенос молекул и ионов из мест с меньшей, в области с большей концентрацией. А так же перемещение ионов против кулоновских сил электрического поля. При таком переносе клетка должна совершать определенную работу и затрачивать на это свободную энергию.

Транспорт вещества, совершающийся с затратой энергии метаболических процессов называется активным переносом. Активный перенос и селективная проницаемость мембран приводить к аномальному распределению ионов. Подсчитано, что примерно 10% всей энергии, вырабатываемой эритроцитами, идет на поддержание неравномерного распределения катионов. Явление активного переноса к настоящему времени обнаружено у большинства клеток и тканей.

Активный перенос осуществляется особыми ферментами-перено-счиками – транспортными АТФ-азами (аденозинтрифосфотазами).

Известны три основные системы активного транспорта, обеспечивающие перенос ионов Na⁺, К⁺, Са⁺ и Н⁺ через биологические мембраны живой клетки, работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ. Большое количество работ посвящено исследованию активного переноса ионов калия и натрия. Это объясняется их большой ролью в таких важных явлениях, как генерирование биоэлектрических потенциалов и проведение возбуждения. По мнению ряда ученых в мембранах имеется один общий переносчик ионов калия и натрия. Этот механизм, названный сопряженным «натрий-калиевым насосом», в состоянии физиологического покоя клетки обеспечивает наличие двух встречных потоков ионов натрия и калия через мембрану. Три иона Na⁺, перенесенные из клетки, отщепляются у её наружной поверхности и к переносчику присоединяется чаще всего 2 иона калия, которые переносятся на внутреннюю поверхность мембраны.

Из всех АТФ-аз, имеющихся в клетке, решающее значение для транспорта ионов К⁺ и Na⁺ имеет АТФ-аза, активизируемая этими же ионами (Na⁺-К⁺-АТФ-аза) и ионами магния. Рассмотрим основные этапы переноса ионов К⁺ и Na⁺ через биологические мембраны (по Владимирову Ю.А.). Процесс работы К⁺-Na⁺-АТФ-азы протекает в несколько стадий:

1. Связывание на внутренней поверхности мембраны субстратов: трех ионов Na⁺ и АТФ в комплексе с Mg²⁺. На этом этапе, активизируемом ионами Na⁺, происходит фосфорилирование фермента внутри клетки. В результате от комплекса [Mg²⁺-АТФ] остается комплекс [Mg²⁺-АДФ]:

Ионы натрия присоединяются к определенному центру связывания на поверхности фермента.

2. Перенос центра связывания на внешнюю поверхность мембраны (транслокация №1). Такой перенос сопровождается изменением пространственной структуры ионно-транспортного комплекса:

.

3. Отсоединение у внешней поверхности 3N⁺ и замена их на 2К⁺ из внешней среды (ионообмен):

.

4. Далее происходит отщепление остатка фосфорной кислоты:

.

5. На пятом этапе происходит перенос центра связывания с ионами калия на внутреннюю поверхность мембраны (транслокация №2):

.

6. Последняя стадия – отщепление 2К⁺, присоединение 3Na⁺ и фосфорилирование фермента:

Калий-натриевый насос работает за счет энергии гидролиза АТФ с образованием молекул АДФ и неорганического фосфата: АТФ = АДФ + Ф_Н. Работа насоса обратима. Градиент концентрации ионов способствует синтезу молекул АТФ из молекул АДФ и фосфата Ф_Н: АДФ+Ф_Н=АТФ. Для ряда тканей экспериментально было показано, что на каждый израсходованный ион АТФ приходится 3-4 грамм-эквивалента ионов натрия, перенесённых через мембрану.

До настоящего времени не удалось выяснить один из важнейших моментов в работе калий-натриевого насоса: чем объяснить, что на внутренней поверхности мембраны переносчик обладает сродством к натрию, а на внешней – к калию?

Перенос 2К⁺ внутрь клетки и выброс 3Na⁺ наружу приводит, в итоге, к переносу одного положительного заряда из цитоплазмы в окружающую среду и появлению мембранного потенциала со знаком «плюс» на внешней поверхности мембраны и «минус» на внутренней. Таким образом, Na⁺– K⁺ – насос является электрогенным.

Ряд ученых полагает, что в переносе ионов калия и натрия участвуют и липиды. Это заключение сделано на основании того, что при переносе ионов Na⁺ и К⁺ происходит их химическое изменение. Превращение фосфолипидов в мембранах играет роль пускового механизма в процессе переноса Na⁺ через мембрану.

Величина работы, которую выполняет натрий калиевый насос при активном переносе ионов через мембрану, зависит как от градиентов концентрации К⁺ и Na⁺, так и от мембранного потенциала :

, (27)

где [K⁺]_i и [Na⁺]_i – концентрация ионов в клетке, а [K⁺]_о и [Na⁺]_о – концентрация снаружи; n = 1, т.к. переносятся однозарядные положительные ионы; Т – абсолютная температура клетки; R – универсальная газовая постоянная. Как показывают расчеты, в нервном волокне кальмара эта энергия составляет 41,2 кДж/моль. Примерно такую же работу совершает в каждом цикле Na⁺-K⁺-АТФ-аза в сарколемме (цитомембране) мышечных клеток и в эритроцитах.

До настоящего времени не было обнаружено явлений активного переноса анионов, в связи с чем считают, что их распределение между клеткой и средой происходит пассивно.

Следует отметить, что кроме активного переноса ионов существует активный перенос органических веществ, в частности сахаров, аминокислот и нуклиотидов. Механизм активного переноса органических веществ изучен ещё недостаточно. Установлено, что перенос аминокислот и сахаров в тонком кишечнике, в проксимальном канальце нефронов почки, сопряжен с транспортом ионов Na⁺, и это сопряжение осуществляется непосредственно на переносчике. Как и при активном транспорте ионов, при активном транспорте органических веществ перенос осуществляется по градиенту концентрации и требует затраты энергии метаболических процессов клетки. В результате образуется неравномерное распределение органических веществ между цитоплазмой и внешней средой.