Электрогенные ионные насосы

Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы, работающие за счет сво­бодной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интег­ральных белков (транспортные АТФазы).

В настоящее время известны три типа электрогенных ион­ных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану (рис. 2.11).

Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вслед­ствие сопряжения процессов переноса с химическими реакци­ями, за счет энергии метаболизма клеток.

При работе K⁺-Na⁺-АТФазы за счет энергии, освобождающей­ся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравне­нию с межклеточной средой концентрация в клетке ионов ка­лия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологичес­кое значение.

В Са²⁺-АТФазе за счет энергии гидролиза АТФ переносятся
два иона кальция, а в Н⁺-помпе - два протона.

Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не изучен. Тем не менее прослеживаются основные этапы этого сложного ферментативного процесса. В случае К⁺-Nа⁺-АТФазы (обозначим ее для краткости Е) насчитывается семь этапов пере­носа ионов, сопряженных с гидролизом АТФ. Обозначения Е¹ и Е² соответствуют расположению активного центра фермента на внутренней поверхности мембраны соответственно (аденозинди-фосфат - АДФ, неорганический фосфат - Р, звездочкой обозна­чен активный комплекс):

На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента являются: 1) образование комплекса фермента с АТФ на внут­ренней поверхности мембраны (эта реакция активируется иона­ми магния); 2) связывание комплексом трех ионов натрия; 3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата; 4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны; 5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны; 6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки и 7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождени­ем ионов калия и неорганического фосфата (Р). Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов на­трия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.

Вторичный активный транспорт ионов. Помимо ионных на­сосов, рассмотренных выше, известны сходные системы, в кото­рых накопление веществ сопряжено не с гидролизом АТФ, а с работой окислительно-восстановительных ферментов или фото­синтезом. Транспорт веществ в этом случае является вторичным, опосредованным мембранным потенциалом и/или градиентом концентрации ионов при наличии в мембране специфических переносчиков. Такой механизм переноса получил название вто­ричного активного транспорта. Наиболее детально этот механизм рассмотрен Питером Митчелом (1966 г.) в хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования. В плазматических и субклеточных мембранах живых клеток возможно одновремен­ное функционирование первичного и вторичного активного транспорта. Примером может служить внутренняя мембрана митохондрий. Ингибирование АТФазы в ней не лишает частицу способности накапливать вещества за счет вторичного активного транспорта. Такой способ накопления особенно важен для тех метаболитов, насосы для которых отсутствуют (сахара, амино­кислоты).

В настоящее время достаточно глубоко исследованы три схе­мы вторичного активного транспорта. Для простоты рассмотрен транспорт одновалентных ионов с участием молекул-переносчи­ков. При этом подразумевается, что переносчик в нагруженном или ненагруженном состоянии одинаково хорошо пересекает мембрану. Источником энергии служит мембранный потенци­ал и/или градиент концентрации одного из ионов. Схемы пока­заны на рис. 2.12. Однонаправленный перенос иона в комплексе со специфическим переносчиком получил название унипорта. При этом через мембрану переносится заряд либо комплексом, если молекула переносчика электронейтральна, либо пустым переносчиком, если перенос обеспечивается заряженным пере­носчиком. Результатом переноса будет накопление ионов за счет снижения мембранного потенциала. Такой эффект наблюдает­ся при накоплении ионов калия в присутствии валиномицина в энергизированных митохондриях.

Встречный перенос ионов с участием одноместной молекулы-переносчика получил название антипорта. Предполагается при этом, что молекула-переносчик образует прочный комплекс с каждым из переносимых ионов. Перенос осуществляется в два этапа: сначала один ион пересекает мембрану слева направо, затем второй ион - в обратном направлении. Мембранный по­тенциал при этом не меняется. Что же является движущей си­лой этого процесса? Очевидно, разность концентраций одного из переносимых ионов. Если исходно разность концентрации второго иона отсутствовала, то результатом переноса станет накопление второго иона за счет уменьшения разности концен­траций первого. Классическим примером антипорта служит перенос через клеточную мембрану ионов калия и водорода с участием молекулы антибиотика нигерицина.

Совместный однонаправленный перенос ионов с участием двухместного переносчика называется симпортом. Предпола­гается, что в мембране могут находиться две электронейтральные частицы: переносчик в комплексе с катионом и анионом и пустой переносчик. Поскольку мембранный потенциал в такой схеме переноса не изменяется, то причиной переноса может быть разность концентраций одного из ионов. Считается, что по схеме симпорта осуществляется накопление клетками ами­нокислот. Калий-натриевый насос (см. рис. 2.11) создает на­чальный градиент концентрации ионов натрия, которые затем по схеме симпорта способствуют накоплению аминокислот. Из схемы симпорта следует, что этот процесс должен сопровож­даться значительным смещением осмотического равновесия, поскольку в одном цикле через мембрану переносятся две час­тицы в одном направлении.

Рис. 2.12. Основные схемы вторичного активного транспорта ионов

В процессе жизнедеятельности границы клетки пересекают Разнообразные вещества, потоки которых эффективно регули­руются. С этой задачей справляется клеточная мембрана с

встроенными в нее транспортными системами, включающими ионные насосы, систему молекул-переносчиков и высокоселек­тивные ионные каналы.

Такое обилие систем переноса на первый взгляд кажется из­лишним, ведь работа только ионных насосов позволяет обеспе­чить характерные особенности биологического транспорта: высокую избирательность, перенос веществ против сил диффу­зии и электрического поля. Парадокс заключается, однако, в том, что количество потоков, подлежащих регулированию, бес­конечно велико, в то время как насосов всего три(см.рис.2.11). В этом случае особое значение приобретают механизмы ионно­го сопряжения, получившие название вторичного активного транспорта, в которых важную роль играют диффузные про­цессы. Таким образом, сочетание активного транспорта веществ с явлениями диффузионного переноса в клеточной мембране - та основа, которая обеспечивает жизнедеятельность клетки.

Дата добавления: 2014-12-29