6. Активный транспорт ионов. Механизм активного транспорта вещества на примере натрий-калиевого насоса.

Пассивный транспорт стремится выровнять величины осмотических давлений, концентраций, электрических потенциалов по разные стороны мембраны, т.е. свести к нулю величины этих градиентов. Если бы в клетках существовал только пассивный транспорт, то рано или поздно концентрации, давления и другие величины вне и внутри клетки сравнялись бы. Следовательно, существует другой механизм, работающий в направлении против электрохимического градиента и происходящий с затратой энергии клеткой. Перенос молекул и ионов против электрохимического градиента, осуществляемый клеткой за счет энергии метаболических процессов называют активным транспортом.

Активный транспорт присущ только биологическим мембранам. Активный перенос вещества через мембрану против соответствующих градиентов происходит за счет свободной энергии, высвобождающейся в ходе химических реакций внутри клетки. У высших организмов (например, у человека) такие активные процессы используют значительную часть потребляемой организмом энергии - примерно 30-40%. Активный транспорт в организме создает градиенты концентраций, электрических потенциалов, давлений и т.д., то есть поддерживает жизнь в организме.

В настоящее время более или менее изучены три основные системы активного транспорта, которые обеспечивают перенос ионов натрия, калия, кальция и водорода через мембрану. Существует также активный перенос ионов кальция, сахаров, аминокислот, нуклеотидов, но кинетика этих процессов исследована недостаточно. Не обнаружено активного переноса анионов, которые, очевидно, попадают внутрь клетки путем пассивного переноса. Тем не менее, анионы, в особенности ионы хлора, играют значительную роль в жизни клетки.

Рассмотрим механизм активного транспорта на примере натрий-калиевого насоса. Ионы К⁺ и Na⁺ неравномерно распределены по разные стороны мембраны: концентрация ионов Na⁺ снаружи больше, чем концентрация ионов К⁺, тогда как внутри клетки концентрация ионов К⁺ больше, чем ионов Na⁺ (см. рис. 19.13). Эти ионы диффундируют через мембрану по направлению электрохимического градиента, что приводит к его выравниванию. Очевидно, что если бы не было противодействия этим процессам со стороны механизма натрий-калиевого насоса, то по разные стороны мембраны создалась бы обратная разность концентраций.

Натрий-калиевые насосы входят в состав цитоплазматических мембран и работают за счет энергии гидролиза молекул АТФ с образованием молекул АДФ и неорганического фосфата Ф_н:

АТФ=АДФ+Ф_н

Натрий калиевый насос работает обратимо: градиенты концентраций ионов способствуют синтезу молекул АТФ из молекул АДФ и Ф_н:

АДФ+Ф_н = АТФ

Натрий-калиевый насос переносит из клетки во внешнюю среду три иона натрия в обмен на перенос двух ионов калия внутрь клетки. На кинетику натрий-калиевого насоса могут оказывать влияние некоторые вещества. Например, под действием цианистого калия натрий перестает откачиваться из клетки, его концентрация внутри нервных клеток и волокон возрастает, клетки перестают проводить нервные импульсы и это приводит к смерти живого организма.