11 Медицинская биофизика

161

пока не установится ионное равновесие. Процесс пол­ностью обращается повышением температуры до 37 °С, На основе подобного рода опытов был сделан вывод, что перенос ионов калия и натрия против градиентов сле­дует рассматривать как активный процесс, поскольку он совершается за счет энергии клеточного метаболизма.

При более детальном изучении переноса калия и нат­рия было установлено, что выход ионов натрия из клеток зависит от концентрации ионов калия во внешней среде а перенос калия в свою очередь зависит от концентрации натрия в цитоплазме. Во-вторых, обнаружено, что те вещества, которые уменьшают выход ионов на­трия из клеток, оказывают такое же влияние и на по­глощение ионов калия. При этом уменьшение переноса калия не является простым электрическим следствием уменьшения переноса натрия, поскольку мембранный потенциал при этом не изменяется. Эти наблюдения на­ряду с другими позволили сформулировать гипотезу со­пряженного натрий-калиевого насоса, которой в настоя­щее время придерживаются большинство крупных уче­ных (Ходжкин, Катц, Шоу, Глинн, Кейнес и др.).

Предполагают, что перенос натрия и калия осущест­вляется специальным переносчиком белковой или белковолипидной природы. Переносчик на внутренней по­верхности мембраны захватывает из цитоплазмы ионы натрия и переносит их на другую поверхность. На на­ружной поверхности мембраны ионы натрия отщепля­ются, а к переносчику присоединяются ионы калия, с которыми он движется снова к внутренней поверхности мембраны.

Для описанного транспорта ионов против градиентов необходимо поступление энергии АТФ, реализация кото­рой происходит при действии фермента аденозинтрифосфатазы (АТФ-азы). Из всех АТФ-аз, имеющихся в клет­ках, решающее значение для транспорта ионов натрия и калия имеет АТФ-аза, активируемая этими же ионами (Nа⁺ — К⁺ — АТФ-аза). Na⁺ — К⁺— АТФ-аза была открыта Скоу (1954) в мембранных фракциях нервных клеток. Впоследствии этот фермент был обнаружен во многих других клетках. Свое предположение об участии Na⁺— К⁺ — АТФ-азы в переносе ионов Скоу подтвердил тем, что обнаружил инактивацию этого фермента сердечны­ми гликозидами (оуабаином, строфантинами), которые тормозят перенос ионов.

₁₆₂

В настоящее время факт локализации молекулярно­го механизма активного переноса ионов, а также Na⁺—К⁺—АТФ-азы в структуре самой мембраны не вы­зывает сомнения. Решающую роль в этом сыграли эксперименты с «тенями» эритроцитов и с заменой цито­плазмы клеток растворами различных электролитов. Так, из аксона кальмара (диаметром 0,5 мм) можно удалить всю аксоплазму и заполнить его вновь раство­ром электролитов с добавкой АТФ. На таком препарате, в котором сохранена лишь мембрана и отсутствует эк­топлазма, удается наблюдать перенос ионов против гра­диентов концентрации и регистрировать потенциалы покоя и распространяющиеся потенциалы действия (см. также с. 189).

В нервной и почечной тканях, как установлено экспе­риментально, весь процесс переноса ионов протекает в три стадии: киназную, ионообменную и фосфатазную.

Первая стадия активируется ионами натрия. В этой стадии происходит фосфорилирование белка-переносчи­ка и присоединение к нему ионов натрия:

АТФ + белок + Na⁺ <===> Na⁺ — белок ~ Ф + АДФ.

Возможно, что белок-переносчик и Nа⁺ — К⁺ — АТФ-аза — одно и то же вещество, подобно тому как актомиозин является и сократительным комплексом мышц и АТФ-азой одновременно. Эта стадия заканчивается переносом ионов натрия на внешнюю поверхность мембраны. Ка­ков молекулярный механизм этого переноса, пока не ясно. По предположению Опита и Чарнока, он заклю­чается в конформационных изменениях белковых моле­кул при фосфорилировании и присоединении ионов, в результате чего центры связывания ионов оказываются локализованными то с внешней, то с внутренней сторо­ны мембраны. Как уже упоминалось в главе 5, подоб­ный же механизм, по мнению Кеннеди, лежит в основе активного транспорта аминокислот и Сахаров. Эти пред­положения можно считать вероятными в связи с тем, что по данным ряда авторов (Василец, Нейфах и др.), из клеточных мембран удалось выделить сократитель­ные белки, близкие к актомиозину мышц. Эти белки обладали Nа⁺ — К⁺ — АТФ-азными свойствами и чувстви­тельностью к сердечным гликозидам.

Вторая стадия, протекающая на внешней поверхно­сти мембраны и активируемая ионами калия, заклю-

II*

163

^{чается в обмене ионов натрия на ионы калия:}

и в переносе последних через мембрану.

Цикл заканчивается на внутренней поверхности мем­браны дефосфорилированием переносчика и освобож­дением ионов калия:

До настоящего времени не удалось выяснить один из важных вопросов при работе натрий-калиевого насо­са: чем объясняется, что на внутренней поверхности мембраны переносчик обладает сродством к натрию, а на внешней — к калию.

Исследуя энергетику описанного процесса, Ходжкин показал, что энергия гидролиза одной молекулы АТФ может обеспечить перенос одного иона против разности электрохимического градиента приблизительно в 400 мВ. Такой перенос был бы экономичен три транспорте во­дородных ионов через мембраны клеток желудка, имею­щих примерно соответствующую величину разности электрохимических потенциалов. Но в нервных клетках, имеющих разность электрохимических потенциалов всего 120 мВ, такой перенос был бы неэкономичен. Поэтому Ходжкин предположил, что при распаде одной молеку­лы АТФ должно переноситься 2 — 3 иона натрия. Впо­следствии этот расчет был подтвержден многими иссле­дователями для ряда тканей; было показано, что при гидролизе одного моля АТФ переносится 2 — 3 г-экв натрия.

Существуют данные, что натрий-калевый насос мо­жет работать в нескольких режимах. Он может перено­сить ионы калия и натрия в соотношениях 1:1, 1:2, 1 : 3. Наконец, может наблюдаться перенос одних ионов натрия без переноса ионов калия. Было показано, что выход ионов натрия из клетки продолжается, хотя и с меньшей скоростью, после удаления из наружной среды ионов калия. Глинном и Постом была установлена точ­ная стехиометрия ионного обмена в эритроцитах чело­века. Оказалось, что в этих клетках на каждые 2 по­глощаемых иона калия выделяется 3 иона натрия.

До настоящего времени не было обнаружено явлений активного переноса анионов, в связи с чем считают, что

164

их распределение между клеткой и средой происходит пассивно¹.

Кроме активного переноса минеральных ионов, су­ществует активный перенос органических веществ, в частности Сахаров, аминокислот, нуклеотидов. Механиз­мы активного переноса органических веществ в настоя­щее время исследованы недостаточно.

Как и при активном транспорте ионов, при активном транспорте органических веществ перенос осуществля­ется против градиентов концентрации и требует затраты химической энергии клеток. В результате активного транспорта органических веществ наблюдается их не­равномерное распределение между цитоплазмой и внеш­ней средой. При ингибировании обменных процессов клетки неравномерность в распределении органических веществ уменьшается.

Имеются данные, что транспорт органических ве­ществ также связан с Nа⁺—К⁺ — АТФ-азой. Было уста­новлено, что транспорт органических веществ зависит от концентрации ионов натрия внутри клеток и угнетается строфантином, который, как указывалось, является инги­битором Na⁺ — К⁺ — АТФ-азы. Следовательно, транспорт органических веществ непосредственно сопряжен с транспортом ионов.

Все виды активного переноса веществ являются в то

же время и избирательным переносом, так как клетка

поглощает этим путем из окружающей среды только те

вещества, которые необходимы для ее жизнедеятель-

ности.

Как предполагает ряд исследователей (Рубинштейн, Драбкин, Уссинг, Пасынский), активный перенос необя­зательно предполагает участие активного переносчика типа белковых молекул, меняющих свою конформацию. Частично эти представления были рассмотрены выше при изложении сущности теории мембранных градиен­тов Д. Л. Рубинштейна.

Локализация некоторых ферментов в мембране позво­ляет несколько по другому объяснить активный перенос. Вещество А из внешней среды может на поверхности мембраны перейти в результате ферментативной реак­ции в какой-либо производное X (например, глюкоза в

¹ Исключением из этого правила является, возможно, транспорт попав йода в клетках щитовидной железы.

₁₆₅

Рис. 27. Модель активного переноса вещества.

A — исходное вещество; X — производное вещество; пунктирные стрелки диффузия; сплошные стрелки — ферментативное превращение вещества.

глюкозофосфат при участии АТФ и фермента гексокиназы). В результате этого концентрация вещества X около мембраны возрастает, а концентрация исходного веще­ства А уменьшается. Это приводит к тому, что произ­водное вещество X начинает поступать по градиенту концентрации через мембрану в глубь клетки (рис. 27). С другой стороны, исходное вещество А также по гра­диенту концентрации движется из внешней среды к поверхности клетки. Внутри клетки производное X вновь превращается в исходное вещество А (например, глюкозофосфат в глюкозу под действием фермента фосфатазы), которое может накапливаться в клетке в сколь угодно больших количествах, поскольку (перенос осуще­ствляется не по градиенту этого вещества, а по градиен­ту вещества X. Таким же образом вещество А может проникнуть через следующую мембрану и т.д. Если мембрана проницаема для вещества А, то оно будет диффундировать из клетки в среду, когда его концент­рация в клетке превысит концентрацию в среде, т. е.. будет наблюдаться утечка вещества А из клетки.

Таким образом, активный перенос не означает, что вещество А в неизменном виде переносится против гра­диента его концентрации. Возможно, это энергия метабо­лических процессов как раз затрачивается на такие мо­лекулярные превращения Л, при которых на каждом этапе переноса движение происходит по градиенту кон­центрации производных данного вещества, но суммар­ный баланс процесса переноса А (сахаров, аминокислот

166

и др.) соответствует передвижению против градиента концентрации.

Таким образом, между пассивным и активным транс­портом веществ нет непереходимой грани. С одной сто­роны, пассивный транспорт происходит по градиентам, которые возникают в результате активного транспорта; с другой стороны, сам активный транспорт — противоградиентный процесс — сопряжен с градиентным про­цессом более высокого порядка — гидролизом АТФ. Здесь понятие «градиентный процесс» применяется в широком смысле и обозначен процесс, протекающий с уменьше­нием свободной энергии. Как уже указывалось в главе 2, противоградиентные процессы всегда имеют местный характер, поскольку они всегда сопряжены с другими — градиентными процессами. В конечном счете суммарный процесс в любой системе является градиентным и при­водит к уменьшению свободной энергии системы и воз­растанию энтропии. Убыль свободной энергии открытой системы компенсируется ее новым поступлением из ок­ружающей среды; а в изолированной системе устанав­ливается термодинамическое равновесие. Окисление про­дуктов питания, а затем гидролиз АТФ с освобожде­нием свободной энергии и являются теми градиентными процессами, которые обусловливают противоградиентиые (процессы в клетках, одним из которых является активный транспорт веществ.