3.2. Активний транспорт

Активний транспорт - це такий процес, при якому перенесення відбувається з місця з меншим значенням електрохімічного потенціалу до місця з великим його значенням. Цей процес, що супроводжується зростанням енергії, не може йти спонтанно, а тільки в сполученні з процесом гідролізу АТФ, тобто за рахунок витрати енергії Гіббса, запасеної в макроергічних зв'язках АТФ.

Активний транспорт речовин через біологічні мембрани має величезне значення. За рахунок активного транспорту в організмі створюються різниці концентрацій, різниці електричних потенціалів, тиску, що підтримують життєві процеси, тобто з точки зору термодинаміки активний перенос утримує організм в нерівноважному стані, підтримує життя, так як рівновага - це смерть організму.

Подальші дослідження показали, що в біологічних мембранах є кілька різновидів іонних насосів, що працюють за рахунок вільної енергії гідролізу АТФ, - спеціальні системи інтегральних білків (транспортні АТФази). В даний час відомі три типи електрогенних іонних насосів . Перенесення іонів транспортними АТФазами відбувається внаслідок сполучення процесів переносу з хімічними реакціями за рахунок енергії метаболізму клітин.

При роботі K +-Na +-АТФази за рахунок енергії макроергічних зв'язків, що звільняється при гідролізі кожної молекули АТФ, в клітку переносяться два іони калію і одночасно з клітки викачуються три іона натрію.

Таким чином, створюються підвищена в порівнянні з міжклітинної середовищем концентрація в клітині іонів калію і знижена концентрація іонів натрію, що має величезне фізіологічне значення. Са-АТФаза забезпечує активне перенесення двох іонів кальцію. Протонна помпа - двох протонів на одну молекулу АТФ.

Молекулярний механізм роботи іонних АТФаз до кінця не вивчений. Проте простежуються основні етапи цього складного ферментативного процесу. У випадку К-Na-АТФази нараховуються сім етапів перенесення іонів, пов'язаних з гідролізом АТФ. (Рис. 3.3.)

1) утворення комплексу ферменту з АТФ на внутрішній поверхні мембрани (ця реакція активується іонами магнію),

2) зв'язування комплексом трьох іонів натрію,

3) фосфорилювання ферменту з утворенням аденозиндифосфату,

4) переворот ( фліп-флоп) ферменту всередині мембрани ,

5) реакція іонного обміну натрію на калій, яка відбувається на зовнішній поверхні мембрани,

6) зворотний переворот ферментного комплексу з переносом іонів калію всередину клітини ,

7) повернення ферменту в початковий стан із звільненням іонів калію і неорганічного фосфату (Р).

Рис. 3.3. Схема роботи K-Na насосу

Таким чином, за повний цикл відбуваються викид з клітини трьох іонів натрію, збагачення цитоплазми двома іонами калію і гідроліз однієї молекули АТФ. [5]

Вторинний активний транспорт іонів

Крім іонних насосів, розглянутих вище, відомі подібні системи, в яких накопичення речовин пов'язане не з гідролізом АТФ, а з роботою окислювально-відновних ферментів або фотосинтезом. Транспорт речовин у цьому випадку є вторинним, опосередкованим мембранним потенціалом і(або) градієнтом концентрації іонів при наявності в мембрані специфічних переносників. Такий механізм переносу отримав назву вторинного активного транспорту. Найбільш детально цей механізм розглянуто Пітером Мітчелом (1966 р.) в хеміосмотичній теорії окисного фосфорилювання. У плазматичних і субклітинних мембранах живих клітин можливе одночасне функціонування первинного і вторинного активного транспорту. Прикладом може служити внутрішня мембрана мітохондрій.

Рис. 3.4. Схематичне зображення вторинного активного транспорту

Інгібування АТФази в ній не позбавляє частку здатності накопичувати речовини за рахунок вторинного активного транспорту. Такий спосіб накопичення особливо важливий для тих метаболітів, насоси для яких відсутні (цукру, амінокислоти).

Розглянемо транспорт одновалентних іонів за участю молекул-переносників. При цьому мається на увазі, що переносник в навантаженому або ненавантаженому стані однаково добре перетинає мембрану. Джерелом енергії служить мембранний потенціал і(або) градієнт концентрації одного з іонів.

Однонаправлене перенесення іона в комплексі із специфічним переносником отримав назву уніпортом. При цьому через мембрану переноситься заряд або комплексом, якщо молекула переносника електронейтральна, або порожнім переносником, якщо перенесення забезпечується зарядженим переносником. Результатом переносу буде накопичення іонів за рахунок зниження мембранного потенціалу. Такий ефект спостерігається при накопиченні іонів калію в присутності валіноміцина у енергізованних мітохондріях.

Зустрічне перенесення іонів за участю одномісною молекули-переносника отримав назву антипорта. Передбачається при цьому, що молекула-переносник утворює міцний комплекс з кожним з переносите іонів. Перенесення здійснюється в два етапи: спочатку один іон перетинає мембрану зліва направо, потім другий іон - у зворотному напрямку. Мембранний потенціал при цьому не змінюється. Що ж є рушійною силою цього процесу? Очевидно, різниця концентрацій одного з перенесених іонів. Якщо початково різниця концентрації другого іона була відсутня, то результатом перенесення стане накопичення другого іона за рахунок зменшення різниці концентрацій першого. Класичним прикладом антипорта служить перенесення через клітинну мембрану іонів калію і водню за участю молекули антибіотика нігеріцина.

Спільний односпрямований перенесення іонів за участю двомісного переносника називається симпорт. Передбачається, що в мембрані можуть перебувати дві електронейтральні частинки: переносник в комплексі з катіоном і аніоном і порожній переносник. Оскільки мембранний потенціал в такій схемі переносу не змінюється, то причиною перенесення може бути різниця концентрацій одного з іонів. Вважається, що за схемою симпорта здійснюється накопичення клітинами амінокислот. Калій-натрієвий насос створює початковий градієнт концентрації іонів натрію, які потім за схемою симпорта сприяють накопиченню амінокислот. Зі схеми симпорта випливає, що цей процес має супроводжуватися значним зміщенням осмотичного рівноваги, оскільки в одному циклі через мембрану переносяться дві частинки в одному напрямку. [5]