Активный транспорт

Активный транспорт — энергозависимый трансмембранный перенос против электрохимического градиента. Различают первичный и вторичный активный транспорт. Первичный активный транспорт осуществляют насосы (различные АТФазы), вторичный — симпортёры (сочетанный однонаправленный транспорт) и антипортёры (встречный разнонаправленный транспорт).

 Первичный активный транспорт. Движущая сила трансмембранного переноса возникает при ферментативном гидролизе макроэргических связей АТФ. Родовой термин для таких АТФаз (например, Na⁺,K⁺-, H⁺,K⁺-, Ca²⁺‑АТФазы) — насосы.

 Вторичный активный транспорт. Движущая сила для трансмембранного переноса одного вещества (или ионов) против электрохимического градиента возникает за счёт потенциальной энергии, запасённой за счёт сочетанного переноса ионов (как правило, Na⁺) по электрохимическому градиенту. В большинстве случаев поступление Na⁺ в цитозоль из межклеточного пространства и обеспечивает вторичный активный транспорт разных ионов и веществ. Известно 2 типа вторичного активного переноса — симпорт и антипорт (рис. 2–6).

· Первичный активный транспорт обеспечивают следующие насосы — натрий, калиевые АТФазы, протонные и калиевые АТФазы, Са²⁺-транспортирующие АТФазы, митохондриальные АТФазы, лизосомальные протонные насосы и др.

 Натрий, калиевая АТФаза (рис. 2–11) регулирует трансмембранные потоки основных катионов (Na⁺, K⁺) и опосредованно — воды (что поддерживает постоянный объём клетки), обеспечивает Na⁺–связанный трансмембранный перенос (симпорт и антипорт) множества органических и неорганических молекул, участвует в создании МП покоя и генерации ПД нервных и мышечных элементов.

 Электрогенность. При каждом цикле гидролиза АТФ 3 иона Na⁺ выбрасываются из клетки, а 2 иона K⁺ поступают в цитозоль, суммарный эффект — выброс из клетки одного катиона. Другими словами, Na⁺,K⁺‑насос обладает электрогенностью: его работа приводит к поддержанию положительного заряда наружной (внеклеточной) поверхности мембраны.

 Сердечные гликозиды (например, уабаин и дигоксин) блокируют работу Na⁺,K⁺–насоса, конкурентно с K⁺ взаимодействуя с участком связывания K⁺ на наружной поверхности мембраны. В результате при гипокалиемии (низкий [K⁺] плазмы крови) увеличивается токсичность сердечных гликозидов.

Рис. 2–11. Na⁺,K⁺–насос [7]. Модель Na⁺,K⁺–АТФазы, встроенной в плазматическую мембрану. Na⁺,K⁺–насос — интегральный мембранный белок, состоящий из 4 СЕ (формирующие канал 2 каталитические субъединицы a и 2 гликопротеина b). Na⁺,K⁺‑насос осуществляет транспорт катионов против электрохимического градиента (m_X) — транспортирует Na⁺ из клетки в обмен на K⁺ (при гидролизе одной молекулы АТФ 3 иона Na⁺ выкачиваются из клетки, и 2 иона K⁺ закачиваются в неё). Слева и справа от насоса при помощи стрелок показаны направления трансмембранного потока ионов и воды в клетку (Na⁺) и из клетки (K⁺, Cl^– и вода) в силу различий их Dm_X. АДФ — аденозиндифосфат, Фн — неорганический фосфат.

 Протонная и калиевая АТФаза (H⁺,K⁺‑насос). При помощи этого фермента париетальные клетки желёз слизистой оболочки желудка участвуют в образовании соляной кислоты (электронейтральный обмен 2 внеклеточных ионов K⁺ на 2 внутриклеточных иона H⁺ при гидролизе одной молекулы АТФ).

 H⁺,K⁺‑АТФаза — гетеродимер (2 высокомолекулярных a‑СЕ и 2 меньшей мол. массы и сильно гликозилированной b‑СЕ).

 b‑СЕ — главный Аг, к которому при некоторых заболеваниях (например, при витамин B₁₂–анемиях и атрофическом гастрите) в крови циркулируют АТ.

 Са²⁺-транспортирующие АТФазы (Са²⁺‑АТФазы) выкачивают ионы кальция из цитоплазмы в обмен на протоны против значительного электрохимического градиента Са²⁺.

 Са²⁺‑АТФазы плазмолеммы переносят ионы кальция из цитоплазмы во внеклеточное пространство в обмен на протоны (1 H⁺ в обмен на 1 Ca²⁺ при гидролизе 1 молекулы АТФ).

 Са²⁺‑АТФазы саркоплазматического ретикулума. Как и Са²⁺‑АТФазы плазмолеммы, Са²⁺-транспортирующие АТФазы саркоплазматического ретикулума откачивают ионы кальция из цитоплазмы (2 H⁺ в обмен на 2 Ca²⁺ при гидролизе 1 молекулы АТФ), но не во внеклеточное пространство, а во внутриклеточные депо кальция (в замкнутые межмембранные объёмы гладкой эндоплазматической сети, именуемой в скелетных МВ и кардиомиоцитах — саркоплазматический ретикулум). Недостаточность Са²⁺‑АТФазы саркоплазматического ретикулума проявляется симптомами мышечной усталости (миопатия) при физической нагрузке.

 Митохондриальная АТФаза типа F (F₀F₁) — АТФ–синтаза внутренней мембраны митохондрий — катализируют конечный этап синтеза АТФ (рис. 2–12). Кристы митохондрий содержат АТФ-синтазу, сопрягающую окисление в цикле Кребса и фосфорилирование АДФ до АТФ. АТФ синтезируется при обратном токе протонов в матрикс через канал в АТФ-синтезирующем комплексе.

Хемиосмотическое сопряжение. Сопряжение переноса электронов и синтеза АТФ (механизм предложил Питер Митчелл в 1961 г.) обеспечивает протонный градиент. Внутренняя мембрана непроницаема для анионов и катионов. Но при прохождении электронов по дыхательной цепи ионы H⁺ откачиваются из матрикса митохондрий в межмембранное пространство (рис. 2–12). Эта энергия электрохимического протонного градиента и используется для синтеза АТФ и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс.

Рис. 2–12. Механизм хемиосмотического сопряжения при образовании АТФ в митохондриях [11]. При транспорте электронов по дыхательной цепи из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство митохондрий поступает H⁺. Созданный таким образом электрохимический градиент (Dm_H) позволяет АТФ-синтазе катализировать реакцию АДФ + неорганический фосфат (Ф_н) ® АТФ.

 Лизосомальные протонные насосы (H⁺‑АТФазы типа V [от Vesicular]), встроенные в мембраны, окружающие лизосомы (также комплекс Гольджи и секреторные пузырьки), транспортируют H⁺ из цитозоля в эти мембранные органеллы. В результате в них понижается значение pH, что оптимизирует функции этих структур.

 Транспортёры ABC (от ATP-Binding Cassette — АТФ-связывающая последовательность) — либо гидролизующие АТФ насосы для активного транспорта разных ионов и молекул, либо ионные каналы или регуляторы ионных каналов. Так, ген CFTR (от cystic fibrosis transmembrane regulator — трансмембранный регулятор кистозного фиброза) кодирует структуру хлорного канала (одновременно регулятор функционирования других каналов), мутации которого приводят к развитию муковисцидоза (кистозного фиброза).

· Вторичный активный транспорт. Известны 2 формы активного вторичного транспорта: сочетанный (симпорт) и встречный (антипорт) (см. рис. 2–6).

 Симпорт — сочетанный перенос (котранспорт, сочетанный транспорт) — движение двух веществ сквозь мембрану при помощи одного и того же переносчика (симпортёра).

 Антипорт — одновременное трансмембранное перемещение двух веществ, но в противоположном направлении (встречный транспорт) при помощи одного и того же переносчика (антипортёра, обменника).

 Симпорт реализуют интегральные мембранные белки. Перенос вещества Х против его электрохимического градиента (m_Х) в большинстве случаев происходит за счёт поступления в цитозоль из межклеточного пространства по градиенту диффузии ионов натрия (т.е. за счёт Dm_Na), а в ряде случаев — за счёт поступления в цитозоль из межклеточного пространства по градиенту диффузии протонов (т.е. за счёт Dm_H). В итоге и ионы (Na⁺ или H⁺), и вещество Х (например, глюкоза, аминокислоты, неорганические анионы, ионы калия и хлора) перемещаются из межклеточного вещества в цитозоль.

 Всасывание глюкозы происходит через верхушечные поверхности клеток, окаймляющих просвет проксимальных извитых канальцев почки и тонкого кишечника при помощи сочетанного транспорта с ионами Na⁺. Разные изоформы транспортёра переносят Na⁺ и глюкозу в соотношении 1:1 или 2:1. Расчёты показывают, что максимальная концентрация глюкозы в клетке может в 100 или в 10⁴ раз превышать её концентрацию в плазме крови.

 При стехиометрии 1:1 движущая сила равна сумме разностей электрохимического потенциала для Na⁺ (Dm_Na) и химического потенциала для глюкозы (Dm_{глюкоза}). Равновесие достигается, когда Dm_Na в одном направлении становится равным Dm_{глюкоза} в противоположном направлении:

Уравнение 2–5

–Dm_Na = Dm_{глюкоза}

Выражая «Dm_Na» через концентрации Na⁺ снаружи (сн) и изнутри (вн) мембраны и МП (V_m), а «Dm_{глюкоза}» через концентрации глюкозы снаружи (сн) и изнутри (вн) мембраны, можно вычислить максимально возможный трансмембранный градиент концентрации глюкозы:

Уравнение 2–6

 Для эпителиальной клетки градиент концентрации Na⁺ десятикратен (это соответствует десятикратному градиенту концентрации глюкозы), а значение МП для внутренней поверхности мембраны –60мВ (это соответствует ещё десятикратному градиенту концентрации глюкозы).

При стехиометрии 2:1:

Уравнение 2–7

2Dm_Na = –Dm_{глюкоза}

получаем максимальный теоретический трансмембранный градиент концентрации глюкозы в 10⁴.

 Всасывание аминокислот эпителиальными клетками проксимальных извитых канальцев нефрона и энтероцитами тонкого кишечника происходит при сочетанном транспорте вместе с Na⁺.

 Неорганические анионы (фосфаты, сульфаты, бикарбонаты) транспортируют разные переносчики в сочетании с транспортом Na⁺.

 Калий и хлор. Известно несколько Na⁺‑котранспортёров K⁺ и Cl^–. В частности, в плазмолемму свободной поверхности эпителия восходящего отдела петли Хенле встроены ингибируемые фуросемидом (петлевой диуретик) переносчики (все 3 иона транспортируются в цитозоль). В то же время выход K⁺ и Cl^– из клетки осуществляет не зависящий от Na⁺ K⁺,Cl^–‑котранспортёр.

 Разные протонные котранспортёры осуществляют одновременный с H⁺ перенос в цитозоль олигопептидов (эпителий проксимальных извитых канальцев почки), лактата и пирувата (многие клетки), дивалентных металлов (например, Fе²⁺ в канальцах нефрона и тонком кишечнике).

 Антипорт (встречный, или обменный транспорт), как правило, перемещает анионы в обмен на анионы и катионы в обмен на катионы. Движущая сила обменника формируется за счёт поступления в клетку Na⁺.

 Na⁺-Ca²⁺-обменник вмонтирован в плазмолемму всех клеток и вместе с Ca²⁺‑насосом плазмолеммы приводит к практически полному удаление Ca²⁺ из цитозоля (в обмен на поступление в цитозоль 3 ионов натрия). Эта стехиометрия обмена (3:1) обеспечивает трансмембранную разницу (Dm_Ca) на 4 порядка величин.

 Na⁺-H⁺-обменник осуществляет обмен внеклеточного Na⁺ на внутриклеточный H⁺ в соотношений 1:1, что важно для поддержания внутриклеточного pH, объёма клеток, секреции кислот (H⁺) и абсорбции Na⁺.

 Na⁺-Cl^–-HCO^–₃-обменник электронейтрален и сочетает однонаправленный вход в клетку 1 Na⁺ и 2 HCO^–₃ и транспорт из клетки 1 Cl^–. Как и Na⁺-H⁺-обменник, этот транспортёр сдвигает значение внутриклеточного pH в щёлочную сторону.

 Cl^–-HCO^–₃-обменник (обменник анионов) функционирует независимо от потока Na⁺. Направленный внутрь клетки градиент Cl^– одновременно транспортирует НСО^–₃ из клетки. Этот анионный обменник важен для обеспечения функции дыхания: через обменник в лёгких НСО^–₃ поступает в эритроциты, тогда как в тканях НСО^–₃ выходит из эритроцитов. Потоки НСО^–₃ важны для регуляции внутриклеточного pH, а потоки Cl^– для регуляции клеточного объёма.

 Обменники органических анионов обеспечивают поглощение гепатоцитами билирубина и жёлчных кислот, различными клетками — простаноидов (ПгE₂, ПгF_2a, тромбоксана B₂), клетками почечных канальцев — органических анионов, антибиотиков, парааминогиппуровой кислоты.