1.7. Реверсія напрямки роботи ncx

Зміна градієнтів для одного або декількох іонів, що беруть участь у роботі обмінника, може призвести до зміни напрямку його роботи. Цікаво, що у разі NCX така зміна напрямку може відбутися у фізіологічних умовах. При цьому кальцій буде переноситися всередину клітини, а натрій - виводитися з неї. Напрямок роботи NCX визначається різницею між енергією, що виділяється при переміщенні трьох іонів натрію всередину клітини, і енергією, необхідної для перенесення одного іона кальцію назовні. Одним з факторів, що визначають цей енергетичний баланс, є мембранний потенціал. Вплив потенціалу мембрани обумовлено тим, що процес іонообміну не є електрично нейтральним. Внаслідок кожного прямого циклу роботи обмінника, через мембрану всередину клітини переноситься один позитивний заряд. Отже, гіперполяризація мембрани полегшує прямий цикл обмінника, в той час як деполяризація його ускладнює і може призвести до зміни напрямку, тобто до роботи обмінника в режимі зворотного циклу. Слід підкреслити, що, незважаючи на відсутність електричної нейтральності, обмінники не є електрогеннимі. На відміну від насосів, вони працюють за рахунок електрохімічних градієнтів, а не виробляють їх. Енергія, що виділяється за рахунок входу іонів натрію в клітину (або енергія, необхідна для перенесення цих іонів назовні), дорівнює добутку заряду на різницю між рівноважним потенціалом для натрію (E _Na) і мембранним потенціалом (V _m). Для трьох іонів натрію ця енергія буде дорівнює 3 (. E _Na - V _m).Відповідно, для одного двовалентного іона кальцію енергія переносу буде дорівнює 2 (Е _Са - V _m). При певному значенні мембранного потенціалу рівні енергії зрівняються й перенесення припиниться. Позначивши це значення через потенціал реверсії V _r, отримаємо   або  При значеннях потенціалу більш негативних, ніж потенціал реверсії, натрій переміщається всередину клітини, а кальцій - назовні. При більш позитивних значеннях напрямок руху іонів змінюється на протилежне.  Припустимо, що концентрації натрію і кальцію в клітині приймають значення 15 ммоль і 100 нМ відповідно, а в позаклітинному середовищі знаходиться 150 ммоль натрію і 2 ммоль кальцію. Такі значення цілком ймовірні для клітин ссавців. По рівнянню Нернста, рівноважний потенціал для натрію буде +58 мВ, а для кальцію +124 мВ. Потенціал реверсії, при якому рух іонів через обмінника припиниться, буде - 74 мВ. Це значення близьке до потенціалу спокою багатьох клітин ссавців. Отже, в окремо взятій клітині напрямок іонообміну може бути як прямим, так і зворотним, в залежності від поточного значення мембранного потенціалу і від того, чи відбувалося накопичення іонів натрію або кальцію в цій клітці. У клітинах серцевого м'яза вхід кальцію через NCX в ході потенціалу дії здатний викликати скорочення м'язи, а його подальший висновок з клітини за допомогою того ж NCX сприяє релаксації.

1.8. Натрій-кальцієвий обмінник у паличках сітківки

Для клітин з низькими значеннями потенціалу спокою NCX не представляється надійною системою виведення кальцію з цитоплазми. У таких клітинах кальцій спочатку буде накопичуватися до деякого, досить високого, рівня. Прикладом такої клітини може служити паличка сітківки ссавців, мембранний потенціал спокою який зазвичай знаходиться на рівні - 40 мВ. У мембрані таких клітин зустрічається інший тип натрій-кальцієвого обмінника, RetX. У порівнянні з NCX додаткова енергія для перенесення кальцію виходить за рахунок двох відмінностей у стехіометрії RetX. По-перше, замість трьох іонів натрію через RetX проходять чотири. По-друге, вроботі обмінника бере участь іон калію, також переміщується в напрямку свого електрохімічного градієнта і, отже, виділяє при цьому додаткову енергію. Рівняння потенціалу реверсії натрій - калій-кальцієвого обмінника має наступний вигляд:  Виходячи з підрахованих вище значень Е _Na і E _Ca і беручи значення Е _K за - 90 мВ, отримаємо з рівняння Нернста V _r. = +74 МВ. Очевидно, що ймовірність реверсії іонообміну через RetX дуже мала.  Для кращого розуміння роботи RetX представляється доцільним задати наступне питання: яке значення має прийняти рівноважний потенціал Е _Ca для того, щоб V _r зрівнявся з потенціалом спокою клітини, тобто - 40 мВ. За допомогою того ж рівняння отримаємо 181 мВ, що при позаклітинної концентрації кальцію 2 ммоль дає значення внутрішньоклітинної концентрації 1 нМ. Іншими словами, при мембранному потенціалі - 40 мВ обмінник RetX володіє достатньою енергією для того, щоб знизити рівень кальцію всередині клітини до 1 нМ. Цікаво відзначити, що при тих же умовах NCX здатний знизити внутрішньоклітинну концентрацію кальцію тільки до 383 нМ.