4.6.2. Активный транспорт веществ в клетках

Перенос молекул и ионов против электрохимического градиента за счет энергии гидролиза АТФ называется активным транспортом (рис. 4.27). Примерами активного транспорта могут служить перенос ионов калия и натрия через цитоплазматические мембраны (К⁺-, Na⁺-насос); - перенос Ca²⁺ через мембраны саркоплазматического ретикулума скелетных и сердечной мышц внутрь пузырьков ретикулума; перенос ионов водорода через мембраны митохондрий из матрикса наружу.

Рис. 4.27. Активный транспорт веществ

Наиболее сложно из транспортных АТФ устроена Н⁺-АТФ, состоящая из нескольких соединений. Самая простая – Са²⁺-АТФ, состоящая из одной субъединицы (полипептидной цепи), с молекулярной массой 100000. Рассмотрим механизм переноса ионов кальция этой АТФ.

Первый этап работы - связывание субстратов Са²⁺ и АТФ в комплексе с Mg²⁺. Эти два лиганда присоединяются к различным центрам на поверхности молекулы фермента, обращенной наружу пузырька саркоплазматического ретикулума (СР).

Второй этап работы фермента - гидролиз АТФ. При этом происходит образование энзимфосфатного комплекса (е-р).

Третий этап - переход центра связывания Cа²⁺ на другую сторону мембраны (транслокация).

Четвертый этап - высвобождение энергии макроэргической связи при гидролизе энзимфосфатного комплекса. Эта энергия расходуется на перенос Cа²⁺ с одной стороны мембраны на другую (внутрь пузырьков с меньшей концентрацией (1…4·10^-2 M) в область с большей концентрацией (1…10·10^-3 М)). Это и есть та работа, которую совершает Са²⁺ транспортная АТФ в мышечных клетках.

Для повторения цикла требуется возвращение кальцийсвязывающих центров изнутри наружу, то есть еще одно конформационное изменение в молекуле фермента. Молекулярный механизм натриевого насоса во многом сходен.

При этом клетка совершает работу, которая называется концентрационной, или осмотической. Эта работа состоит, с одной стороны, в накоплении клеткой веществ, присутствующих в окружающей среде в малых количествах, а с другой - в выведении в окружающую среду веществ, которые в ней присутствуют, имея высокую концентрацию. Величина концентрационной работы при переносе незаряженных частиц против концентрационного градиента может быть найдена из уравнения

, (4.38)

где m - количество молей вещества, перенесенного через мембрану из области большей в область меньшей концентрации.

Активный транспорт веществ можно разделить на два вида: 1) активный перенос ионов; 2) перенос органических веществ – главным образом, сахаров и аминокислот. К активному транспорту относят и такие явления, как пиноцитоз - так называемое «питье клеток», когда вещества поступают в клетку «упакованными» в клеточную мембрану.

4.6.3. Опыт Уссинга. Ионные каналы

Интересный пример активного транспорта представляет собой кожа лягушки. Если сосуд разделить на две камеры, содержащие нормальный раствор Рингера, свежеизолированной кожей лягушки, то внутренняя поверхность кожи заряжается положительно по отношению к наружной. Разность потенциалов при этом достигает примерно 100 мВ. Это так называемая «наносная» разность потенциалов, возникновение которой обусловлено активным переносом натрия. Компенсируя данную разность потенциалов с помощью внешнего источника, то есть ЭДС которого имеет противоположное направление, вновь наблюдается перенос ионов натрия от наружной поверхности кожи лягушки к внутренней. Этот перенос натрия, несомненно, связан с происходящим в коже обменом веществ.

Аналогичные явления наблюдаются в опытах с другими сложными мембранными системами. О высокой интенсивности процессов активного переноса ионов в клетках свидетельствуют данные термодинамических расчетов. Высчитано, что 70% энергии метаболизма мышцы лягушки в покое расходуются на перенос ионов натрия. Этот показатель возрастает на 50% в определенных условиях, когда стимулируется перенос ионов.

Следует отметить, что пассивный транспорт происходит по градиентам, которые, как правило, возникают в результате наличия активного транспорта. С другой стороны, сам активный транспорт - противоградиентный процесс. Он сопряжен с градиентным процессом более высокого порядка - гидролиза АТФ.

Таким образом, окислительные продукты питания, а затем гидролиз АТФ с освобождением свободной энергии и являются теми градиентными процессами, которые обусловливают противогра-диентные процессы в клетках и тканях, одним из которых является активный транспорт веществ.

Каким образом ионы переносятся через мембраны - с помощью специальных переносчиков или по каналам мембраны? Решение этого вопроса играет большую роль в объяснении передачи импульса по нервным волокнам. Опыты показали, что на 1 мкм² мембраны находится несколько сот каналов.

Так, проводимость одиночного натриевого канала составляет 4·10 Ом^-1, калиевого - 12·10^-2 Ом. Пропускная способность первого ≈10⁷ ион/с, второго ≈10⁷ ион/с.

Ионный канал трактуют как своего рода «векторный фермент», катализирующий перенос иона. Активность этого «фермента» (то есть липопротеинового комплекса) регулируется электрическим полем.

Ионы, посредством каналов, являются источниками энергии, которая в дальнейшем тратится для распространяемого импульса. В основе всего процесса лежит ранее рассмотренный натриевый насос, который действует за счет энергии АТФ.

Ионные каналы высокоселективны, то есть сверхизбирательны.

Таким образом, клетки способны пропускать через свою оболочку самые различные вещества. Пассивный транспорт осуществляется в результате диффузии без затрат химической энергии. Основным уравнением, характеризующим диффузию веществ через мембраны клеток, является уравнение Фика.

Если перенос молекул и ионов осуществляется против химического градиента, то речь идет об активном транспорте. Этот перенос осуществляется за счет энергии метаболических процессов. При этом клетка совершает работу.