Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 13.Активный транспорт веществ через биологическую мембрану
..docx13.Активный транспорт веществ через биологическую мембрану. Свойства и компоненты системы активного транспорта. Калий-натриевый насос. Энергетика активного транспорта.
Активный транспорт
Активный транспорт - это перенос вещества против градиента концентрации. Типичными примерами активного транспорта являются: 1) поддержание в цитоплазме оптимальных концентраций различных веществ, в частности - ионов; 2) удаление из организма продуктов метаболизма и других вредных веществ; 3) поддержание в миофибриллах высокой концентрации ионов кальция, что необходимо для мышечного сокращения. Все известные виды активного транспорта осуществляются с помощью специфических переносчиков .Отличительной чертой активного транспорта является высокая энергоемкость .. Пассивный транспорт, как любой реальный (необратимый) процесс тоже связан с расходом свободной энергии, но для переноса веществ против градиента концентрации ., естественно, необходимы гораздо большие энерготраты. Подсчитать расход энергии можно по формуле:
W = 7 n 0.RT.Ln(С 41 0\С 42 0)
Как обычно, источником этой энергии является расщепление АТФ, катализируемое ферментом АТФ-азой .. Отсюда ясно, что необходимыми компонентами . активного транспорта являются переносчик, источник энергии АТФ и фермент АТФ-аза .. В большинстве, а возможно, и во всех случаях активного транспорта АТФ-аза является одновременно и переносчиком .,поэтому АТФ-азы, обеспечивающие активный транспорт, называются транспортными АТФ-азами ..Наиболее изученной системой активного транспорта является так называемый калий-натриевый насос .. поддерживающий в клетках определенные концентрации ионов К 5+ 0 и Na 5+ 0. Для нормальной жизнедеятельности клетки концентрация ионов калия . в цитоплазме должно быть много больше ., чем в межклеточной жидкости, а концентрация ионов натрия . в клетке наоборот, много меньше ., чем снаружи. Общая схема работы калий-натриевого насоса . в настоящее время представляется следующим образом. Переносчиком . ионов калия и натрия является специализированная АТФ-аза ., которая _ активируется при отклонении концентрации ионов в неблагоприятную сторону ., то есть при повышении концентрации ионов Na 5+ 2 или при понижении концентрации ионов К 5+2внутри клетки. (Из-за этого свойства данный переносчик называют " _натрий-калий активируемая АТФ-аза ."). Далее процесс развивается Следующим образом.
1) _ Активированная . АТФ-аза катализирует отщепление от АТФ фосфатной группы HРО 43 . Эта фосфатная группа присоединяется к АТФ-азе 0 (такой процесс называют 1фосфорилированием 0). Фосфорилированная АТФ-аза приобретает сродство к ионам натрия и присоединяет _ три иона Na . 5+ 0 из цитоплазмы.2) За счет электрического взаимодействия этих ионов с белком происходит 2конформационная перестройка 0 молекулы АТФ-азы, в результате чего часть этой молекулы с присоединенными ионами натрия и фосфатной группой оказываются на _ наружной . стороне мембраны. 5*) 3) Чтобы 2ионы натрия оторвались от переносчика, 0 _необходима значительная затрата свободной энергии .. Эта энергия получается за счет переноса фосфатной группы от АТФ-азы к молекуле воды: Ф + H2О 6 0H 43 0PO 44 0оторвавшиеся ионы натрия переходят в межклеточную среду.4) Потерявший фосфатную группу (дефосфорилированный) переносчик приобретает сродство к ионам калия и присоединяет _ два иона К . 5+ 0.Присоединения калия вызывает _ обратную конформацию . молекулы АТФ-азы, врезультате чего ионы калия перемещаются на _ внутреннюю . поверхность мембраны, и начинается новый цикл. 1") АТФ-аза расщепляет новую мрлекулу АТФ; выделившаяся энергия идет на отрыв ионов калия, которые поступают в цитоплазму. Отщепившаяся АТФ-аза присоединяет три иона Na 5+ 0 и т.д.Таким образом, за один цикл калий-натриевый насос перекачивает три иона натрия из клетки наружу и два иона калия из межклеточной среды в цитоплазму. На это тратится энергия одной молекулы АТФ. Как ясно из изложенной схемы, эта энергия, в основном, идет на отрыв присоединившихся к АТФ-азе ионов натрия и калия; кроме того, часть энергии затрачивается на конформационные перестройки молекулы переносчика. Энергию можно подсчитать по формуле (5); например, при тех концентрациях ионов, которые существуют в мышце лягушки, на перенос трех молей натрия и двух молей калия тратится 29,5 кДж. Один моль АТФ в этих условиях выделяет 32 кДж. Таким образом, калий-натриевый насос имеет очень высокий КПД (более 90%). В целом на обеспечение активного транспорта расходуется от 15% до 30% всей синтезируемой в организме АТФ.Все вещества, угнетающие синтез АТФ, снижают интенсивность активного транспорта. Некоторые авторы считают, что молекула АТФ-азы просто переворачивается в мембране на 180 5о 0. Для понимания сути активного транспорта это не имеет существенного значения
Примерно так же работает кальциевый насос, перекачивающий против градиента концентрации ионы Сa 5++ 0. Механизм других видов активного транспорта изучен хуже, но общая схема их деятельности, по-видимо му, такая же.Системы активного транспорта работают также в почках, обеспечивая выведение ряда веществ с мочей, в кишечнике, где они способствуют транспорту продуктов переваривания пищи через стенку кишки, в железах внутренней секреции и т.д.