25. Пассивный транспорт ионов. Уравнение Теорелла, Нернста – Планка.

Пассивный транспорт – это перенос вещества из мембраны с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.

Пассивный транспорт:

1). Фильтрация.

2). Простая диффузия:

a). Осмос,

б). Через липидный слой,

в). Через поры в липидном слое,

г). Через белковую пору.

3). Облегченная диффузия:

а). С подвижным переносчиком,

б). С фиксированным переносчиком.

Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса и поэтому этот процесс может идти самопроизвольно без затраты энергии. Направление пассивного транспорта μ₁ → μ₂, J_m, μ₁ больше μ₂ . Плотность потока вещества J_m при пассивном транспорте подчиняется уравнению Теорелла: J_m = - UCd μ/dx, где U – подвижность частиц, C – концентрация. Знак минус показывает, что перенос происходит в сторону убывания μ. Плотность потока вещества – это величина, численно равная количеству вещества, переменного за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса: J_m = m/St [моль/м²с]. Подставим в первое выражение для электрохимического потенциала,  = 0 + RTlnC + ZF, получим для разбавленных растворов при 0 = постоянной уравнение Нернста – Планка: J_m = - URT dc/dx - UCFZ d/dx. Итак, могут быть 2 причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации dc/dx и градиент электрохимического потенциала d/dx. Знаки минус перед градиентами показывают, что градиент концентрации вызывает перенос вещества от места с большей концентрацией к местам с его меньшей концентрацией, а градиент электрохимического потенциала вызывает перенос положительных зарядов от мест с большим к местам с меньшим положительным. Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля: dV/dt = P₁ – P₂/W, где dV/dt - объемная скорость переноса раствора, W – гидравлическое сопротивление, W = 8ήl/πr⁴, l – длина поры, r – ее радиус, ή - коэффициент вязкости раствора. Явление фильтрации играет важную роль в процессе переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

26. Активный транспорт ионов Na⁺ и K⁺. Структура и работа Na⁺ и K⁺ - зависимой АТФазы.

Активный транспорт ионов – транспорт ионов против их электрохимического градиента. Наиболее хорошо изученным мембранным компонентом, реализует активный транспорт, является натриевая помпа, молекулярной основой является Na⁺ - K⁺ - активируемая, Mg – зависимая АТФаза (Na⁺ - K⁺ - АТФаза). Впервые активируемую ионами Na⁺ и K⁺ - АТФаза обнаружил в 1957г. Скоу в гомогенате периферических нервов краба, так же в почках, солевых железах, мозге, электрическом органе, эритроцитах и других. Na⁺ - K⁺ - АТФаза относится к ферментам, затрачивают энергию АТФ на осуществление конформационных превращений, конечным результатом является перенос 3 ионов Na⁺ и 2 ионов K⁺ через плазматическую мембрану против их градиентов (осуществляя первично – активный транспорт одновалентных катионов). Фермент на мембране электрохимического градиента одновалентных катионов, энергия используется для процессов возбуждения нервной и мышечной ткани, транспорта аминокислот. Сахаров и других метаболитов через плазматическую мембрану. Na⁺ - K⁺ - АТФаза является глобулярным белком, имеющим олигомерную природу с протяженной структурой в толще липидного бислоя. Состоит из 2 субъединиц: α – субъединица (содержит приблизительно 1012 аминокислотных остатков), β – субъединица (приблизительно 300). α – субъединица выполняет каталитическую функцию, а β – субъединица играет важную роль в образовании α, β – комплексов в мембране. Удаление β – субъединицы приводит к снижению активности фермента. Полипептидная цепь β – субъединицы пронизывает мембрану 1 раз, а α – субъединица – 10 раз. Центр связывания сердечных гликозидов – ингибиторов фермента – расположен на внешней стороне мембраны, здесь же расположен и центр связывания ионов K⁺ . Активация фермента натрием осуществляется изнутри клетки, где расположен и центр, гидролизующий АТФ. Na⁺ - K⁺ - АТФаза является электрогенным насосом, работающим по принципу конформационно – лабильной поры. Конфирмационные изменения переносчика обеспечивают транспорт 3 ионов Na⁺ из клетки и 2 ионов K⁺ в клетку. Конформационные переходы молекулы фермента (и перенос ионов) нуждаются в источнике энергии. Гидролиз АТФ, Na⁺ - K⁺ - АТФаза обеспечивает энергетически активный транспорт ионов. Основные стадии реакционного цикла фермента:

1). В присутствие ионов Na⁺ фермент гидролизует АТФ и переносит терминальный фосфат на боковой радикал остатка аспарагиновой кислоты полипептидной цепи, образуя фосфофермент (E₁P).

2). Фосфорилирование – фермент изменяет конформацию то есть, что ионы Na⁺ теряют способность высвобождаться как с внутренней, так и с внешней стороны мембраны (окклюдированные ионы).

3). Ионы Mg²⁺ активируют конфирмационный E₁P – E₂P переход, сопровождается пространственными перемещениями в липидном бислое отдельных частей белковой глобулы – центр связывания ионов Na⁺ становится открытым во внешнеклеточное пространство и более гидрофобным, отсюда следует, что сродство ионов Na⁺ к активному центру фермента уменьшается и они переходят в водную фазу (стадия переноса ионов Na⁺ через мембрану).

4). Активный центр фермента связывается с ионами K⁺, так же как и Na⁺ подвергается окклюзии.

5). Связывание ионов K⁺ с E₂P формой фермента сопровождается конформационными изменениями фермента, что следует окружение фосфатной группы, связанной с глобулой белка, становится более гидрофильным и доступным для атаки молекулами воды. Неорганический фосфат высвобождается во внутриклеточную среду.

6). Дефосфорилирование фермента – Конформационные изменения глобулы белка, ведет к уменьшению сродства фермента к ионам K⁺ и они диссоциируют от центра связывания в цитоплазму. Их место занимает Na⁺. Эта стадия цикла одновременно подготавливает фермент к началу нового цикла: конформер E₂ превращается в конформер E₁. АТФ ускоряет этот конформационный переход, повышая сродство фермента к Na⁺ и уменьшая его сродство к K⁺ . Если градиенты концентрации ионов K⁺ и Na⁺ увеличить до такой степени, что насос не сможет с ними справиться, то ионы будут проходить через мембрану по градиенту концентрации и фермент начнет работать не как АТФаза, а как АТФ – синтетаза, то есть фермент из фосфата и АДФ будет синтезировать АТФ. В плазмолемме канальцевого эпителия почки функционируют 2 типа натриевых насосов:

1). Na⁺ - K⁺ - АТФаза, обеспечивает антипорт K⁺ и Na⁺ .

2). Осуществляет симпорт Na⁺ и Cl^-.

27. Значимость ионных градиентов, создаваемых системами активного транспорта, для жизнедеятельности клеток. Физические принципы вторично-активного транспорта. Транспорт аминокислот, сахаров. Na+- Са++-обмен.

При первично – активном транспорте молекулярной системы, интегрированные в мембраны, трансформируют энергию химических связей органических молекул в энергию электрохимических градиентов ионов. Этот вид свободной энергии, в свою очередь, может быть использован другими переносчиками для транспорта веществ или ионов против их концентрационных градиентов. Это вторично – активный транспорт. Na – Ca – обмен. Na – Ca – обменный переносчик может функционировать в двух режимах: 1). Вход трех Na⁺ в обмен на выход Ca²⁺. 2). При снижении электрохимического градиента – выход Na в обмен на Ca.

Транспорт глюкозы. Белок – переносчик использует для работы энергию электрохимического градиента ионов Na. Na проникает в клетку по электрохимическому градиенту, что осуществляет переносчик, транспортируя вместе с ним глюкозу. Чем выше электрохимический градиент Na⁺ , тем выше скорость транспорта глюкозы. Аминокислоты переносятся как глюкоза.

Для более глубокого понимания процессов вторично-активного транспорта следует рассмотреть гипотетическую схему, показывающую, как градиент концентрации Na⁺ мог бы приводить в действие переносчик глюкозы. Переносчик глюкозы может находиться в двух альтернативных конформационных состояниях – пинг и понг. В состоянии понг активный центр переносчика раскрыт во внеклеточное пространство и ионы натрия могут занимать свои участки связывания. По мере насыщения натриевых центров увеличивается сродство центров связывания переносчика к переносимому против градиента концентации веществу. Насыщение центров связывания глюкозы вызывает конформационную перестройку белковой глобулы переносчика, в результате чего активный центр переносчика оказывается раскрыт во внутриклеточное пространство (состояние пинг). Поскольку концентрация ионов натрия во внутриклеточном пространстве значительно ниже натрий покидает белок-переносчик, в результате чего сродство переносчика к глюкозе уменьшается, и она оказывается внутри клетки.Освобождение переносчика от натрия и молекул глюкозы приводит к возвращению белковой глобулы переносчика в первоначальное конформационное состояние.