33. Активный транспорт ионов. Перенос ионов за счет энергии атф. Схема работы каналов.

Для Na⁺ оба пассивных потока – по градиенту концентрации и в направлении электрического поля – направлены внутрь клетки. Для поддержания низкой неравновесной концентрации Na⁺ в клетке существует механизм активного выведения в среду.

Активный транспорт обеспечивается переносом ионов против электрохимического градиента за счет энергии АТФ (рис. 5.12), так работают Na⁺ -насос плазматических мембран, Са²⁺- насос мембран саркоплазматического ретикулума. Или активный транспорт обеспечивается энергией окислительно-восстановительных реакций, так устроены Н⁺-насос митохондрий, хлоропластов и др. энергосопрягающих мембран.

Энергия, добытая из внешнего источника, запасается в виде «высоко энергетических связей» между фосфатными группами. АТФ весьма охотно отдает свои фосфатные группы либо воде, либо другим молекулам, поэтому он незаменимый посредник для переноса химической энергии.

Активный транспорт Na+ в нервных волокнах осуществляется Na⁺ , К⁺-АТФазой.

При гидролизе одной молекулы АТФ происходит транспорт двух К⁺ внутрь клетки и выделение 3 Na⁺ из клетки.

Транспорт против градиента электрохимических потенциалов происходит за счет сопряжения ионообменных процессов с гидролитическим расщеплением молекулы АТФ Mg²⁺ -зависимой Na+, К+ -стимулируемой АТФазой.

Na+, К+ -АТФаза-фермент состоит из двух полипептидных цепей с молекулярной массой 84000 и 5700, которые формируют большую и малую субединицы.

Схема работы натрий-калиевого насоса (рис. 5.13):

1. На внутренней стороне мембраны в присутствии Na+и Mg-АТФ происходит фосфорилирование белка. В результате конформация белка изменяется так, что Na+переходит на внешнюю сторону мембраны.

2. Изменяется сродство фермента к ионам и связывается К+.

3. К+ переносится вовнутрь, белок дефосфорилируется и возвращается к исходному конформационному состоянию.

4. За счет энергии гидролиза АТФ индуцируются конформационные переходы АТФазы.

Рис. 5.13. Схема работы натрий-калиевого насоса

34. Сопряжение ионообменных процессов с гидролитическим расщеплением молекулы атф. Конформационные переходы Na, k- атФазы.

Гипотетическая схема обмена (рис. 5.14).

• Ионообменная полость открывается с внутренней поверхности мембраны, внешний вход в канал закрыт гидрофобным контактом липидов и белков.

• Гидролитический центр расположен на большой субъединице с внутренней стороны мембраны. α- полипептид пронизывает мембрану, а малая субъединица расположена на наружной стороне.

• Ионообменные полости заполняются ионами из примембранных слоев, они вмещают три иона Na и два иона К.

• Присоединение АТФ индуцирует конформационные изменения и сродство большой субъединицы к Na возрастает. Из-за близко расположенной фосфатной группы увеличивается отрицательный заряд полости.

• Конформационные перестройки приводят к замыканию ионов Na в ионообменной полости большой субединицы. В результате сродство ее к Na понижается, а к К возрастает.

• У субъединиц в результате тепловых флуктуаций могут совмещаться полости, в фосфорилированном состоянии обмен катионами энергетически выгоден.

• Замена трех Na на два К в большой субъединице приводит к конформационным перестройкам. Уменьшение числа положительных зарядов сопровождается исчезновением большого активационного барьера, препятствующего дефосфорилированию фермента и отщеплению отрицательно заряженной фосфатной группы.

• Полость большой субединицы открывается во внутриклеточную среду.

• После диссоциации АДФ и фосфатного остатка фермент возвращается в исходное состояние.

Изменение сродства ион-связывающих центров обусловлено изменением геометрии (конформационные перестройки белка) при связывании АТФ, а также при фосфорилировании и дефосфорилировании фермента. Катионы, находясь в ион-связывающих полостях образуют координационные связи с кислородсодержащими группами полипептидных цепей. При перестройке анионного окружения катионов происходит замещение одного иона на другой.

Четыре атома О могут образовать Na⁺ -специфическую ячейку, а шесть атомов О - К⁺ -специфическую. Переход между этими состояниями, т.е. перегруппировка лигандов – основной энергозависимый процесс, а само перемещение субъединиц осуществляется уже за счет тепловых колебаний.

Активный транспорт кальция. Са -зависимая АТФаза, сопряженная с мощным Са -насосом, локализована в мембранах саркоплазматической сети и имеет некоторые сходные черты с Na , К+- АТФазой. Са -АТФаза состоит из одной полипептидной цепи с молекулярной массой около 100 000 и относительно высоким содержанием гидрофобных аминокислот (аминокислоты с неполярными боковыми цепями). Для работы Са²⁺-зависимой АТФазы также необходимо присутствие фосфолипидов.

Стадии транспорта при участии Са -зависимой АТФазы можно представить следующим образом:

• Са²⁺ и АТФ связываются с разными центрами фермента на внешней поверхности мембранного пузырька.

• АТФ гидролизуется и образуется фосфорилированный фермент.

• Преобразуется пространственная структура белка (конформационная перестройка).

• При этом изменяется сродство Са²⁺ - связывающих центров к Са²⁺ и изменяется характер связи фосфатной группы с ферментом. Т.о. энергия фосфатной связи АТФ расходуется на изменение константы связывания ионов с ферментом.

• Из-за изменения пространственной структуры белка (происходит изменение положения полярных групп, образующих координационные связи с кальцием) Са²⁺ получает доступ во внутреннее пространство мембранных пузырьков. Энергии гидролиза АТФ (40кДж/моль) достаточно для переноса двух ионов кальция.

• Десорбция иона кальция с фермента уменьшает суммарный положительный заряд в ион-связывающей полости, что облегчает десорбцию фосфата. Фермент возвращается в исходное состояние.

Электрогенный транспорт ионов.

Если количество зарядов, переносимых в одном направлении не компенсируется переносом зарядов в другом, то создается дополнительная разность потенциалов на мембране. Например в электрогенном режиме работает натриевый насос: три Na⁺ на два К⁺.

Во многих эпителиальных тканях обнаружена система активного электрогенного транспорта ионов Cl-. У растительных клеток мембранный потенциал выше, чем в клетках животных: в гифах грибов достигает -200 мВ, в клетках ряски - - 250-270 мВ. Считается, что высокий потенциал мембран поддерживается АТФ-зависимой системой активного электрогенного транспорта Н⁺ из цитоплазмы в наружную среду.

Предполагают также существование в плазмолемме цепи переноса электронов, функционирование которой сопряжено с поглощением Н⁺ из цитоплазмы и выделение в наружную среду.

Функциональная роль электрогенного Н⁺ -насоса растительной клетки состоит в регуляции рН цитоцлазмы. Кроме того, градиент рН, создаваемый на мембране способствует процессам накопления сахаров и аминокислот при сопряжении этих процессов с пассивным потоком Н⁺.