1.5. Активный транспорт

Перенос молекул и ионов против электрохимического градиента, осуществляемый клеткой за счет энергии метаболических процессов, называется активным транспортом.

Осуществляя такой транспорт, клетка совершает работу, которая называется концентрационной или осмотической. Накопление клеткой вещества, содержащегося в окружающей среде в малых количествах, и выведение тех веществ, концентрация которых в окружающей среде значительно больше, чем в клетке, обеспечивается активным транспортом.

A=mRTln A-концентрационная работа, m-количество молей вещества, перенесенных через мембрану, T -абсолютная температура, -концентрации ионов внутри и вне клетки.

У человека в покое примерно 30 - 40 % всей энергии, образующейся в ходе метаболических процессов, расходуется на активный транспорт. В тканях, где активный транспорт особенно интенсивен, потребляется много кислорода даже в покое; так мозг человека составляет 1/50 массы тела, а потребляет в покое 1/5 всего кислорода. Активный транспорт - одно из удивительных свойств живых организмов.

Активный транспорт веществ через биологические мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., поддерживающие жизненные процессы, то есть с точки зрения термодинамики активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь.

Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки. Экспериментальные данные неопровержимо свидетельствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный перенос.

Изучение систем активного транспорта, называемых биологическими насосами, является важной задачей исследования клеточных мембран. Нарушение активного транспорта приводит к гибели клетки. Отключение Nа⁺- К⁺ насоса на 10 минут приводит к изменению ионного состава внутри клетки на 40 - 50 %.

В покое мембрана не является абсолютно непроницаемой для любого вида ионов. Диффузионные потоки, не будь им противодей­ствия, рано или поздно выровняли бы состав по обе стороны мем­браны. Для восстановления и поддержания необходимой концентра­ции ионов внутри клетки в мембране содержится специальный аппа­рат, обеспечивающий их активный транспорт против градиента их собственной концентрации. Активный транспорт ионов Nа⁺, К⁺ и Са⁺ осуществляется двумя типами "насосов" Nа⁺ - К⁺ и Nа⁺ - Са²⁺.

Наиболее характерная черта таких насосов - перенос вещества против градиентов. Следовательно, необходимо энергетическое обеспече­ние такого процесса. Организм должен за счет своей свободной энергии преодолеть физико-химические градиенты, повернуть вспять движение веществ. Значит, второй особенностью активного транс­порта является наличие источника энергии для его осуществления. Причем эта энергия поступает из химических реакций. Рассмотрим общие принципы превращения энергии в организме.

Клетки получают свободную энергию за счет освобождения энергии химических связей, заключенной в питательных веществах. Они, в свою очередь, получают эту энергию от Солнца. На земле солнечную энергию улавливают зеленые растения, их пигмент хлорофилл - поглощает энергию солнечного света. Солнечная энергия переводит электроны в молекулах хлорофилла с основного энергетического уровня на более высокий. Возбужденные электроны стремятся возвратиться на основной (устойчивый) уро­вень. Возврат сопровождается отдачей энергии. В клетках хлоро­филл связан с другими специфическими молекулами (переносчика­ми), поэтому возбужденные электроны, отрываясь от молекул хлоро­филла, переносятся по цепи реакций, в которых участвует перенос­чик. Энергия, отданная электронами промежуточным веществам, ис­пользуется на образование глюкозы, из которой в свою очередь могут образовываться аминокислоты и жиры. В процессе их созидания сол­нечная энергия запасается в химических связях. Так, например, одна грамм-молекула глюкозы несет 690 ккал. Организм человека и животных извлекает эту энергию при окислении питательных ве­ществ: белков, углеводов, жиров. Такой процесс называется ткане­вым дыханием. Вне организма (окисление, горение). При тканевом дыхании происходит постепенное окисление.

Энергия, синтезированная в химическую форму, удобна для транспортировки, во-первых, к клеткам и внутрь клетки по всем органеллам. Во-вторых, форма "консервирования" свободной энергии должна быть такой, чтобы она позволяла клетке легко пользоваться этой энергией, таким требованиям удовлетворя­ют макроэргические соединения, в частности аденозинтрифосфат (имеет три фосфатные группы). Энергия из АТФ извлекается при гидролитическом расщеплении этой молекулы, при этом каждая грамм моль АТФ поставляет 7-8 ккал. и превращается в АДФ. С позиции термодинамики АТФ - заряженная форма носителя энергии, а в АДФ - разряженная. Переход АДФ в АТФ происходит в митохондриях при окислении питательных веществ - зарядка. В клетке в процессе гидролиза АТФ кольцевая фосфатная группа переносится на молекулы другого вещества, которые при этом фосфорилируются, то есть присоединяют фосфатную группу, приобретая свободную энергию. Такая "возбужденная" молекула способна участвовать в процессах, нуждающихся в поставке энергии, в том числе и в актив­ном транспорте. Таким образом, система активного транспорта (биологические насосы) включает источник свободной энергии и связанный с ним посредством химических реакций переносчик транспортируемого вещества. Механизм может быть различен. Это либо малые белковые молекулы, входящие в состав мембран, проходят через всю мембрану по типу карусели, либо крупные белковые молекулы, насквозь пронизывающие мембраны, приняв молекулу переносимого вещества и фосфатную группу, совершают поворот на 180⁰ и отдают транспортируемые вещества в примембранное пространство с противоположной стороны, затем занимают исходное положение, т.е. ротационный механизм.

Процесс гидролиза АТФ в пробирке течет крайне медленно, для его активации надо добавить фермен­ты АТФ-азы, содержащиеся в мембранах, следовательно, кроме макроэргов (АТФ) переносчиков есть третий элемент, обеспечиваю­щий сопряжение в работе первых двух. Для активного транспорта каждого вещества (каждого иона) обнаружена своя АТФ-аза. Вся система включается тогда, когда концентрация транспортируемого вещества становится выше какого-то предела. Это вещество активи­рует специфическую АТФ-азу. В результате осуществляется гидро­лиз АТФ, отщепившаяся фосфатная группа фосфорилирует переносчик. В результате этого переносчик приобретает энергию достаточную для трансмембранного переноса веществ против концентрационного гра­диента.

Рассмотрим этот процесс на примере К⁺-Nа насоса. Ионы К⁺ и Nа⁺ вводятся и выводятся из клетки и в клетку против концен­трационного градиента. Клетка очень строго следит за содержани­ем в своей цитоплазме названных ионов (рис.10).

Рис.10. Схема рабочего цикла Na-K насоса. Рабочий цикл димера Na⁺ К⁺ - насоса.

а) связывание Na⁺ и К⁺ в полостях субъединиц,

б) Na⁺ -зависимое фосфорилирование большой субъединицы,

в), г) обмен катионами между субъединицами,

д) K⁺-зависимое дефосфорилирование и выброс ионов.

При повышении концентрации ионов натрия активируется так называемая калий-натрий зависимая АТФ-аза, этот фермент содержащийся в плазматической мембране, активирует гидролиз АТФ.

Активируя гидролиз АТФ, он обеспечивает фосфорилирование переносчика, который выносит натрий из клетки. На внешней поверхности мембраны происходит ионный обмен натрия на калий внутри ферментного комплекса, после этого обмена белок-переносчик совершает обратный переворот с переносом калия внутрь клетки. Ион калия и неорганическая фосфатная группа (Р) освобождается от белка-переносчика, который в свою очередь возвращается в исходное состояние. Подсчитано, что за полный цикл 1 молекула АТФ обеспечи­вает перенос через клеточную мембрану 3 иона Na⁺ и 2 иона К⁺.

К⁺ – Na⁺ насос работает очень напряженно, особенно в нервных клетках. При этом из клетки уносится один положительный заряд. Следовательно, Na⁺ – К⁺ насос электрогенный, т.е. он участвует в создании потенциала покоя на мембране, увеличивая его примерно на 25% (см. раздел 2.3.), хотя это и не основной механизм в создании потенциала покоя (основной механизм связан с полупроницаемостью мембраны), но это основной механизм поддержания градиентов концентрации Na⁺-K⁺ на мембране. Существуют лекарственные вещества - сердечные гликозиды (дигоксин, уабаин, строфансин, коргликон и т.д.), которые ингибируют Na⁺-K⁺ АТФ-азу. Эти вещества обладают токсической активностью.

В клеточной мембране постоянно присутствуют и переносчики, и транспортные АТФ-азы, в примембранном пространстве клетки находится АТФ, выходящий из митохондрий, которые подтягивают к местам активного транспорта. Однако, вся система не работает до появления определенного стимула, которым обычно служит нарас­тание концентрации вещества, подлежащего активному транспорту. Этот фактор активирует специфическую АТФ-азу, которая в свою очередь катализирует гидролиз АТФ с отщеплением концевой фос­фатной группы. Присоединяясь к переносчику, она фосфорилирует его. При фосфорилировании переносчик приобретает дополнитель­ную свободную энергию, необходимую и достаточную для транс­мембранного переноса вещества вопреки действию физико-хими­ческих градиентов. Клеточные мембраны проявляют весьма высо­кую селективность по отношению ко многим веществам, причем, разные клетки берут из межклеточной среды обычно то, что им требуется. Наборы биологических насосов в мембранах клеток разных типов неодинаковы. Интенсивность их функционирования так же различна. Многие клетки имеют, например, системы активно­го транспорта глюкозы ("сахарные насосы"), но ни одна из них не может сравниться с нервной по интенсивности транспорта этого вещества. Особенно высока интенсивность клеток к аминокислотам-тем "кирпичикам", из которых строятся белки, следовательно, пос­троение белковых молекул, обеспечивающих основные процессы жизнедеятельности в клетках, тесно связано с транспортом амино­кислот через мембраны. У человека весом 70 кг ежечасно обновля­ется около 100 граммов белка.

Факторы, характеризующие систему активного транспорта.

1. Перенос веществ против электро-химических градиентов.

2. Наличие источника энергии (АТФ).

3. Необходимость переносчика вещества (молекула - белковой природы).

4. Присутствие фермента, который активирует этот процесс – транспортной АТФ-азы.

Однако вся эта система не работает до появления определенного стимула, которым обычно служит нарастающая концентрация транспортируемого вещества.