Активный транспорт

При активном транспорте вещество проходит через мембрану с помощью специального транспортного белка, но против градиента своей концентрации, т.е. из отдела с меньшей концентрацией в отдел с большей концентрацией. Такое перемещение требует затрат энергии. Следовательно, транспортная система должна осуществлять и энергетическое обеспечение переноса. Данная проблема решается разными способами.

2. Происходит сопряжение переноса вещества с энергодающей реакцией. Как правило, такой реакцией служит гидролиз АТФ.

а) В простейшем варианте сама транслоказа обладает АТФазной активностью. Например Са²⁺ насос, закачивающий ионы Са²⁺ в цистерны саркоплазматического ретикулума.

б) В других случаях к гидролизу АТФ приводит более сложная совокупность реакций, сопряженных с переносом вещества. Пример – транспорт аминокислот в эпителиальные клетки кишечника в процессе всасывания (рис.2.9).

 

 

Рис. 2.9. Механизм всасывания аминокислот в кишечнике (с некоторыми упрощениями)

Е – связанная с мембраной g-глутамилтрансфераза

 

 

В данном случае аминокислота, прошедшая с помощью транслоказы через мембрану, сразу же реагирует с трипептидом глутатионом – так, что образуются два дипептида. Тем самым снижается концентрация данной аминокислоты в примембранном пространстве клетки, что облегчает диффузию через мембрану новых порций аминокислоты. Затем происходит серия экзергоничеких реакций (т.е. реакций, идущих с выделением энергии):

- распад обоих дипептидов и

- ресинтез глутатиона с затратой трех молекул АТФ.

В результате получается, что для всасывания 1 молекулы аминокислоты расходуется энергия 3 молекул АТФ (≈ 150 кДж/моль аминокислоты). Этой энергии более чем достаточно для преодоления концентрационного барьера.

в) Кроме гидролиза АТФ, непосредственным источником энергии для активного транспорта может быть окислительно-востанновительный процесс. Такой процесс происходит в митохондриях(рис.2.10).

В ходе перемещения электронов по дыхательной цепи выделяется энергия, которая служит для откачки протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство через внутреннюю митохондриальную мембрану.

Тем самым создается протонный градиент, энергия которого затем используется для синтеза АТФ в ходе обратного перемещения протонов в матрикс по градиенту концентрации через другую транспортную систему – т.н. АТФазу.

 

 

Рис. 2.10. Преобразование энергии окислительно-восстановительных реакций

в энергию протонного градиента

ММП – межмембранное пространство митохондрии

ФМН, Q, b, c₁, c, a и a_{3 –} компоненты цепи переноса электронов

 

 

2. Второй принципиальный механизм энергообеспечения активного транспорта – сопряжение переноса вещества Х против градиента концентрации с пассивным переносом другого вещества Y по градиенту концентрации. В этом случае высвобождение энергии в ходе перемещения Y должно превышать затраты энергии в ходе перемещения Х. Осуществить это можно двумя путями: путем симпортаи антипорта(рис.2.11).

Рис. 2.11. Сопряжение транспорта двух веществ

 

В случае симпорта оба вещества переносятся транслоказой в одну сторону. Т.е. молекулы Y, диффундируя по градиенту своей концентрации, как бы тянут вместе с собой соединение Х.

Таков, в частности, механизм реабсорбции глюкозы в канальцах почек: она проникает в эпителиальную клетку путем симпорта с ионами Na⁺.

Если оба вещества, участвующие в симпорте, являются ионами, то они имеют разноименные заряды.

В случае антипорта вещества переносятся транслоказой во взаимно противоположных направлениях. Т.е. молекулы Y как бы обмениваются на молекулы Х. Если в этом случае вещество Y диффундирует по градиенту концентрации, то система наз. АТФ-независимым антипортом. У эукариот такой антипорт используется очень редко. Гораздо более распространена система, где путем антипорта сразу оба вещества перемещаются против градиента своей концентрации. Такая система наз. АТФ-зависимым антипортом. При этом транспортируемые ионы имеют одноименные заряды.

Примером такого антипорта является Na⁺, K⁺-насос или Na⁺, K⁺-зависимая АТФаза присутствующая в плазмолемме почти всех клеток.

2.2.1. Структура и принцип действия Na⁺, K⁺-насоса.

Na⁺, K⁺-насос является белком состоящим из двух a- (по 95 000 Да) и двух b-(по 40 000 Да) субъединиц. Используя энергию АТФ он переносит ионы Na⁺ и K⁺ против градиента их концентрации: ионы Na⁺ - из клетки, а ионы K⁺- в клетку. Именно благодаря деятельности этого насоса создается резко асимметричное распределение данных ионов между клеточной и внутриклеточной средой. Концентрация ионов Na⁺ значительно выше вне клеток, а ионов K⁺- внутри клеток (таблица 2.2). Важной особенностью деятельности насоса является то, что за счет распада 1 молекулы АТФ происходит выкачивание 3 ионов Na⁺ и одновременно закачивание в клетку 2 ионов K⁺.

Важная особенность деятельности насоса – характерная стехиометрия: за счет распада 1 молекулы АТФ происходит выкачивание 3 ионов Na⁺ и одновременно закачивание в клетку 2 ионов К⁺. Расчеты показывают, что при этом рассеивается только ~10% энергии АТФ; остальные же 90% преобразуются в энергию концентрационных градиентов. Такая эффективность преобразования энергии, очевидно, является очень высокой.

Рассмотрим принцип действия насоса. Установлено, что 4 субъединицы насоса объединены в единый комплекс с образованием полости. В начале очередного цикла работы насоса полость открыта с внутренней стороны мембраны, где ее заполняют 3 иона Na⁺. Для преодоления электрического отталкивания между ионами требуется энергия.

 

Таблица 2.2. Распределение ионов между внешней и внутренней средой в мышечной ткани

	сex (мэкв/л)	сin (мэкв/л)
K+ Na+ Mg2+ Ca2+
ИТОГО
Cl- HCO3- Белкиz- SO42- HPO42- Орг. к-ты		42(?) 60 (?)
ИТОГО

 

Видимо, непосредственно на это и расходуется АТФ. Действительно, связывание ионов Na⁺ инициирует гидролиз молекулы АТФ. Однако этот гидролиз не только энергетически обеспечивает первую стадию цикла, но и, в свою очередь, инициирует следующую стадию. Так, фосфатная группа переносится от АТФ на белок, что изменяет его конформацию. В результате полость с ионами Na⁺ открывается с другой стороны мембраны – наружной. Сила электрического отталкивания между ионами заставляет их высвобождаться во внеклеточную среду, несмотря на высокую их концентрацию здесь. Вместо ионов Na⁺ полость заполняют 2 иона K⁺. Вероятно, меньшее количество этих ионов обусловлено просто тем, что они крупнее. Другое объяснение может состоять в том, что для двух ионов гораздо меньше сила электрического отталкивания. И, наконец, по третьей точке зрения, дело не в размерах полости и ионов, а в числе связывающих центров у насоса: для Na⁺ их -3, а для K⁺- 2.

Связывание ионов K⁺ инициирует дефосфорилирование транслоказы. Это, с одной стороны, видимо, высвобождает остатки энергии АТФ, сохранявшиеся в связи фосфатной группы. А, с другой стороны, дефосфорилирование возвращает конформацию транслоказы в исходное состояние: ее полость вновь открывается с внутренней стороны мембраны, отчего здесь высвобождаются ионы K⁺ . Так завершается цикл работы насоса.

Имеется важная группа лекарствен­ных средств, которые тормозят дей­ствие Na⁺,К⁺-насоса. Это сердечные гликозиды (алкалоиды наперстянки). Они конкурируют с ионами К⁺ за связывание с транслоказой с ее наружной стороны.

Более всего действие данных средств проявляется в отношении сер­дечной мышцы. Поэтому в саркоплазме кардиомиоцитов возрастает концентра­ция Na⁺. Это снижает возбудимость мио­карда. Одновременно увеличивается и концентрация ионов Са²⁺ (видимо, из-за того, что их транспорт из клетки про­исходит в обмен на внеклеточные ионы Ка⁺, так что при большей внутриклеточной концентрации Na⁺ обмен происходит слабее). Ионы же Са²⁺ повышают сократимость миокарда. В итоге сокращения сердца становятся более редкими и более сильными.

 

2.2.2. Система транспорта ионов Са²⁺ в поперечнополосатой мышечной ткани.

Данная система служит еще одним примером активного транспорта низкомолекулярных веществ. Согласно табл. 2.2, в цитоплазме клеток — крайне низкая концентрация свободных (т.е. не связанных с белками) ионов Са²⁺. В поперечнополосатой мышечной ткани (скелетной и сердечной) это достигается за счет деятельности двух насосов (рис. 2.13).

 

Рис. 2.13. Системы транспорта ионов в поперечнополосатой мышечной ткани

 

Один — Nа⁺-зависимый Са²⁺-насос— вероятно, находится в плазмолемме и откачивает ионы Са²⁺ во внеклеточную среду.

По всей видимости, при этом происходит обмен каждого иона Са²⁺ на 2 иона Nа⁺, которые поступают в клетку по градиенту своей концентрации. Таким образом, это тот относительно редкий у эукариот случай, когда для энергообеспечения активного транспорта используется антипорт ионов.

Но гораздо большее значение имеет второй насос, который обычно называют просто Са²⁺-насосом. Он локализован в мембранах саркоплазматического ретикулума, располагаясь с плотностью от 10 000 до 20000 1/мкм² и составляя около 90% от общей массы белков этих мембран.

Данный насос закачивает ионы Са²⁺ из саркоплазмы в цистерны саркоплазматического ретикулума, где они связываются белком кальсеквестрином. В процессе транспорта преодолевается примерно 10 000-кратная разность концентраций ионов Са²⁺. Источником энергии служит АТФ, отчего второе название данного насоса — Са²⁺-зависимая АТФаза.

Распад 1 молекулы АТФ обеспечивает перенос в цистерну 2-х ионов Са²⁺. Такая стехиометрия означает, что в энергию концентрационного градиента переходит 90% энергии концевой макроэргической связи АТФ.

Са²⁺-насос по структуре похож на Nа⁺, К⁺-насос: он тоже содержит 2 большие субъединицы по 95 000 Да и 2 гликопротеиновые субъединицы по 50000 Да.

В саркоплазматических мембранах имеется еще одна транспортная система — Са²⁺-каналы. Когда мышца не возбуждена, эти каналы закрыты.

При возбуждении мышечного волокна или кардиомиоцита Са²⁺-каналы открываются. Индуцирующий это сигнал передается от сарколеммы и далее по Т-трубочкам (инвагинациям сарко­леммы) на контактирующие с последними мембраны ретикулума. Однако конкретный механизм передачи неясен.

Через открытые каналы ионы Са²⁺ активно выходят в саркоплазму: за импульс — примерно по 120 ионов в расчете на 1мкм² саркоплазматической мембраны. Так как общая площадь саркоплазматических мембран весьма высока, а исходная концентрация ионов Са²⁺ в саркоплазме была очень низкой, то в итоге их концентрация здесь возрастает в 100 раз.

Благодаря этому активируется взаимодействие тонких и толстых миофиламентов в миофибриллах — последние начинают сокращаться.

По окончании процесса Са²⁺-каналы закрываются, и избыток ионов Са²⁺ вновь откачивается Са²⁺-насосом из саркоплазмы в саркоплазматические цистерны.

Из вышеизложенного следует, что внеклеточный и внутриклеточный Са²⁺ оказывает на сократимость мышц противоположное влияние.

Так, внеклеточный Са²⁺, затрудняя открытие Nа⁺-каналов, понижает возбудимость мембран и тем самым, очевидно, уменьшает число сокращений. При снижении же внеклеточной концентрации Са²⁺ наблюдаются судороги.

Напротив, внутриклеточный Са²⁺ необходим для сокращения, и при снижении его концентрации сокращения ослабевают или прекращаются.