Електрогенні іонні насоси

Відповідно до сучасних представлень, у біологічних мембранах маються іонні насоси, що працюють за рахунок вільної енергії гідролізу АТФ, - спеціальні системи інтегральних білків (транспортні Атффази).

В даний час відомі три типи електрогенних іонних насосів, що здійснюють активний перенос іонів через мембрану (мал. 2.11).

Перенос іонів транспортними АТФфазами відбувається внаслідок сполучення процесів переносу з хімічними реакціями, за рахунок енергії метаболізму кліток.

При роботі K⁺-Na⁺-АТФфази за рахунок енергії, що звільняється при гідролізі кожної молекули АТФ, у клітку переноситься два іони калію й одночасно з клітки викачуються три іони натрію. Таким чином, створюється підвищена в порівнянні з міжклітинним середовищем концентрація в клітці іонів калію і знижена натрію, що має величезне фізіологічне значення.

У Са²⁺-АТФфазі за рахунок енергії гідролізу АТФ переносяться два іони кальцію, а в Н⁺-помпі - два протони.

Молекулярний механізм роботи іонних АТФфаз до кінця не вивчений. Проте простежуються основні етапи цього складного ферментативного процесу. У випадку K⁺-Na⁺-АТФфази (позначимо її для стислості Е) нараховується сім етапів переносу іонів, сполучених з гідролізом АТФ. Позначення Е¹ і Е² відповідають розташуванню активного центра ферменту на внутрішній поверхні мембрани відповідно (аденозиндифосфат – АДФ, неорганічний фосфат – Р, зірочкою позначений активний комплекс):

1) Е + АТФ_ à Е*АТФ,

2) Ε*АΤΦ + 3Na à [Е*АТФ]*Nа₃,

3) [Е*АТФ]*Nа₃ à [E¹ ~ P]*Na₃ + АДФ,

4) [E^l ~ P]*Na₃ à [Ε² ~ P]*Na₃,

5) [Ε² ~ P]*Na₃ + 2Κ à [E² ~ Ρ]*Κ₂ + 3Na,

6) [Ε² – Ρ]*K₂ à [E¹ – Ρ]*K₂,

7) [E¹ – P]*K₂ à Ε +? + 2?.

На схемі видно, що ключовими етапами роботи ферменту є: 1) утворення комплексу ферменту з АТФ на внутрішній поверхні мембрани (ця реакція активується іонами магнію); 2) зв'язування комплексом трьох іонів натрію; 3) фосфольовання ферменту з утворенням аденозиндифосфату; 4) переворот (фліп-флоп) ферменту усередині мембрани;
5) реакція іонного обміну натрію на калій, що відбувається на зовнішній поверхні мембрани; 6) зворотний переворот ферментного комплексу з переносом іонів калію усередину клітки і
7) повернення ферменту у вихідний стан зі звільненням іонів калію і неорганічного фосфату (Р). Таким чином, за повний цикл відбуваються викид із клітки трьох іонів натрію, збагачення цитоплазми двома іонами калію і гідроліз однієї молекули АТФ.

Вторинний активний транспорт іонів. Крім іонних насосів, розглянутих вище, відомі подібні системи, у яких нагромадження речовин сполучене не з гідролізом АТФ, а з роботою окислювально-відновних ферментів або фотосинтезом. Транспорт речовин у цьому випадку є вторинним, опосередкованим мембранним потенціалом і/або градієнтом концентрації іонів при наявності в мембрані специфічних переносників. Такий механізм переносу одержав назву вторинного активного транспорту. Найбільше детально цей механізм розглянутий Пітером Мітчелом (1966 р.) у хеміосмотичній теорії окисного фосфолювання. У плазматичних і субкліткових мембранах живих кліток можливо одночасне функціонування первинного і вторинного активного транспорту. Прикладом може служити внутрішня мембрана мітохондрій. Інгібування Атффази в ній не позбавляє частку здатності накопичувати речовини за рахунок вторинного активного транспорту. Такий спосіб нагромадження особливо важливий для тих метаболітів, насоси для яких відсутні (цукру, амінокислоти).

В даний час достатно глибоко досліджені три схеми вторинного активного транспорту. Для простоти розглянутий транспорт одновалентних іонів за участю молекул-переносників. При цьому мається на увазі, що переносник у навантаженому або ненавантаженому стані однаково добре перетинає мембрану. Джерелом енергії служить мембранний потенціал і/або градієнт концентрації одного з іонів. Схеми показані на мал. 2.12. Односпрямований перенос іона в комплексі зі специфічним переносником одержав назву уніпорту. При цьому через мембрану переноситься заряд або комплексом, якщо молекула переносника електронейтральна, або порожнім переносником, якщо перенос забезпечується зарядженим переносником. Результатом переносу буде нагромадження іонів за рахунок зниження мембранного потенціалу. Такий ефект спостерігається при нагромадженні іонів калію в присутності валіноміцину в енергозованих мітохондріях.

Зустрічний перенос іонів за участю одномісної молекули-переносника одержав назву антипорту. Передбачається при цьому, що молекула-переносник утворить міцний комплекс із кожним зі стерпних іонів. Перенос здійснюється в два етапи: спочатку один іон перетинає мембрану ліворуч праворуч, потім другий іон - у зворотному напрямку. Мембранний потенціал при цьому не міняється. Що ж є рушійною силою цього процесу? Очевидно, різниця концентрацій одного зі стерпних іонів. Якщо початково різниця концентрації другого іона була відсутня, то результатом переносу стане нагромадження другого іона за рахунок зменшення різниці концентрацій першого. Класичним прикладом антипорту служить перенос через клітинну мембрану іонів калію і водню за участю молекули антибіотика нігерицина.

Спільний односпрямований перенос іонів за участю двомісного переносника називається симпортом. Передбачається, що в мембрані можуть знаходитися дві електронейтральні частки: переносник у комплексі з катіоном і аніоном і порожнім переносником. Оскільки мембранний потенціал у такій схемі переносу не змінюється, те причиною переносу може бути різниця концентрацій одного з іонів. Вважається, що за схемою симпорта здійснюється нагромадження клітками амінокислот. Калі-натрієвий насос (див. мал. 2.11) створює початковий градієнт концентрації іонів натрію, що потім за схемою симпорта сприяють нагромадженню амінокислот. Зі схеми симпорта випливає, що цей процес повинний супроводжуватися значним зсувом осмотичної рівноваги, оскільки в одному циклі через мембрану переносяться дві частки в одному напрямку.

У процесі життєдіяльності границі клітки перетинають різноманітні речовини, потоки яких ефективно регулюються. З цією задачею справляється клітинна мембрана з убудованими в неї транспортними системами, що включають іонні насоси, систему молекул-переносників і високоселективні іонні канали.

Такий достаток систем переносу на перший погляд здається зайвим, адже робота тільки іонних насосів дозволяє забезпечити характерні риси біологічного транспорту: високу вибірковість, перенос речовин проти сил дифузії й електричного поля. Парадокс полягає, однак, у тім, що кількість потоків, що підлягають регулюванню, нескінченно велика, у той час як насосів всього три (див. мал. 2.11). У цьому випадку особливого значення набувають механізми іонного сполучення, що одержали назву вторинного активного транспорту, у яких важливу роль грають дифузійні процеси. Таким чином, сполучення активного транспорту речовин з явищами дифузійного переносу в клітинній мембрані – та основа, що забезпечує життєдіяльність клітки.