Активний транспорт речовин через мембрани. Натрій-калієвий насос

Іноді необхідно, щоб усередині клітини концентрація речовини була високою навіть при низькій концентрації його в позаклітинній рідині (наприклад, для іонів калію). І навпаки, концентрацію інших іонів всередині клітини важливо зберігати на низькому рівні, незважаючи на їх високі концентрації поза клітиною (наприклад, для іонів натрію). Ні в одному з цих двох випадків це не може забезпечуватися простий дифузією, підсумком якої завжди є урівноваження концентрації іонів по обидві сторони мембрани. Для створення надлишкового руху іонів калію всередину клітини, а іонів натрію - назовні необхідний якийсь джерело енергії. Процес переміщення молекул або іонів через клітинну мембрану проти градієнта концентрації (або проти електричного градієнта, а також градієнта тиску) називають активним транспортом.

Відео: Тубік

До речовин, активно транспортуються, по крайней мере, через деякі клітинні мембрани, відносять іони натрію, калію, кальцію, заліза, водню, хлору, йоду, сечової кислоти, деякі цукру і більшість амінокислот.

Первинно активний і вдруге активний транспорт. Залежно від джерела використовуваної енергії активний транспорт підрозділяється на два типи: первинно активний і вдруге активний. Для первинно активного транспорту енергія витягується безпосередньо при розщепленні аденозинтрифосфату або деяких інших високоенергетичних фосфатних сполук. Вдруге активний транспорт забезпечується вторинної енергією, накопиченої в формі різниці концентрацій побічних речовин, молекул або іонів, по обидва боки клітинної мембрани, створеної спочатку первинно активним транспортом. В обох випадках, як і при полегшеної дифузії, транспорт залежить від білків-переносників, які пронизують клітинну мембрану. Однак функції білків-переносників при активному транспорті відрізняються від перенесення полегшеної дифузії, оскільки в першому випадку білки здатні передавати енергію транспортованого речовини для його переміщення проти електрохімічного градієнта. Далі наведені приклади первинно активного і вдруге активного транспорту з більш детальними поясненнями принципів їх функціонування.

Натрій-калієвий насос

До речовин, які транспортуються за допомогою первинно активного транспорту, відносять натрій, калій, кальцій, водень, хлор і деякі інші іони.
Механізм активного транспорту найкраще вивчено для натрій-калієвого насоса (Na + / K + -нaсоса) - транспортного процесу, який викачує іони натрію через мембрану клітини назовні і в той же час закачує в клітку іони калію. Цей насос відповідає за підтримання різної концентрації іонів натрію і калію по обидва боки мембрани, а також за наявність негативного електричного потенціалу всередині клітин. (У розділі 5 буде показано, що він є також основою процесу передачі імпульсів в нервовій системі.)

Відео: Лекція №2 - Особливості транспорту молекул усередині клітини і через клітинну мембрану

Білок-переносник представлений комплексом з двох роздільних глобулярних білків: більшого, званого альфа-субодиницею, з молекулярною масою близько 100000, і меншого, званого бета-субодиницею, з молекулярною масою близько 55000. Хоча функція меншого білка невідома (за винятком того, що він, можливо , закріплює білковий комплекс в ліпідної мембрані), великий білок має три специфічних характеристики, важливі для функціонування насоса.

1. На виступає всередину клітини частини білка є три рецепторних ділянки для зв`язування іонів натрію.
2. На зовнішній частині білка розташовуються два рецепторних ділянки для зв`язування іонів калію.
3. Внутрішня частина білка, що розташована поблизу ділянок зв`язування іонів натрію, має АТФ-азной активністю.

Розглянемо роботу насоса. Коли 2 іона калію зв`язуються з білком-переносником зовні і 3 іона натрію зв`язуються з ним всередині, активується АТФ-азная функція білка. Це веде до розщеплення 1 молекули АТФ до АДФ з виділенням енергії високоенергетичної фосфатної зв`язку. Вважають, що ця звільнена енергія викликає хімічне і конформационное зміна молекули білка-переносника, в результаті 3 іона натрію переміщуються назовні, а 2 іона калію - всередину клітини.

Як і інші ферменти, Na-K + -ATФ-aзa може працювати і в зворотному напрямку. При експериментальному збільшенні електрохімічних градієнтів для Na + і К + до таких значень, що накопичена в них енергія стане вище хімічної енергії гідролізу АТФ, ці іони будуть рухатися за своїми градиентам концентрації, а Na + / K + -Hacoc буде синтезувати АТФ з АДФ і фосфату. Отже, фосфорілірованний форма N а + / К + -насоса може бути або донором фосфатів для синтезу АТФ з АДФ, або використовувати енергію для зміни своєї конформації і качати натрій з клітки, а калій - в клітку. Відносні концентрації АТФ, АДФ і фосфатів, як і електрохімічні градієнти для натрію і калію, визначають напрямок ферментативної реакції. Для деяких клітин, наприклад електрично активних нервових клітин, від 60 до 70% всієї споживаної кліткою енергії витрачається на переміщення натрію назовні і калію всередину.