Іонні насоси

Відео: Нейрони лекція 3 - Натрій-калієвий насос

Іонними насосами називають молекулярні механізми, локалізовані в мембрані і здатні транспортувати речовини за рахунок енергії, що вивільняється при розщепленні АТФ, або будь-якого іншого виду енергії.

Ці механізми з`явилися в результаті еволюційного пристосування організмів до зміни іонного складу зовнішнього середовища. На думку Д. Греннера (2004), що з`явилися білки найкращим чином функціонували в середовищі первинного океану, яка мала переважно До⁺ і Mg²⁺. Згодом склад океану змінився, і переважаючими іонами стали Na⁺ і Са²⁺. Тому потрібен був механізм, що обмежує концентрації цих іонів в клітинах, але зберігає в них До⁺ і Mg²⁺. Цим механізмом стали натрієвий і кальцієвий насоси. Останній здатний підтримувати між цитозолем і позаклітинної рідиною 1000-кратний градієнт концентрації Са²⁺. В результаті зараз у всіх багатоклітинних організмів Na⁺ і Са²⁺ виявилися основними іонами позаклітинного середовища. Останні служать внутрішньоклітинним медіатором для безлічі процесів метаболізму за допомогою гормонів або інших біологічно активних речовин, які викликають швидкі короткочасні зміни струму іонів через плазматичну мембрану і між внутрішньоклітинними компартментами.

Роботі біологічних насосів властиві деякі ознаки. Перш за все - рух іонів проти очікуваного напрямку дифузії, поєднане з паралельним розщепленням АТФ. При цьому швидкість перенесення іонів чутлива до температури, а стимулятори або інгібітори діють асиметрично, тобто з внутрішньої і з зовнішнього боку мембрани по-різному. Головним характерним властивістю іонних насосів є перенесення іонів тільки в одному напрямку, тобто векторно.

Іонні насоси є основною перешкодою для підвищення ентропії в біосфері. Їх всього три: протонний, натрієвий і кальцієвий. Всі живі клітини містять протонні насоси. У вищих організмів протонний насос грає роль генераторів АТФ за рахунок енергії, що виділяється при трансмембранне перенесення іонів водню з градиентам електричного поля і концентрацій іонів. У нижчих тварин і рослин є не тільки протонні насоси-генератори, а й насоси-двигуни, які переносять Н⁺ проти сил електродифузія за рахунок енергії АТФ або інших зовнішніх джерел енергії. Протонний насос у рослин і мікроорганізмів повинен рятувати клітку від сильних зовнішніх впливів - коливань температури, осмотичного тиску, механічних ударів і т.п. Тому ці клітини захищені жорсткої полисахаридной оболонкою, що відрізняється за складом від оболонок тварин клітин.

На відміну від універсального протонного насоса, натрієвий і кальцієвий зустрічаються тільки у тварин. При цьому натрієвий пов`язаний з роботою в першу чергу нервової і сполучної тканини, а кальцієвий виявлено тільки в м`язах. На відміну від протонного, вони реагують на зміни співвідношення елементів всередині клітини, стабілізуючи і регулюючи у тварин системи внутрішньоклітинної зв`язку і дії. Розглянемо механізм дії біологічних насосів докладніше.

Відео: How Ion Pumps Work

протонний насос

Як говорилося, всі клітини використовують єдиний механізм сполучення енергії, отриманої при окисленні головним чином вуглеводів і жирних кислот (іноді - білків або НК) в мітохондріальному матриксе, з роботою мембрано-зв`язаного протонного насоса. Протонний насос універсальний, тобто може працювати і як генератор, і як двигун. У режимі генератора він трансформує енергію електричного поля і перепаду концентрацій по іонів водню (протонний градієнт) В хімічну енергію, яка запасається у вигляді АТФ. АТФ є «енергетичної валютою» клітини, що довів Нобелівський лауреат по фізіології і медицині 1953 р FA. Lipmann.

Різновидами протонного насоса є фотосинтетические одиниці хлоропластів і дихальні блоки мітохондрій. Вони переносять трансмембранно іон гідроксонію (Н₃O⁺) За допомогою поглинання світла або окислення органічних сполук. В обох випадках іони переносяться в одному напрямку, тобто векторно. Протонний градієнт використовується АТФ-синтази для синтезу АТФ, причому на моль переносяться іонів гідроксонію запасається близько 24 кДж енергії.

У мітохондріях протонний насос переносить іони водню Н⁺ з одного боку внутрішньої мембрани на іншу, в межмембранное простір. Завдяки цьому на внутрішній мембрані встановлюється електрохімічний протонний градієнт - ЕПМ (різниця рН по обидва боки мембрани, &Delta-рН), Який разом з трансмембраним потенціалом (&Delta-&Psi-) дозволяє почати процес генерації енергії. У ньому бере участь фермент Н⁺ - транлоцірующая АТФ-синтаза, розташована у внутрішній мембрані мітохондрій. Вона синтезує АТФ з аденозин-5`-дифосфата (АДФ) і неорганічного фосфату (Pi). При цьому протони перетікають назад в мітохондріальний матрикс. Процес перетворення ферментативного окислення метаболітів в енергію називається окислювальним фосфорилюванням. Таким чином, АТФсинтаза працює в зворотному напрямку в порівнянні з АТФазой. В цілому ідея, що синтез АТФ пов`язаний з енергією перенесення протонів по градієнту концентрації, названа хемоосмотіческой теорією (Mitchell, 1961). У 1978 р Мітчелл отримав за цю роботу Нобелівську премію з хімії.

Перехід електрона в процесі окислення від одного акцептора до іншого, від вищого до нижчого енергетичного стану, здійснюється системою перенесення електронів (дихальної ланцюгом - ДЦ). Вона складається з 3 білкових комплексів, вбудованих у внутрішню мембрану мітохондрій, і 2 рухомих молекул-переносників - убихинона (кофермент Q) і цитохрому з. В цілому в ній налічується 15 переносників. Всі вони відносяться до окисно-відновного ряду ферментів, і розташовані в порядку зростання потенціалів від -0,4 до +0,8 кДж моль.

Енергія, що виділяється при переході від одного комплексу до іншого, використовується для перенесення протонів в межмембранное простір. Фактично, в дихальної ланцюга відбувається перенос електронів між атомами металів, які координують простетичноїгрупи білкових комплексів, причому кожний наступний комплекс більш спорідненість до електрона, ніж попередній. Оскільки найбільшим спорідненістю до електронів має O₂, то він виявляється кінцевим рецептором ланцюга перенесення електронів, утворюючи воду.

Основними джерелами енергії в нормально працюючій клітці є вуглеводи і жири. Вуглеводи окислюються в циклі реакцій обміну, званому гликолизом, в якому розрізняють 10 окремих ферментативних реакцій. Сумарно реакція гліколізу виглядає так:

глюкоза + 2ADP + 2Pi + 2NAD⁺ 2 піруват + 2 NADH + 2 АТР,

де Pi - неорганічний фосфат.

Ці реакції неповного окислення відбуваються в цитоплазмі. Отриманий піруват потім переноситься в матрикс мітохондрій, де окислюється повністю. спочатку до ацетил-КоА (за допомогою піруватдегідрогенази), А потім в циклі лимонної кислоти (циклі Кребса, або циклі трикарбонових кислот - ЦТК), в якому вивільняються електрони для перенесення по дихальної ланцюги-при цьому додатково утворюються молекули АТФ. В результаті повного окислення 1 молекули глюкози утворюється 38 молекул АТФ, як показано на схемі (рис. 1).

Мал. 1. Схема окислення молекули глюкози

Подібним чином окислюються і жирні кислоти, отримані при розщепленні нерозчинних тригліцеридів в цитоплазмі. Вони потрапляють в матрикс мітохондрій у вигляді ацил-коа-похідних і повністю окислюються в циклі &beta--окислення, в якому налічують 4 ферментативних реакції. Утворилися молекули ацетил-КоА далі окислюються в ЦТК за описаним механізмом. Суть реакцій, що відбуваються в ЦТК, полягає в отриманні високоенергетичних електронів, які переносяться відновленим нікотину-мідаденіндінуклеотідом (NADH) і відновленим флавінаденіндінуклеотіда (FADH₂). При цьому NADH, що представляє собою високоенергетичне проміжне з`єднання, швидко доставляє електрони з матриксу мітохондрій в дихальний ланцюг на їх внутрішній мембрані. Що стосується FADH₂, то він за допомогою ацил-коа-дегідрогенази доставляє електрони безпосередньо до убіхінон, в систему перенесення електронів.

Першим типом простетичної груп є флавіновие ферменти. Вони являють собою похідні рибофлавіну (вітамін В₂) флавинмононуклеотид - FMN і флавінаденіндінуклеотід - FAD, які беруть електрони від сукцината, окисленого в ЦТК. Реакція є пряме перенесення пари атомів водню або двох електронів від субстрату на окислену форму ізоаллоксазінового кільця рибофлавіну в молекулах FMN або FAD. Відновлені форми (FMNFf₂ і FADH₂) Переносять електрони далі. Хоча в більшості випадків при описі флавинових дегидрогеназ над реальним змістом в них будь-яких металів не згадують, фактично вони містять білки, координовані негемінових іонами Fe²⁺.

Другий тип переносників (цитохроми) Пов`язаний з гемінової групою, в якій іон заліза утворює комплекс з порфіринів. У цих переносників центральний атом заліза переходить з окисленої форми Fe³⁺ в відновлену Fe²⁺, переносячи електрон. Як зазначалося вище, зміною валентності центрального атома заліза цитохроми відрізняються від гемоглобіну, в якому гем координований Fe²⁺, що дозволяє йому переносити ліганди (O₂ і СO₂).

Третім типом переносників електронів є залізо-сірчані білки, в яких 2 або 4 атома Fe ковалентно пов`язані з атомом S цістеінових залишків поліпептидного ланцюга, утворюючи залізо-сірчаний центр. Перенесення електрона здійснюється так само, як у цитохромов, тобто зміною валентності іонів Fe.

Четвертим типом переносників є медьсодержащие цитохром с-оксидази. У них перенесення електрона відбувається за допомогою зміни валентності атомів міді (Сі²⁺ - Сі⁺). В цьому випадку мідь знаходиться разом з гемосвязанним залізом в біметалічному центрі гема і бере участь в заключній стадії перенесення електронів.

Таким чином, в комплексі I електрони переносяться від NADH на FMN або FAD, далі - на залізовмісні білки. Комплексом II можна вважати сукцинатдегідрогеназу. У комплексі III електрони переносять цитохроми з 2 темами типу b і темами типів з і з₁. Далі в ланцюзі комплексу IV бере участь цитохром с-оксидаза, в біметалевих темах а й а₃ якої знаходяться 2 медьсодержащих центру. безпосередньо з O₂ взаємодіють Сі⁺ і гем а₃. при відновленні O₂ утворюється сильний основний аніон O^{2- *}, спонтанно зв`язує 2 протона з утворенням води (Фаллер, Шилдс, 2004- табл. 1).

Таблиця 1. Компоненти дихального ланцюга

Іноді при описі дихального ланцюга АТФ-синтази називають комплексом V, хоча цей фермент не бере участі в перенесенні електронів. Однак він логічно замикає ланцюг перенесення електронів, перетворюючи отриманий протонний градієнт в синтез АТФ. Далі АТФ переноситься з матриксу мітохондрій в межмембранное простір за механізмом антипорта проти АДФ, а потім через порінов надходить в цитоплазму.

Механізм синтезу АТФ

АТФ синтезується АТФ-синтази у великій кількості. У спокої в організмі дорослої людини щодня конвертується кількість АТФ, що становить приблизно половину ваги тіла, а при значному фізичному навантаженні воно може зростати майже до тонни. За з`ясування деталей процесу синтезу АТФ в 1997 р П. Бойєр (P.D. Воуег), Д. Уолкеру (J.E. Walker) і Й. Скоу (J.C. Scou) була присуджена Нобелівська премія з хімії.

АТФ-синтаза складається з двох частин: вбудованого в мембрану протонного каналу і каталітичної білкової субодиниці. Протонний канал (фактор F₀) Містить гідрофобні поліпептиди 3 видів з молекулярною вагою 100-150 тис. Так (1 а, 2 b і 9-12 с). Інша частина ферменту є сферичний білок (фактор F₁) З молекулярною масою приблизно 500 тис. Так. Він складається, принаймні, з 9 субодиниць (3 - &alpha-, 3 - &beta-, по 1 - &gamma-, &delta-, &epsilon-). фактор F₁ легко змивається з мембрани слабкими розчинниками. В &beta - субодиниць він містить 3 активних центру, що беруть участь в перенесенні протона в циклі освіти АТФ. Енергія протонного перенесення витрачається в основному на поворот однієї з субодиниць, що викликає кон-формаційні зміни двох інших і вивільнення АТФ, утвореної в другій фазі циклу, всередину клітини (рис. 2).

Мал. 2. Спрощене зображення АТФ-синтази.

АТФ-синтаза функціонує дуже специфічним способом. Більшість ферментів пов`язують і вивільняють субстрати і продукти спонтанно, але для повного протікання каталітичної реакції потрібна енергія. На противагу їм, в молекулі АТФ-синтази енергія потрібна не для синтезу АТФ з АДФ і Р1, а для приєднання АДФ і фосфату до ферменту з подальшим вивільненням АТФ. Надлишок (активне сальдо) енергії запасається в АТФ. &gamma-, &delta- і &epsilon - суб`едіііци обертаються в циліндрі, сформованому з чергуються &alpha- і &beta - субодиниць. Це обертання стимулює структурні зміни в &beta-, що змінює її зв`язує здатність протягом циклу (рис. 3).

Мал. 3. "Связивающе-обмінний" механізм утворення АТФ (по Бойєр)

Бойєр назвав АТФ-синтази «молекулярної машиною». Вона може бути порівняна з водяним млином. F_o - Колесо, потік протонів - падаючий потік води, а структурні зміни в F₁ забезпечують освіту за один цикл повороту трьох молекул АТФ.

У режимі двигуна протонний насос, як і два інших, за рахунок енергії АТФ створюють між кліткою і середовищем різниця електрохімічних потенціалів. У цьому випадку енергія мембранних потенціалів може використовуватися переносниками поживних речовин - транспортними білками (пермеаз) - Для постачання клітин речовинами різної хімічної природи та енергетичну цінність. На відміну від насосів, пермеази побудовані щодо середовища симетрично, і працюють в обох напрямках равновероятно, НЕ векторно. Напрямок переміщення залежить від зовнішніх обставин, а не від конструкції ферменту. Тому такі системи позначають як «псевдонасоси».

Пермеази проявляють специфічність до субстрату, в тому числі групову. Вони здійснюють активне перенесення за рахунок енергії АТФ або інших макроергічних сполук, наприклад, фосфоенолпіруват. Механізмів активного перенесення налічують три (рис. 4): 1. унипортом, коли переноситься одна речовина в одному напрямку (наприклад, глюкоза в клітинах печінки) - 2. симпорт, коли два або більше речовин переносяться в одному напрямку (наприклад, амінокислоти і глюкоза разом з іонами Na⁺ в кишковому епітелії) - 3. антіпорт, коли відбувається обмін молекул в різних напрямках (наприклад, HCO₃^- на Cl^- в мембрані еритроцитів або АТФ на АДФ з матриксу мітохондрій в межмембранное простір).

Мал. 4. Активний перенос іонів і молекул за рахунок енергії гідролізу АТФ

При цьому глюкоза і амінокислоти можуть надходити всередину еритроцитів не тільки активним перенесенням, а й шляхом полегшеної дифузії пермеаз за типом унипортом. В цьому випадку молекула, перенесена всередину еритроцита, відразу ж фосфорилируется і тому втрачає здатність залишити клітку, тобто зовні цей процес має векторні властивості. Специфічність пермеази для глюкози ( «D-гексозних») Полягає в тому, що вона переносить тільки D-ізомер. Вона являє собою інтегральний мембранний білок з молекулярною масою 45 кД.

Перенесення більшості розчинних молекул через біомембрани опосередковується переносниками або канальними білками. Канали дозволяють переносити іони через мембрани дуже швидко, до 10⁸ іон / с на один канал. Така швидкість перенесення іонів пояснюється тим, що канальні білки при перенесенні іонів з одного боку мембрани на іншу не зазнають конформаційних змін. Мабуть, білкові комплекси утворюють в мембрані в центрі білкового кластера пору. Ці пори можуть відкриватися або закриватися у відповідь на хімічний або електричний сигнал. В цьому випадку може відбуватися ряд процесів, наприклад, пов`язаних з різким зниженням опору гематоенцефалічного бар`єру і призводять до надходження в нервові клітини полівалентних іонів Аl³⁺ або Мп²⁺. В подальшому це проявляється порушеннями нейрохимических реакцій в мозку і закінчується нервовими захворюваннями.

На відміну від канальних білків, переносники, які беруть участь в транспортному циклі, зазнають конформаційні зміни. При цьому вони повертаються в мембрані, так що місце зв`язування стерпного речовини звернуто спочатку до однієї, а потім до протилежної сторони мембрани. Активні переносники сполучають перенесення речовини з перенесенням електронів, гідролізом АТФ або фосфоенолпіруват, поглинанням світла або спільним перенесенням іона. Як правило, опосередкований переносниками перенесення речовин через мембрану відбувається на кілька порядків повільніше, ніж перенесення по каналах.

натрієвий насос (Na⁺/ К⁺-обменивающая АТФ-аза)

Основна функція цього насоса - підтримання в живому організмі електролітного гомеостазу. Він не тільки регулює внутрішньоклітинну концентрацію іонів, але і генерує різниця електричних потенціалів на мембрані. Цей насос розташований на внутрішній оболонці мітохондрій. Результат його дії описаний в табл. 5. Обмін іонів відбувається проти сил електродифузія. У спокої Ма⁺/ К⁺-АТФаза використовує третю частину всього АТФ, що утворюється в організмі.

При цьому насос стимулюють з внутрішньої сторони мембрани тільки АТФ і Na⁺, а із зовнішнього - тільки До⁺. При підвищенні температури потік Na⁺ з клітки збільшується. Відзначено зниження насос специфічним інгібітором - серцевим глікозидом «оубайном» (= уабаин, строфантин G) - тільки з зовнішньої сторони мембрани. В цілому натрієвий насос обмінює клітинний Na⁺ на До⁺ з середовища. Як і інші іонні насоси, натрієвий складається з двох основних компонентів - ферменту і іонного каналу.

Ця АТФ-азная система відноситься до групи транспортних білків і виявлена в плазматичній мембрані всіх тваринних клітин. За своєю природою вона є глікопротеїн, що складається з 4 субодиниць (2 великих, цитоплазматических &alpha-₂, і 2 маленьких, орієнтованих назовні клітини &beta-₂). Великі субодиниці (120 кДа) беруть участь в реакційному циклі фосфорилювання-дефосфорилирования, кожен раз при цьому змінюючи своє конформационное стан. Активний центр насоса приєднує АТФ на внутрішньому кордоні мембрани і в присутності Na⁺ і Mg²⁺ фосфорилируется, отщепляя фосфат від АТФ. Утворився АДФ йде в цитоплазму, а до активного центру ферменту приєднуються відщепленні фосфат і іони Na⁺.

За рахунок енергії розщеплення АТФ активоване фермент змінює свою орієнтацію і форму всередині мембрани і повертається в бік середовища. З клітини виштовхуються 3 іона Na⁺, а в кліткунадходять 2 іона До⁺ через центральну пору, яку «відкривають» менші субодиниці (55 кДа) цієї системи. Після іонообмінної реакції на зовнішній стороні мембрани іонообмінний центр ферменту повертається в початковий стан і отщепляет 2 іона До⁺ і неорганічний фосфат (Р_н) Всередину клітини. Потім цикл повторюється.

Встановлено, що Na⁺/ K⁺-обменивающая АТФ-аза надзвичайно специфічна до Na⁺ і не працює при заміні цих іонів на будь-які інші. У той же час фермент майже неізбірателен до До⁺. Цей іон легко заміщується, наприклад, Rb⁺, Cs⁺, NH₃⁺, Tl⁺ і Tl³⁺. Таким чином, завдяки тому, що відщепився від АТФ фосфат з`єднується з активним центром, АТФ формує стереоспеціфічность конфігурацію активного центру натрієвого насоса.

Через нерівномірне виборчого розподілу іонів між кліткою і середовищем виникає різниця електричних потенціалів на клітинній або будь-який інший мембрані. Мембранний потенціал протягом усього життя клітини залишається майже незмінним (0,07-0,09 В). Це означає, що в мембрані розміром 5x10^-9 м створюється потужне електричне поле з напруженістю понад 100 тис. В / см. Насос постійно виносить з клітки позитивний заряд (обмін 3Na⁺ на 2К⁺), Створюючи різницю електричних потенціалів недіффузіонной природи. Це електричне поле забезпечує роботу всіх іонних насосів клітини.

Зовнішня клітинна мембрана зазвичай непроникна для До⁺. Про порушення проникності цієї мембрани свідчать зниження концентрації К⁺ в цільної крові і підвищення в плазмі. зміна співвідношення Na / K в крові щодо нормального значення (рівного приблизно 1,5) супроводжує порушення системи електролітного гомеостазу і проявляється серцево-судинними та неврологічними порушеннями, наприклад, аритміями, парестезіями і паралічами. Залежно від особливостей тканини, в якій діють насоси, проявляються і інші специфічні порушення. Наприклад, в нервової тканини в разі сильного збудження електрогенних натрієвого насоса і генерована ним різниця потенціалів перешкоджають проходженню через аксон нервової клітини наступної групи імпульсів. Виходить, що насос обмежує потік інформації, підтримуючи стабільність роботи каналу, що передає нервові імпульси. Оскільки його спрямованість векторна (тільки в одну сторону), зворотне поширення імпульсу через особливості пристрою контактів між нервовими клітинами неможливо. Мабуть, цим властивістю можна пояснити наростаюче з часом ураження нервової системи і мозку потрапили в нервові клітини іонами важких металів (Al, Мп, Pb, Сі та ін.) при хворобах Паркінсона, Альцхаймера, Вільсона-Коновалова та ін.

кальцієвий насос (Са-АТФази, міозин)

Са є одним з найбільш біологічно важливих елементів, що бере участь в обміні речовин різних органів і тканин тварин дуже різноманітне. Він може поглинатися клітиною пасивно, проходячи через мембрану або по градієнту концентрацій, або по електричному полю, або обмінюватися на іони натрію. Однак деякі функції організму забезпечуються тільки енерговитратним перенесенням Са²⁺, наприклад, скорочення м`язових волокон, де Са²⁺ виступає в ролі вторинного месенджера.

Для розуміння роботи кальцієвого насоса необхідно коротко розглянути будова м`язового волокна і механізм його скорочення. Білки, витягнуті від одного краю м`язового волокна до іншого, являють собою дві скоротливі нитки - актин і міозин. При скороченні м`яза вони прослизають один в одного, а при розслабленні повертаються в початкове положення. М`язове волокно наскрізь пронизане мембранної мережею, званої саркоплазматическим ретикулумом (CP). Скорочувальний елемент (саркомер) Складається з багатьох ниток актомиозина і CP, причому останній виглядає, як впяченная всередину волокна клітинна мембрана, що оперізує скоротливий елемент.

У покояться клітинах міофібрил концентрація Са²⁺ мала (нижче 10^-5 М), тоді як в CP вона істотно вище (10^-3i М). Висока концентрація в CP забезпечується Са²⁺-АТФазами і підтримується за допомогою спеціального кислого білка кал`секвестріна (55 кДа). Потенціал дії, що надходить з кінцевої пластинки рухового нейрона, деполяризує плазматическую мембрану через поперечні трубочки Т-системи, які являють собою трубчасті впячивания клітинної мембрани і тісно контактують з миофибриллами. В результаті потенціал-керований мембранний білок ("SR-foot") Прилеглої мембрани СРz відкриває Са²⁺-канали для викиду Са²⁺ в простір між филаментами актину і міозину до рівня gt; 10^-5 М. Цей викид запускає процес скорочення міофібрил (рис. 5).

Мал. 5. Схема роботи кальцієвого насоса

Механізм цього процесу далі представляється в такий спосіб: викинутий Са²⁺ зв`язується з З-субодиницею тропонина, перебудовуючи його структуру. Тропонин-міозінових комплекс руйнується і звільняє на молекулі актину ділянку зв`язування з міозином, що і починає цикл скорочення. Після нього рівень Са²⁺ знижується через активне зворотного переносу в CP, тропонин З віддає Са²⁺, комплекс тропонин-тропомиозин займає на молекулі актину вихідне положення, блокуючи актин-міозінових цикл. Настає розслаблення м`язи. У клітинах еукаріот Са<sup>2+</sup> може зв`язуватися не тільки з тропоніном С, але також з близькими за властивостями кальмодулином і парвальбумін. Такий комплекс безпосередньо пов`язаний з Са-насосом.

Оскільки висока концентрація Са²⁺ в цитоплазмі через цитотоксичної дії іона небажана, вона швидко знижується завдяки дуже активним численним транспортним Са-КТФазам. Хімічно вони представляють собою протеоліпіди. За розрахунками, молекули кальцієвого насоса займають третину поверхні мембран м`язової тканини. При гідролізі однієї молекули АТФ всередину бульбашок CP транспортується 2 іона Са<sup>2+</sup>. Як і у натрієвого насоса, тут активний центр зв`язується з АТФ і 2 Са²⁺ на мембрані з боку цитозоля, потім він повертається всередину бульбашки, викидає Са²⁺ і АДФ, після чого приймає вихідне положення. Таким чином, м`язове скорочення - це механічна енергозатратна робота, що забезпечується гідролізом АТФ. Каталізує гідроліз АТФ сам міозин, причому за відсутності Са<sup>2+</sup> розпад АТФ і скорочення міофібрил повністю зникають. Ймовірно, місця зв`язування ШТФ і Са²⁺ на МІОЗИНУ взаємно конкурентні.

Численні дослідження показали, що підвищений вміст Са²⁺ всередині клітини передує розвитку програмованої смерті клітини (апоптозу). Часто зниження кількості Са²⁺ віддаляє початок апоптозу. На ініціювання цього процесу впливає також вміст Zn²⁺, діючого стосовно Са²⁺ антагоністично.

Вплив цих катіонів позначається насамперед на зміну мембран клітин, які піддаються апоптозу. При апоптозу активуються два види ферментів - ендонуклеаза, розщеплює ДНК у внутрішніх ділянках нуклеосом, і тканинна трансглутамінази, ковалентно зв`язує білки з мембраною за допомогою освіти ізопептідних зв`язків. Zn²⁺ блокує апоптоз за механізмом придушення активності ендонуклеази. Крім того, ці катіони впливають на активність антиоксидантної системи шляхом взаємодії з металами, що координують ферменти цієї системи, перш за все з Fe і Сі.

В ході еволюції перехід від водного середовища з великим вмістом Са²⁺ до наземного існування був пов`язаний з розвитком складного механізму гомеостазу іона, оскільки він цітотоксіч, для запобігання різких змін концентрації Са²⁺ в позаклітинній рідині. У цьому механізмі основну роль грають три гормону - паратиреоїдний (ПТГ), кальцитриол (Вітамін Д) і кальцитонін (КТ). Механізм гомеостазу кальцію дуже ефективний, а при збої в його роботі спостерігаються різноманітні патологічні стани, в тому числі різко скорочується тривалість життя організму.

Загальним для натрієвого і кальцієвого насосів є властивість завжди переносити позитивні заряди асиметрично з клітки в позаклітинне середовище, тільки у натрієвого насоса цим середовищем є зовнішнє середовище, а у кальцієвого - спеціалізовані компартменти (бульбашки CP) всередині клітини. Таким чином, кальцієвий насос є спеціалізованою системою, призначеної для швидкої регуляції концентрації Са²⁺ в скелетних м`язах.

Медична біонеорганіка. Г.К. баранчиків