Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 14. Принудительный транспорт молекул и ионов через биологические мембраны

14.1. Ионные насосы

Искусственные фосфолипидные мембраны позволили выяснить некоторые особенности селективности и механизма действия ионных переносчиков (ионофоров), обеспечивающих пассивный транспорт ионов из областей высоких в области малых концентраций. Наряду с пассивным транспортом в жизнедеятельности клетки большую роль играют процессы принудительного переноса молекул и ионов из областей их малых концентраций в области высоких концентраций.

Биологические мембраны являются асимметричными устройствами, позволяющими при затрате энергии устанавливать разность электрических потенциалов и разность концентраций ионов и молекул на двух сторонах мембран. Транспортные системы мембран, призванные создавать градиенты концентраций переносимых веществ на двух сторонах мембран, часто называют насосами. Так, например, говорят о натрий-калиевых насосах, создающих на мембранах градиенты концентрации ионов натрия и калия, о кальциевых насосах, создающих градиенты концентрации ионов кальция, о протонных насосах, создающих градиенты концентрации протонов.

Натрий-калиевые насосы входят в состав цитоплазматических мембран, окружающих клетки. Эти насосы обеспечивают малое

отношение концентрации ионов натрия к концентрации ионов калия внутри клетки, несмотря на то что вне клетки такое отношение велико.

Кальциевые насосы входят в состав мембран саркоплазматической сети мышечных волокон (см. п. 19.1). Эти насосы снижают концентрацию двукратно ионизированных атомов кальция в мышечных волокнах при их расслаблении до значения моль, перегоняя их внутрь канальцев саркоплазматической сети, где их концентрация составляет моль.

Натрий-калиевые и кальциевые насосы работают за счет потребления энергии гидролиза молекул АТФ с образованием молекул АДФ и неорганического фосфата . Эти насосы могут работать обратимо, используя градиенты концентрации ионов для синтеза молекул АТФ из молекул АДФ и

Протонные насосы входят в состав цитоплазматических мембран бактерий, внутренних мембран клеточных органелл — митохондрий (см. § 16), мембран тилакоидов, входящих в состав хлоропластов зеленых растений (см. § 17). Протонные насосы в цитоплазматических мембранах бактерий и во внутренних мембранах митохондрий работают за счет энергии окисления молекул углеводов и жиров. Протонные насосы в тилакоидах используют энергию света, поглощаемого растениями.

При переносе одного моля вещества со стороны мембраны с малой концентрацией на сторону с большей концентрацией С, надо затратить работу, равную изменению свободной энергии Гиббса,

где Т — абсолютная температура в градусах Кельвина; R — газовая постоянная. Такая работа должна выполйяться за счет сопряженного процесса, выделяющего энергию.

Совершая работу по переносу ионов и молекул через мембрану, клетка расходует значительную энергию. Так, например, живая клетка бактерии может накопить ионы калия внутри клетки до концентрации моль при его концентрации вне клетки моль. Согласно формуле (14.1), при 27° С она должна затратить на это энергию, равную 803 кал/моль.

Проблема выяснения механизма работы биологических ионных насосов остается одной из центральных в биологии. Обзор современного состояния этой проблемы дан в монографии В. К. Лишко [43].

Натрий-калиевый насос, который часто для упрощения называют натриевым насосом, осуществляя активный транспорт ионов натрия и калия через цитоплазматические мембраны, поддерживает

поперек мембраны разность электрических потенциалов, равную 60-100 мВ с отрицательным знаком внутри клетки. При этом внутри клетки устанавливается отношение концентраций ионов калия к концентрации ионов натрия в пределах от 6 до 15, в то время как вне клетки оно равно 0,03-0,04.

Важной особенностью натриевого насоса является то, что вынос ионов из клетки не происходит, если во внешней среде нет ионов . Поглощение клеткой ионов возможно только в том случае, когда внутри клетки есть ионы Na+ [135, 156, 245]. Другими словами, ионы натрия активируют натриевый насос на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны, а ионы калия — на ее внешней поверхности. В связи с этой особенностью натриевого насоса высказывалось мнение, что потоки ионов натрия и калия в сторону возрастания их концентраций осуществляются одним и тем же комплексом белков [135, 156, 177, 205].

Подтверждением такой точки зрения явились опыты Бейкера и Мэнила [75], которые показали, что замена внеклеточной жидкости средой, не содержащей ионов калия, практически мгновенно прекращает активный поток ионов натрия из клетки. Тем самым было показано, что связь ионных токов является прямой, а не косвенной.

Для объяснения встречных потоков ионов натрия и калия была предложена модель [67] натрий-калиевого обмена. Согласно этой модели внутри мембраны находится носитель, меняющий свое сродство к ионам натрия и калия. На внутренней поверхности мембраны носитель присоединяет ионы натрия и переносит их на внешнюю поверхность. Отдав ион натрия, носитель на внешней поверхности приобретает сродство к ионам калия. Захватывая ион калия, он переносит его на внутреннюю поверхность клетки, где снова, приобретая сродство к ионам может начать новый цикл.

Чтобы такая модель имела право на существование, необходимо найти объяснение изменений сродства переносчиков к присоединению ионов на внешней и внутренней сторонах мембраны. Чем обусловлен такой векторный характер переноса? Связан ли он с тем, что гидролиз молекул АТФ осуществляется только на внутренней стороне мембраны? Необходимо также объяснить, как энергия гидролиза используется для перемещения ионов.

Механизм работы натриевого насоса на основе натрий-калиевого обмена ионов не объясняет наблюдаемые в эксперименте непостоянные стехиометрические отношения чисел переносимых ионов натрия и калия. В мембранах эритроцитов человека натриевый насос выводит из клетки три иона натрия и вводит два иона калия [130, 222]. В гигантском аксоне кальмара это отношении равно трем или двум к одному [72, 89].

Большое значение имеет работа П. Г. Костюка с сотрудниками

[180], где показано, что в одной и той же клетке соотношение активных потоков натрия и калия не постоянно. При изменении поперечной разности потенциалов изменяется выход ионов калия, при неизменном натриевом токе. Эти исследования, по-видимому, указывают на то, что калиевый ток слагается из двух частей. Одна непосредственно связана с работой натриевого насоса, а вторая обусловлена движением ионов в электрическом поле мембраны. Проницаемость ионов калия через мембрану значительно выше, чем ионов натрия. Поэтому электрическое поле мембраны оказывает основное влияние на ионы калия.

Вывод натрия из клетки осуществляется натриевым насосом и в том случае, когда во внешней среде ионы калия заменены другими одновалентными катионами Эти ионы переносятся внутрь клетки вместо ионов калия.

Интересно, что натриевые насосы в почках осуществляют активный транспорт ионов в одном направлении (из клетки) без участия ионов калия. Это было подтверждено на искусственных фосфолипидных мембранах, в которые включались ион-транспортирующие комплексы, выделенные из почек.

Активный транспорт ионных токов натрия и калия может быть заторможен веществами, стимулирующими сердечную деятельность. Эти вещества называются кардиоактивными стероидами. К ним относятся производные строфантидина — строфантин G и К или оуабаин и некоторые другие.

Ингибирующее действие кардиоактивных стероидов на активный транспорт ионов натрия и калия в мембранах эритроцитов было отмечено в 1953 г. Шатцманом [226]. Производные строфантидина в 20—30 раз снижают скорость выведения натрия из гигантских аксонов кальмара [88]. Теперь такие стероиды широко используют в исследованиях при необходимости подавления активного переноса ионов или для отделения активных потоков от пассивных.

Работа натриевого насоса обеспечивается энергией гидролиза молекул АТФ (более правильно — комплекса ). Следовательно, такой гидролиз должен быть обусловлен комплексом гелков и липидов, входящих в натриевый насос. Роль молекул АТФ в активном транспорте установлена прямыми опытами на гигантских аксонах кальмара, отравленных цианидом. Активное выведение натрия из такого волокна наблюдалось лишь в тех случаях, когда внутри волокна сохранялось некоторое количество молекул АТФ или они вводились туда искусственно [90, 87, 91]. Установлено, что тени эритроцитов, т. е. замкнутые мембраны эритроцитов, не содержащие цитоплазматических компонентов, способны поддерживать натриевые и калиевые градиенты только

в том случае, если в состав их внутри среды входят молекулы АТФ и ионы

Ингибирование натриевого насоса стероидами и активация ионами натрия и калия показали, что его действие подобно действию фермента. Этот фермент должен вызывать и гидролиз молекул АТФ, чтобы использовать их энергию. Поэтому он назван К-АТФ-азой. Впервые такой фермент был открыт в 1957 г. Сковом [228] в мембранных фракциях нерва краба.

В дальнейшем выяснилось, что фермент К-АТФ-аза прочно вмонтирован в липидный слой плазматической мембраны так, что его активные центры располагаются на противоположных поверхностях мембраны. Молекулы АТФ расщепляются только на внутренней поверхности мембраны [195]. Образующийся при гидролизе неорганический фосфат остается в цитоплазме клетки [244].

В опытах на гигантских аксонах кальмаров установлено, что действие ингибитора оуабаина проявляется только с внешней поверхности мембраны [75, 88]. Ингибирование обусловлено присоединением молекул оуабаина к части фермента, выступающей с внешней стороны мембраны.

Используя меченные тритием молекулы оуабаина, удалось определить плотность расположения ферментов К-АТФ-азы на поверхности мембраны. Бейкер и Виллис [76, 77] нашли, что в мембранах нервных клеток имеется 500—1500 ферментов на у эритроцитов — только один фермент на . По некоторым оценкам фермент совершает 6000-10 000 выбросов ионов в минуту [76, 120, 183].

Делались многократные попытки выделения ферментов -АТФ-азы из цитоплазматических мембран [43]. В настоящее время считают, что этот фермент состоит из двух полипептидных цепей с молекулярными массами 100 000 и 50 000 [70, 172, 210]. В структурной организации фермента, возможно, и в его действии, существенную роль играет гидрофобное окружение молекул липидов. Высказывалось даже предположение, что они принимают непосредственное участие в переносе ионов.

Ферменты, образующие кальциевые насосы в мембранах саркоплазматической сети мышечных волокон, жестко связаны с мембранами и проявляют активность только в контакте с липидами.

От кальциевого насоса требуется очень большая производительность. За очень короткое время после сокращения мышечного волокна надо снизить концентрацию ионов кальция в саркоплазме мышечного волокна от значения моль до значения, меньшего моль, при концентрации кальция в пузырьках саркоплазматической сети, равной моль. Поэтому белки, участвующие в работе кальциевого насоса, составляют в мембранах саркоплазматических пузырьков около 60% их общего веса.

Белки кальциевого насоса называют ферментами Са-зависимой АТФ-азы. Они могут быть выделены из мембран саркоплазматической сети. Белки кальциевых насосов, выделенные из мембран саркоплазматической сети, в растворе с липидами при встряхивании входят в состав образующихся небольших пузырьков — липосом. Если в такой раствор добавить молекулы АТФ и ионы кальция, то последние накапливаются внутри липосом. Такие эксперименты подтверждают, что кальциевые насосы при переносе ионов кальция через мембраны внутрь липосом используют энергию гидролиза молекул АТФ.

Установлено, что при активном переносе через мембраны саркоплазматической сети мышечных волокон двух ионов кальция затрачивается энергия гидролиза одной молекулы АТФ. Возможная модель работы кальциевого насоса сводится к следующему. Кальциевый насос захватывает два иона и одну молекулу АТФ, несущую четырехкратный отрицательный заряд. Фермент, входящий в состав белков кальциевого насоса, в присутствии ионов кальция вызывает гидролиз молекул АТФ. Энергия гидролиза вызывает конформационные изменения других белков, входящих в состав насоса, которые в свою очередь вызывают перемещение ионов кальция внутрь пузырька саркоплазматической сети. Конечно, такое описание не объясняет процесс перемещения ионов кальция. Характер преобразований в белках кальциевого насоса и механизм использования энергии гидролиза молекул АТФ остаются невыясненными.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление