Активный транспорт и его виды.

Транспорт веществ через биологические мембраны (продолжение).

Активный транспорт – это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Схема активного транспорта.

Активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза АТФ, то есть за счет затраты энергии. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, давления и другие процессы, поддерживающие жизненные функции. Активный транспорт удерживает организм в неравновесном состоянии.

Существование активного транспорта впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Схема опыта Уссинга (А – амперметр, В – вольтметр, Б – батарея, П – потенциометр).

Экспериментальная камера Уссинга, заполненная раствором Рингера, разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. На рис. 6.11 слева – наружная мукозная поверхность кожи, справа – внутренняя серозная. Уссинг наблюдал потоки ионов натрия через кожу лягушки: слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа налево от внутренней к наружной поверхности.

Из уравнения Теорелла, которое описывает пассивный транспорт, следует уравнение Уссинга – Теорелла для отношения потоков в случае пассивного транспорта:

j_m,_ВН/j_m,_НАР = (С_НАР/С_ВН) е^х,

где: х = (Z F )/R Т.

На коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникает разность потенциалов = _ВН – _НАР. Внутренняя сторона кожи имеет положительный потенциал по отношению к наружной. В установке Уссинга имеется блок компенсации напряжения, с помощью которого устанавливается разность потенциалов на коже лягушки, равная нулю, что контролируется вольтметром. Кроме этого, поддерживается одинаковая концентрация ионов с наружной и внутренней стороны С_НАР = С_ВН.

При этих условиях, если бы перенос натрия через кожу лягушки определялся только пассивным транспортом, то согласно уравнению Уссинга – Теорелла j_m,_ВН и j_m,_НАР были бы равны друг другу: j_m,_ВН = j_m,_НАР. Суммарный поток через мембрану был бы равен нулю.

Однако, обнаружено с помощью вольтметра, что в условиях опыта (при отсутствии градиентов электрического потенциала и концентрации) через кожу лягушки течет электрический ток I, следовательно, происходит односторонний перенос заряженных частиц. Ток протекает через кожу от внешней стороны к внутренней.

С помощью меченых атомов было установлено, что поток натрия внутрь больше потока его наружу: j_m,_ВН > j_m,_НАР. Для этого в левый раствор экспериментальной камеры были включены радиоактивные изотопы ²²Na, а в правый – ²⁴Na. Изотоп ²²Na распадается с излучением жестких – квантов. Распад ²⁴Na сопровождается мягким – излучением. Регистрация – и – излучения показала, что поток ²²Na больше, чем поток ²⁴Na.

Этот эксперимент свидетельствует, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта, значит, имеет место активный перенос.

Перенос иона в процессе активного транспортаосуществляется транспортными АТФ–азами, энергозависимой лимитирующей стадией которого является гидролиз АТФ. Так происходит первично-активныйтранспорт.

Если же перенос веществ обеспечивает энергия, обусловленная градиентом ионов, созданным в ходе первично–активноготранспорта, то это вторично–активныйтранспорт. С его помощью осуществляется перенос сахаров и аминокислот за счет энергии, обусловленной градиентом ионов, чаще натрия, созданного первично-активным транспортом.

Функциональное значение активного транспорта определяется тем, что он осуществляет неравномерное распределение ионов между клеткой и средой – для большинства тканей концентрация внутриклеточного калия больше, чем внеклеточного, а концентрация внутриклеточного натрия меньше, чем внеклеточного. Поддержание постоянного ионного состава клетки обеспечивает ионный гомеостаз, необходимый для осуществления жизненно важных градиентзатратных процессов.

Транспортные АТФ–азы прокариотических и эукаритических клеток делятся на 3 типа: P–тип, V–тип, F–тип.

АТФ–азы P–типаявляются примером осуществления обязательной стадии фосфорилирования и дефосфорилирования, сопряженной со структурными переходами белков, то есть образования ковалентного фосфорилированного промежуточного продукта (фосфомедиата).

К АТФ–азам цитоплазматической мембраны этого типа относятся:

Внутриклеточные АТФ-азы P–типа:

Ca²⁺ – АТФ–аза эндо–(сарко) плазматического ретикулума эукариот.

К⁺ – АТФ-аза наружных мембран прокариот. Устроены довольно просто, действуют как насос.

АТФ–азы V–типанаходятся в мембранах в вакуолях дрожжей, в лизосомах, эндосомах, секреторных гранулах животных клеток (Н⁺– АТФ–азы).

АТФ–азы F–типанаходятся в мембранах бактерий, в хлоропластах, митохондриях. Они образованы:

1.Водорастворимой частью – F₁, которая состоит из нескольких субъединиц и обладает каталитической активностью.

2.Гидрофобная часть F_о, участвующей в транслокации водорода. Особенностью АТФ–азы F–типаявляется способность синтезировать АТФ за счет переноса протонов по градиенту концентрации.