Том 1 (1128361), страница 5
Текст из файла (страница 5)
На транспортировку трех ионов натрия из клетки и одновременно двух ионов калия в клетку используется энергия одной молекулы АТФ, т.е. суммарно за один цикл из клетки удаляется один положительный заряд. Таким образом, Ха/К-насос является элентрогеииым (создает электрический ток через мембрану), что приводит к увеличению электроотрицательности мембранного потенциала приблизительно на 10 мВ. Транспортный белок выполняет эту операцию с высокой скоростью: от 150 до 600 ионов натрия в секунду. Аминокислотная последовательность транспортного белка известна, однако еще не ясен механизм этого сложного обменного транспорта.
Данный процесс описывают с использованием энергетических профилей переноса белками ионов натрия или калия (рис. 1.5,6). По характеру изменения этих профилей, связанных с постоянными изменениями конформации транспортного белка (процесс, требующий затраты энергии), можно судить о стехиометрии обмена: два иона калия обмениваются на три иона натрия. 1Ча/К-насос, как и изолированная Ха /К -завнсимам мембранная АТФаза, специфически ингибнруется сердечным гликозидом уабаином (строфантином). Поскольку работа )Ча/К-насосе представляет собой многоступенчатую химическую реакцию, она, подобно всем химическим реакциям, в значительной степени зависит от температуры, что проде- Янко Слава !библиотека РогМОа) ! ! в1ауаваквуапс1ех.гм ! ! Ьмр://уапно.пь.гм ГЛАВА !.
ОснОВы клггОчнОЙ Физиот!01 ии !5 зф ма 1м ая ряяоов бра~ и 100 х 50 ЗО 20 з г 1О 5 с 3 2 й я о е о з я я 1 г. 1 АЛФ 2 Е 1 рот 50 100 150 200 250 Время. мяя 100 ЗО 20 О 50 1ОО 150 200 250 Рис, 2.6. Схема Л(а!К-насоса АТФазы (погруженной в липидный бислой плазматической мембраны), которая зв один цикл выносит из клетки три иона Л!а' против градивнтоа потенциала и концентрации и приносит в клетку два иона К '. В ходе этого процесса одна молекула АТФ расщепляется на АДФ и фосфат. На схеме АТФаза показана как димер, состоящий из большой (функциональной) и малой субъединиц; в мембране онв существует как тетрамер, образованный двумя большими и двумя малыми субъединицами монстрировано на рис. 1.7. Здесь поток ионов натрия нз мышечных клеток показан относительно времени; практически это эквивалентно потоку ионов натрия, опосредованному работой !ча/К-насоса, потому что пассивный поток ионов натрия против градиентов концентрации н потенциала крайне мал.
Если препарат охладить примерно на 13 С, то поток ионов натрия из клетки быстро уменьшится в 15 раз, а сразу после на~ревания восстиювится до исходного уровня. Такое уменьшение потока ионов натрия из клетки в несколько раз болыне, чем то, которое бы соответствовало температурной зависимгюти процесса диффузии или простой химической реакции. Сходный эффект наблюдается, когда запас метаболической энергии истощается в результате отравления диннтрофенодом (ДНФ) (рис. 1.7, Б).
Следовательно, поток ионов натрия из клетки обеспечивается энергозависимой реакцией- активным насосом. Другой харакэеристикой насоса наряду со значительной температурной н энергетической зависимостью является наличие уровня насыщения (как и у всех других химических реакций); это означает„что скорость работы насоса не может возрастать бесконечно при повышении концентрации транспортируемых ионов (рнс. !.8).
В отличие от этого поток пассивно диффу1щируюшево вещества растет пропорционально разности концентраций в соответствии с законом диффузии (уравнения 1 н 2). Рис. 2.7. А, Б Активный транспорт !Ча '. Ось ординипх поток радиоактивного тяп!а' из клетки (имп мин '). Ось абсцисс время с начала эксперименэа. А. Клетка охлаждена с !8,3 до О,б 'С: поток Ыа' из клетки в этот период заторможен. Б. Подавление потока 1Ча' из клетки динитрофенопом (ДНФ) а концентрации 0,2 ммоль л ' (по (13) с изменениями) Помимо Ха!К-насоса плазматическая мембрана содержит по крайней мере еще один насос кальциевый; это насос откачивает ионы кальция (Сат') из клетки и участвует в поддержании их внутриклеточной концентрации на крайне низком уровне (табл.
1.!). Кальциевый насос присутствует с очень высокой плотностью в саркоплазлщтическом рстнкулуме мьппечных клеток. которые накапливают ионы кальция в результате расщепления молекул АТФ (см. гл. 4). Воздействие )Ча/К-насоса на мембранный потенциал и объем клетки. На рнс. 1.9 показаны различные компоненты мембранного тока и приведены внутриклеточные концентрации ионов, которые обе- Янко Слава [Библиотака Роге/Гта) ! ! *[вуаааФ~уалбах.гм ! ! Ьеер://уагасо.вь.ю ЧАСТЫ. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ ст о о о а Концентрация тренспортиртемои мопеитпм Рис.
1.9. Соотношение между скоростью транспорта молекул и их концентрацией (з месте входа в канал или в месте связывания насоса) лри диффузии через канал или при насосном транспорте. Последний при высоких концентрациях насыщается (максимальная скорость, у „); значение по оси абсцисс, соотаатствующеа половине максимальной скорости насоса (у „[2), является равновесной концентрацией яа [Не+!О 145 ммояип 1 К+ Зие+ Е = -Вама як=Мыва Е[4 =+зама ЕС|= -Ввмв Рис. 1.9. Схема, показывающая концентрации в[а', К' и С! внутри и ане клетки и пути проникновения этих ионов через клеточную мембрану (через специфические ионные каналы или с помощью [т[а/К-насоса. При данных концентрационных градиентах равновесные потенциалы Е, Е„и Е, равны указанным, мембранный потенциал Е = — 90 мВ спечивают их существование.
Через калиевые каналы наблюдается выходящий ток ионов калия, так как мембранный потенциал несколько более электроположителен, чем равновесный потенциал для ионов калия. Общая проводимость натриевых каналов намного ниже, чем калиевых, т.е. натриевые каналы открыты намного реже, чем калиевые при потенциале покоя; однако в клетку входит примерно столько же ионов натрия, сколько выходит из нее ионов калия, потому что для диффузии ионов натрия в клетку необходимы болыпие градиенты концентрации и потенциала. Ха/К-насос обеспечивает идеальную компенсацию пассивных диффузионных токов, так как переносит ионы натрия из клетки, а ионы калия — в нее.
Таким образом, насос является электрогенным за счет разницы в числе перенесенных в клетку и из клетки зарядов, что при нормальной скорости его работы создает мембранный потенциал, примерно на 10 мВ более электроотрицательный, чем если бы он образовывался только за счет пассивных потоков ионов (см. уравнение 7). В результате мембранный потенциал приближается к калиевому равновесному потенциалу, что уменьшает утечку ионов калия. Активность )я[а[К-насоса регулируется внутриклеточной концентрацией ионов натрия.
Скорость работы насоса замедляется при снижении концентрации ионов натрия, подлежащих выводу из клетки (рис. 1.8), так что работа насоса и поток ионов натрия внутрь клетки уравновешивают друг друга, поддерживая внутриклеточную концентрацию ионов натрия на уровне примерно 10 ммоль.л Чтобы поддерживать равновесие межлу насосными в пассивными мембранными токами, необходимо намного больше молекул [Ча[К-насоса, чем канальных белков для ионов калия и натрия. При открытом состоянии канала через него проходят десятки тысяч ионов за несколько миллисекунд (см.
выше), а поскольку канал обычно отиривается несколько раз в секунду. всего за зто время через него проходит более 1Ое ионов. Одиночный насосный белок перемещает несколько сотен ионов натрия в секунду, следовательно, плазматическая мембрана должна содержать примерна в !000 раз больше насосных молекул, чем канальных. Измерения канальных токов в покое показали наличие в среднем одного калиевого и одного натриеваго открытого канала на ! мкмт мембраны; из этого следует, что ва том же пространстве должно присутствовать около |000 молекул [Ча|К-насоса, т.е.
расстояние между ними составляет в среднем 34 нм; диаметр насосного белка, как и канального, составляет 8 |О нм. Таким образом, мембрана лостаточна плотна насышена насосными молекулами (! !). Тот факт, что поток ионов натрия внутрь клетки, а ионов калия-из клетки компенсируется работой насоса, имеет и другое следствие, заключающееся в сохранении стабильного осмотического давления и постоянного объема. Внутри клетки существует высокая концентрация крупных анионов, главным образом белков (А в табл.
1.1), которые не способны проникать через мембрану (или проникают через нее очень медленно) и поэтому являются фиксированным компонентом внутри клетки. Чтобы уравновесить заряд этих анионов, необходимо равное количество катионов. Благодаря действию [и[а[К-насоса этими катионами в основном оказываются ионы калия. Существенное повьппение внутриклеточной концентрации ионов могло бы происходить только при возрастании концентрации анионов вследствие потока С1 по градиенту концентрации в клетку (табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
