Том 1 (1128365), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Как показано на этой упрощенной схеме, протонывыводятся из митохондрий с помощью электронтранспортной цепи за счет энергииокисления. Для осуществления однонаправленного переноса Н+ необходимавысокая структурная упорядоченность в размещении молекул дыхательной цепи(кружки) во внутренней митохондриальной мембране. В результате работы этойсистемы происходит накопление Н + со стороны цитоплазмы и ОН- -с обратнойстороны.Н+ (т.е.
понижению рН) снаружи ее. 2. Формирующийся таким образомвысокоэнергетический протонный градиент служит источником свободнойэнергии для реакции удаления НОН из ADP + P i в результате чего образуетсяАТР:Согласно теории Митчелла, эта реакция зависит также от физическойориентации АТРазного комплекса во внутренней мембране митохондрии - онадолжна быть такой, чтобы фермент мог использовать трансмембранноеразделение Н+ и ОН-. По-видимому, протон, высвобождающийсяферментативным путем из ADP, поступает в обогащенное ОН - внутреннеепространство митохондрии, где образуется НОН (рис. 4-33). Группа ОН -,отщепляемая от неорганического фосфата, выводится наружу и, реагируя сизбыточным Н+ , образует НОН. Таким образом, градиент Н+/ОН- обеспечиваетнеобходимой энергией реакцию отщепления воды при фосфорилировании.Вслед за гидратацией активный центр АТРазы образует фосфатную связьбез дальнейших затрат энергии.Хемиосмотическое преобразование энергии, аналогичное тому, котороепредположительно происходит при окислительном фосфорилировании вмитохондриях, по-видимому, имеет место при фотосинтезе в хлоропластах ифотосинтезирующих бактериях.
Кроме того, есть данные о том, что в некоторыхусловиях происходит обращение функционирования Na +-К+-насоса, который внорме использует энергию АТР для формирования градиента Na + . В этомслучае при перемещении Na+ по градиенту насос может участвовать в синтезеАТР из ADP и Pi.3. Транспорт веществ против градиента. Перемещение некоторых молекулпротив их концентрационного градиента осуществляется за счет перемещениякакого-то другого вещества по его концентрационному градиенту. Так, спомощью градиента Na+ происходит перенос через мембрану некоторыхСахаров и аминокислот путем симпорта (котранспорта) и выведение из клеткиСа2+ путем антипорта (контртранспорта).
Рассмотрим эти способы транспортаболее подробно.Рис. 4.33.Второй постулат, лежащий в основе хемиосмотической гипотезы преобразованияэнергии по Митчеллу (см. текст). Благодаря активности F1 АТРазы, расположеннойво внутренней митохондриалъной,мембране, ADP и P i высвобождаютсоответственно Н+ и ОН- внутрь митохондрии и в цитоплазму. В результатепроисходит конденсация Р+i и ADP с образованием АТР.108107 :: 108 :: Содержание109 :: 110 :: Содержание4.7.1.
Симпорт (котранспорт)На рис. 4-34 приведены кинетические данные о накоплении в клетке(перенос против градиента) аминокислоты аланина в присутствии и вотсутствие внеклеточного натрия. В присутствии Na + аминокислотапоглощается клеткой до тех пор, пока ее внутренняя концентрация в 7-10 раз непревысит внешнюю. В отсутствие Na+ внутриклеточная концентрация аланинане превышает внеклеточную. Согласно графику Лайнуивера-Бэрка,максимальная скорость поглощения аланина одинакова (она определяетсяточкой пересечения с осью ординат) как в присутствии Na + , так и без него. Вобоих случаях поглощение характеризуется кинетикой с насыщением, чтоуказывает на участие в процессе переносчика.
Разный наклон двух графиковобъясняется тем, что внеклеточный Na + увеличивает активность переносчикааланина. Если блокировать натриевый насос с помощью уабаина и такимобразом повысить внутриклеточную концентрацию Na + , то эффект будетаналогичен снижению внеклеточной концентрации Na + . Таким образом, повидимому, для внутриклеточного транспорта аланина существен именноградиент концентрации натрия, а не исключительно присутствие ионов натрияво внеклеточной жидкости.Рис. 4.34.Зависимость поглощения клеткой аминокислоты аланина от концентрации Na +. А.Внутриклеточная концентрация аланина как функция времени в присутствии и вотсутствие внеклеточного Na+. Б. График Лайнуивера-Бэрка поглощения аланина вприсутствии и в отсутствие внеклеточного Na+.
По оси абсцисс отложена величина,обратная внеклеточной концентрации аланина. Прямые пересекают ось ординат водной точке; это указывает на независимость скорости транспорта от [Na + ]0 прибесконечной концентрации аланина. (Schultz, Curran, 1969.)Рис. 4.35.Гипотетический механизм опосредованного натрием котранспорта аминокислот(или Сахаров). Для осуществления транспорта переносчик должен связать и Na+, иаминокислоту. Направленный внутрь транспорт осуществляется за счёт градиентаNa+.ТранспортаминокислотиСахаров,по-видимому, с о п р я ж е н снаправленным внутрь пассивным перемещением Na+ посредством общегопереносчика.
Вероятно, молекула переносчика связывает и Na + , и молекулуорганического субстрата и осуществляет их совместный транспорт (рис. 4-35).Тенденция Na + диффундировать по концентрационному градиенту и являетсядвижущей силой для системы переноса. Все, что понижает концентрационныйградиент Na+ (снижение внеклеточного Na + или повышение Na+внутриклеточного), уменьшает направленную внутрь движущую силу и, такимобразом, уменьшает сопряженный транспорт аминокислот и Сахаров внугрьклетки. Если экспериментальным путем изменить направление градиентанатрия на противоположное, то произойдет и обращение транспорта этихмолекул.
Опосредованный переносчиком транспорт Na + в этом случае зависит всвою очередь от присутствия аминокислот и Сахаров. В их отсутствие переносNa+ общим переносчиком замедляется, а в результате снижается иинтенсивность направленного внутрь пассивного потока Na+ .Общий переносчик, по-видимому,перемещения между двумя109совершаетпассивныечелночныеРис. 4.36.Транспорт аминокислот и Сахаров зависит в конечном счете от химическойэнергии, запасенной в АТР в процессе клеточного метаболизма.
Концентрационныйградиент Na+ можно рассматривать как некую промежуточную формупотенциальной энергии, используемую для перемещения органических молекулпротив их концентрационных градиентов.сторонами мембраны без непосредственных затрат метаболической энергии.Сопряженный транспорт органических молекул против градиента черпаетэнергию из диффузии по градиенту ионов натрия, но потенциальная энергия,запасенная в градиенте натрия, конечно, имеет' своим источникомметаболическую энергию, которая обеспечивает функционирование натриевогонасоса (рис. 4-36). Концентрационный градиент натрия можно рассматриватькак некую промежуточную субстанцию в процессе преобразования энергии,расходуемой на обеспечение некоторых мембранных функций.110109 :: 110 :: Содержание110 :: Содержание4.7.2.
Антипорт (контртранспорт)Натриевый концентрационный градиент участвует и в поддержании оченьнизкой внутриклеточной концентрации кальция в некоторых клетках. Вбольшинстве клеток (а возможно, и во всех) внутриклеточная концентрациякальция на несколько порядков ниже внеклеточной (< 10 -6 М), а регуляциянекоторых функций клетки осуществляется путем изменения внутриклеточнойконцентрации этого иона.
Выведение Са 2+ из клеток снижается, если удалить извнеклеточной среды Na + . Это позволяет предположить, что Са2+ выводится изклетки в обмен на пассивно поступающий в нее Na+ и противоположнонаправленные потоки этих ионов, сопряженные друг с другом, обеспечиваютсяпереносчиком-обменником. Существует представление, что Са 2+ и Na2+конкурируют за один и тот же переносчик, но Са 2+ оказывается болееконкурентоспособным внутри клетки, чем снаружи, поэтому и возникаетсуммарный поток Са2+ из клетки. Исходным источником энергии этогопроцесса опять является градиент Na2+, который в конечном счете формируетсяза счет АТР-зависимого активного транспорта Na 2+.
Этот насос-обменникособенно важен, когда внутриклеточная концентрация Са 2+ становитсяаномально высокой. Имеются данные, что Са 2+ транспортируется независимо отнатриевого градиента с помощью АТР-зависимого Са 2+-насоса, который в нормеиграет основную роль в выведении Са2+.В качестве другого важного примера антипорта можно привести Na + -H+обмен в проксимальных канальцах почек млекопитающих, изученный наиболееглубоко (см. гл. 12).
В этом случае выведение Н + из клеток, выстилающихпочечный каналец, в просвет канальца сопряжено с поглощением клетками Na +в стехиометрическом отношении 1:1. Такая стехиометрия обеспечиваетследующие преимущества: 1) не приходится затрачивать энергию навыполнение электрической работы, поскольку происходит обмен двуходинаковых положительных зарядов; 2) почки получают возможность"откачивать" Na+ из мочи и "сбрасывать" избыток протонов. На +-Н+ -обменник впротивоположность Na+-K+-насосу ориентирован таким образом, чтобыосуществлять перенос Na+ из просвета канальца в клетку.
Кроме того, этотобменный механизм не относится к механизмам первичного активноготранспорта, непосредственным источником энергии которых является АТР. Nа +Н+-обменник-это система вторичного активного транспорта, где источникомэнергии служит электрохимический градиент одного или обоихтранспортируемых ионов. Энергия запасена в концентрационном градиенте Na +,который направлен из просвета канальца в клетку. Этот градиентподдерживается за счет удаления Na + из клетки Na+- К + -насосом,локализованным в мембране на другой стороне клетки, обращенной к плазме икрови.110110 :: Содержание110 :: 111 :: Содержание4.8.
Селективность мембранКаждой разновидности мембранного транспорта присуща селективность,причем эта селективность обычно различается для разных транспортных систем,находящихся в одной мембране. Например,110при замене натрия в физиологическом солевом растворе, куда помещенанервная клетка, на литий последний быстро поступает в клетку через натриевыеканалы, которые открываются во время электрического возбуждения мембраны.Для катионов других щелочных металлов - К+, Рb+ и Сs+-эти каналы по существунепроницаемы. С другой стороны, АТРаза натриевого насоса в той же самоймембране высокоспецифична к внутриклеточному Na + и не активируетсяионами лития. Таким образом, ионы лития постепенно накапливаются в клетке,пока не достигается состояние электрохимического равновесия (см. разд.
5.3).Это примеры селективности к электролитам. Мы рассмотрим примерыселективности как к электролитам, так и к неэлектролитам.111110 :: 111 :: Содержание111 :: Содержание4.8.1. Селективность к электролитамЧаще всего в качестве примера селективности приводят способностьневозбужденной мембраны "отличать" ион К + от другого основногомоновалентного катиона, Na + . Нервная клетка в состоянии покоя примерно в 30раз более проницаема для К+, чем для Na+. С первого взгляда может показаться,что эти ионы различаются по размеру их гидратной оболочки, т.е. К + свободнопроникает через каналы, которые оказываются слишком узкими для Na+.
Однакогипотеза "просеивания" не в состоянии адекватно объяснить большинстводругих вариантов мембранной селективности. Например, во время возбуждениямембраны нервной или мышечной клетки проницаемость мембраны для Na+возрастает примерно в 300 раз-до величины, приблизительно в 10 раз большей,чем проницаемость для К+ в покое. Если бы при возбуждении в мембранепроизошло срабатывание каналов, через которые ион Na + мог проходить тольков соответствии со своим размером, то, согласно гипотезе "просеивания", должнобыло бы наблюдаться одновременное повышение проницаемости для К +благодаря этим же каналам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
