Активный транспорт ионов. Механизм активного транспорта ионов на примере натрий-калиевого насоса

Активным транспортом называется перенос молекул и ионов через мембрану, который выполняется клеткой за счет энергии метаболических процессов.

Активный транспорт всегда ведет к увеличению различия m по обе стороны мембраны. В этом случае перенос вещества осуществляется из области его меньшей концентрации в область большей концентрации. Такой процесс требует затрат энергии. Эта энергия получается при расщеплении молекул универсального “горючего” клетки – аденозинтрифосфата (АТФ) на аденозиндифосфат (АДФ) и фосфатную группу (Ф) под действием специальных белков – ферментов, они называются транспортными АТФ -азами и являются белками – переносчиками. Таким образом, АТФ® АДФ+Ф+Е, и энергия Е идет на совершение работы по активному транспорту.

В настоящее время известны четыре системы активного транспорта ионов в живой клетке (4 транспортные АТФ-азы). Три из них нужны для переноса ионов Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺ и H⁺ через мембраны, четвертая необходима для переноса протонов (Н⁺) при работе дыхательной цепи митохондрий. Часто системы активного транспорта называют насосами или помпами.

Коротко рассмотрим принцип действия Na⁺-K⁺-насоса (рис. 5).

Рис. 5 Схема действия натрий-калиевого насоса

Если вследствие каких-либо причин концентрация ионов натрия в цитоплазме вблизи мембраны превысит определенное значение, то под действием этих ионов транспортная АТФ-аза активизируется, и расщепляет АТФ на АДФ и Ф. При этом выделяется энергия Е 45 кДж/моль (ее значение несколько варьируется для разных типов клеток). Эта энергия тратится на присоединение трех ионов натрия (3 Na⁺) к АТФ-азе и на такое перемещение АТФ-азы внутри мембраны, в результате которого 3 Na⁺ переносятся на внешнюю сторону мембраны, а два иона калия (2К⁺) на ее внутреннюю сторону. Далее фермент освобождается от этих двух ионов и возвращается в исходное состояние, после чего процесс может повториться.

Итак, за один цикл действия Na⁺-K⁺-насоса из клетки выносится один положительный заряд. Поэтому внутренняя сторона клетки приобретает небольшой отрицательный электрический заряд, а внешняя - положительный. Таким образом, на мембране клетки происходит разделение электрических зарядов и возникает электрическое напряжение (мембранная разность потенциалов). Именно поэтому Na⁺-K⁺-насос называется электрогенным.

Работа, которую совершает Na⁺-K⁺-насос, равна примерно 41,2 кДж/моль. Это говорит о том, что почти вся энергия, которая выделяется при расщеплении АТФ (45 кДж/моль) идет на активный транспорт. Коэффициент полезного действия (КПД) Na⁺-K⁺-насоса равен: