double arrow

Активный транспорт веществ. Опыт Уссинга.


Активный транспорт веществ через биологические мембра­ны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., под­держивающие жизненные процессы, то есть с точки зрения тер­модинамики активный перенос удерживает организм в нерав­новесном состоянии, поддерживает жизнь.

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

Экспериментальная камера Уссинга, заполненная нормаль­ным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизо­лированной кожей лягушки: наружная мукозная поверхность кожи и внутренняя - серозная. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки: слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа нале­во от внутренней к наружной поверхности.

Из уравнения Теорелла, описывающего пассивный транс­порт, следует уравнение Уссинга-Теорелла для отношения этих потоков в случае пассивного транспорта:

Jm вн/Jm нар=снар/Свн




На коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникает разность потенциалов         (φвн - φнар) - внутренняя сторона кожи име­ет положительный потенциал по отношению к наружной. В уста­новке Уссинга имелся блок компенсации напряжения, с помощью которого устанавливалась разность потенциалов на коже лягушки, равная нулю, что контролировалось вольтметром .

Кроме того, поддерживалась одинаковая концентрация ионов с наружной и внутренней стороны Снар = Свн.

При этих условиях, если бы перенос натрия через кожу ля­гушки определялся только пассивным транспортом, то согласно уравнению Уссинга-Теорелла потоки ϳm,вн и jm.нар       были равны друг другу:

ϳm,вн = jm.нар

Суммарный поток через мембрану был бы равен нулю.

Однако, обнаружено с помощью амперметра, что в условиях опыта (отсутствие градиентов электрического потенциала и кон­центрации) через кожу лягушки течет электрический ток I, сле­довательно происходит односторонний перенос заряженных ча­стиц. Установлено, что ток через кожу течет от внешней среды к внутренней.

Методом меченых атомов было показано, что поток натрия внутрь больше потока наружу ϳm,вн › jm.нар • Для этого в левый раствор экспериментальной камеры были включены радиоак­тивные изотопы Nа22, а в правый - Nа24. Изотоп Nа22 распадает­ся с излучением жестких ᵧ-квантов. Распад Nа24 сопровожда­ется мягким ᵦ-излучением. Регистрация ᵧ и ᵦ -излучения показала, что поток Nа22 больше потока Nа24.

Эти экспериментальные данные неопровержимо свидетель­ствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следова­тельно, имеет место активный перенос.



Электрогенные ионные насосы.

Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы, работающие за счет сво­бодной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интег­ральных белков (транспортные АТФазы).

В настоящее время известны три типа электрогенных ион­ных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану (рис. 2.11).

Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вслед­ствие сопряжения процессов переноса с химическими реакци­ями, за счет энергии метаболизма клеток.

При работе К+- Na+-АТФазы за счет энергии, освобождающей­ся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравне­нию с межклеточной средой концентрация в клетке ионов ка­лия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологичес­кое значение.

В Са2+-АТФазе за счет энергии гидролиза АТФ переносятся два иона кальция, а в Н+-помпе - два протона.

Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не изучен. Тем не менее прослеживаются основные этапы этого сложного ферментативного процесса. В случае К+- Na+- АТФазы (обозначим ее для краткости Е) насчитывается семь этапов пере­носа ионов, сопряженных с гидролизом АТФ. Обозначения Е1 и Е2 соответствуют расположению активного центра фермента на внутренней поверхности мембраны соответственно (аденозиндифосфат - АДФ, неорганический фосфат - Р, звездочкой обозна­чен активный комплекс):



1) Е+АТФ→Е٭АТФ,

2) Е٭АТФ+3Na→[Е٭АТФ]٭ Na3,

3) [Е٭АТФ]٭ Na3→[Е1 ̴ Р]٭ Na3+АДФ,

4) [Е1 ̴ Р]٭ Na3→[Е2 ̴ Р]٭ Na3,

5) [Е2 ̴ Р]٭ Na3+2К→[Е2 ̴ Р]٭ К2+3Na,

6) [Е2 ̴ Р]٭ К2→[Е1 ̴ Р]٭ К2,

7) [Е1 ̴ Р]٭ К22→Е+Р+2К

На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента являются: 1) образование комплекса фермента с АТФ на внут­ренней поверхности мембраны (эта реакция активируется иона­ми магния); 2) связывание комплексом трех ионов натрия; 3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата; 4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны; 5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны; 6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки и 7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождени­ем ионов калия и неорганического фосфата (Р). Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов на­трия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.

 









Сейчас читают про: