Электрогенные ионные насосы

5.3.1 Натрий – калиевый насос

Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы, работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ. Это специальные системы интегральных белков – транспортные АТФазы. В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, которые осуществляют активный транспорт ионов через мембрану (рис.5.10).

Рис.5.10.Виды ионных насосов: 1 – К⁺-Na⁺-АТФаза в цитоплазматических мембранах (К⁺-Na⁺- насос); 2 – Са²⁺-АТФаза (Са²⁺- насос); 3 – Н⁺-АТФаза в энергосопрягающих мембранах митохондрий и хлоропластов (Н⁺-насос).

Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вследствие реакции сопряжения данного процесса с химическими реакциями распада АТФ, то есть за счет энергии метаболизма клеток. При работе К⁺-Na⁺-АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе 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.

Механизм работы ионных насосов подробно изучен на примере К⁺-Na⁺-АТФазы. (Рис. 5.11). Процесс работы данного фермента состоит в следующем (Е – фермент; Е¹ и Е² – соответствуют расположению активного центра фермента на внутренне и внешней поверхности мембраны соответственно; звездочкой обозначен активный комплекс).

1.Взаимодействие фермента с АТФ и образование активного комплекса на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется катионами магния):

Е + АТФ → Е*АТФ.

2.Связывание комплексом трех ионов натрия:

Е*АТФ + 3 Na⁺ → [Е*АТФ]*Na₃.

3.Фосфорилирование фермента с образованием АДФ:

[Е*АТФ]*Na₃ → [E¹ ~ P]* Na₃ + АДФ.

4.Конформационное изменение фермента внутри мембраны:

[E¹ ~ P]* Na₃ → [E² ~ P]* Na₃.

5.Реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны:

[E² ~ P]* Na₃ + 2 К⁺ → [E² ~ P]* К₂ + 3 Na⁺.

6.Обратное конформационное изменение комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки:

[E² ~ P]* К₂ → [E¹ ~ P]* К₂.

7.Возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р):

[E¹ ~ P]* К₂ → Е + Р + 2 К⁺.

Рис.5.11.Рабочий цикл фермента К⁺-Na⁺-АТФазы (1 – большая субъединица фермента; 2 – малая субъединица; Р – фосфат.).

К⁺-Na⁺-АТФаза состоит из двух полипептидных цепей с молекулярной массой 84 000 и 5 700, которые формируют большую и малую субъединицы фермента. Белок прочно связан с фосфолипидами, полное удаление которых из мембран приводит к исчезновению АТФазной активности.

Катионы Na⁺ и К⁺ одновременно с разными субъединицами, между которыми возможен обмен катионами. Na⁺- связывающие центры находятся в большой субъединице фермента. Ионообменная полость открывается с внутренней поверхности мембраны, а внешний вход в эту полость (канал) закрыт гидрофобным контактом липидов и белков.

Гидролитический центр расположен на большой субъединице с внутренней стороны мембраны. В исходном состоянии ионообменные полости субъединиц могут заполняться катионами только из примембранных слоев. Эти полости из-за стерических затруднений могут вмещать три иона натрия и только два иона калия.

Конформационное состояние фермента определяет специфичность связывания ионов большой субъединицей. Для образования стабильного фосфорилированного комплекса необходимо, чтобы с большой субъединицей были связаны три иона натрия. Присоединение АТФ индуцирует конформационные изменения, в результате которых сродство большой субъединицы к Na⁺ значительно возрастает. Одновременно увеличивается отрицательный заряд ионообменной полости за счет близко расположенной фосфатной группы АТФ.

В результате ионного обмена с внутриклеточной средой оказываются связанными три иона натрия, а затем происходит фосфорилирование большой субъединицы. В результате последующих конформационных перестроек три иона натрия оказываются замкнутыми в ионообменной полости большой субъединицы. На этой стадии сродство большой субъединицы к натрию понижается, а к калию возрастает. Фермент переходит в стабильное состояние.

Дальнейшее протекание реакции связано с участием малой субъединицы. Субъединицы фермента могут незначительно смещаться друг относительно друга в результате теплового движения. Когда полость малой субъединицы совмещается с полостью большой, между ними происходит обмен катионами.

Замена трех катионов натрия на два калия в большой субъединице вновь приводит к возникновению конформационно неравновесного состояния. Уменьшение числа положительных зарядов в полости большой субъединицы сопровождается исчезновением большого активационного барьера. Этот барьер препятствует дефосфорилированию фермента и и отщеплению отрицательно заряженной фосфатной группы. При этом происходит открывание полости большой субъединицы во внутриклеточную среду. После диссоциации АДФ и Р фермент возвращается в исходное состояние.

Активный перенос ионов калия и натрия имеет большое значение при проведении нервного импульса. На транспорт этих ионов затрачивается энергия ∆G = 41,2 кДж/моль; примерно такая же энергия выделяется при гидролизе 1 моль АТФ до АДФ и фосфата: ∆G = − 36,0 кДж/моль.