Первичный транспорт

Первичный транспорт - это такой транспорт, когда энергия расходуется непосредственно на перенос частиц. Он включает, во-первых, перенос отдельных ионов вопреки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов, во-вторых, эндоцитоз, экзоцитоз и трансцитоз (микровезикулярный транспорт).

А. Транспорт веществ с помощью насосов (помп). Насосы представляют собой белковые молекулы, обладающие свойствами переносчика и АТФазной активностью. Непосредственным источником энергии являются АТФ. Достаточно хорошо изучены Na/K.-, Са- и Н- насосы. Есть основание предполагать наличие и Cl-насоса, о чем свидетельствуют определенные факты. Рассмотрим основные характеристики насосов.

1. Специфичность насосов заключается в том, что они обычно переносят какой-то определенный ион или 2 иона. Например, Na/K-насос (объединенный насос для Na⁺ и К⁺) не способен переносить ион лития, хотя по своим свойствам последний очень близок к натрию.

2. Характеристика отдельных насосов. Натрий-калиевый насос (Na/K-АТФаза) - это интегральный белок клеточной мембраны, обладающий, как и все другие насосы, свойствами фермента, т.е. сам переносчик обеспечивает расщеплениеАТФ и освобождение энергии, которую он же сам использует. Этот насос изучен наиболее хорошо, он имеется в мембранах всех клеток и создает характерный признак живого - градиент концентрации Na⁺и К⁺внутри и вне клетки, что обеспечивает формирование мембранного потенциала и вторичный транспорт веществ. Главными активаторами насоса являются гормоны (альдостерон, тироксин), ингибирует насос недостаток энергии (кислородное голодание), его специфическими блокаторами служат строфантины, особенно уабаин. Работа натриевого насоса после удаления К⁺из среды сильно нарушается. Кальциевый насос локализуется в эндоплазматическом ретикулуме, он обеспечивает транспорт ионов Са²⁺. Насос строго контролирует содержание ионов Са²⁺ в клетке, поскольку изменение уровня Са²⁺ нарушает ее функцию. Насос переносит ионы Са²⁺ либо во внеклеточную среду, либо в цистерны ретикулума и митохондрии (внутриклеточное депо ионов Са²⁺). Протонный насос работает в митохондриях нейрона, хлорный насос, подобно всем другим помпам, главную роль, очевидно, играет в процессах торможения ЦНС (см. раздел 4.8).

3. Постоянная работа насосов необходима для поддержания концентрационных градиентов ионов, связанного с ними электрического заряда клетки и движения воды и незаряженных частиц в клетку и из клетки вторично активно согласно законам диффузии и осмоса. Совокупность этих процессов обеспечивает жизнедеятельность нейрона, как и любой другой клетки. В результате разной проницаемости клеточной мембраны для различных ионов и постоянной работы ионных помп концентрация ионов внутри и снаружи клетки неодинакова. Ионы являются заряженными частицами, поэтому существует электрический заряд нейрона. Почти во всех изученных клетках внутреннее содержимое их заряжено отрицательно по отношению к внешней среде, т.е. внутри клетки преобладают отрицательные ионы, а снаружи - положительные.

Ионы К'¹" находятся преимущественно в клетке, а ионы Na⁺ и Сl^- - во внеклеточной жидкости. Внутри клетки расположены также крупномолекулярные (в основном белкового происхождения) анионы. Na/K-насос транспортирует не только ионы Na⁺ и K ⁺, но и другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты (см. раздел 2.6.3). Более трети энергии АТФ, потребляемой клеткой в состоянии покоя, расходуется на перенос только ионов Na⁺ и K ⁺.

Это обеспечивает сохранение клеточного объема (осморегуляция), поддержание электрической активности в нервных клетках, транспорт других веществ.

Таким образом, первичный транспорт ионов играет исключительно важную роль в жизнедеятельности клеток.

4. Механизм работы ионных насосов заключается в следующем. Na/K-насос - молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны, переносит за один цикл 3 иона Na ⁺ из клетки и 2 иона K ⁺ в клетку (антипорт - противотранспорт). Это осуществляется в результате конформации молекулы белка в форму E₁ или E₂. Молекула имеет участок, который связывает либо ион Na ⁺, либо ион K⁺, - это активный участок. При конформации E₁ белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и обладает сродством к иону Na⁺, который присоединяется к белку, в результате чего активируется его АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и освобождение энергии. В результате освобождения энергии изменяется конформация молекулы белка: она превращается в форму E₂, в результате чего активный ее участок уже обращен наружу клеточной мембраны. Теперь белок теряет сродство к иону Na ⁺, последний отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к иону K⁺ и соединяется с ним. Это ведет снова к изменению конформации переносчика: форма E₂ переходит в форму E₁, активный участок белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону K⁺ и последний отщепляется, а белок приобретает снова сродство к иону Na⁺ - цикл повторяется. Насос является электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Na⁺ а возвращаются в клетку 2 иона K⁺. Энергия расходуется только на перенос ионов Na⁺. На обеспечение одного цикла работы Na/K - помпы расходуется одна молекула АТФ.

Подобным образом работают Са-АТФазы эндоплазматического ретикулума и клеточной мембраны, с той лишь разницей, что переносятся только ионы Сa²⁺ и в одном направлении - из гиалоплазмы в эндоплазматический ретикулум, а также наружу клетки. Кальциевый насос (Са-АТФаза) - молекула интегрального белка, также имеет активный участок, связывающий один или два иона Сa²⁺ и может быть в двух конформациях - E₁ и E₂. В конформации E₁ активный участок молекулы белка обращен в гиалоплазму, обладает сродством к иону Сa²⁺ и соединяется с ним. В результате этого переходит в конформацию E₂, когда активный участок молекулы белка обращен внутрь эндоплазматического ретикулума или наружу клетки. При этом уменьшается сродство белка к иону Сa²⁺, последний отщепляется от него. В присутствии иона Mg²⁺ освобождается энергия АТФ, за счет которой молекула белка Са-АТФазы вновь переходит в конформацию E₁; цикл повторяется.