5.3.1 Натрій - калієвий насос
Відповідно до сучасних уявлень, в біологічних мембранах є іонні насоси. що працюють за рахунок вільної енергії гідролізу АТФ. Це спеціальні системи інтегральних білків - транспортні АТФази. В даний час відомі три типи електрогенних іонних насосів, які здійснюють активний транспорт іонів через мембрану (ріс.5.10).
Ріс.5.10.Віди іонних насосів: 1 - К + -Na + -АТФаза в цитоплазматичних мембранах (К + -Na + - насос); 2 - Са 2+ -АТФаза (Са 2+ - насос); 3 - Н + -АТФаза в енергосопрягающіх мембранах мітохондрій і хлоропластів (Н + -насос).
Перенесення іонів транспортними АТФаза відбувається внаслідок реакції сполучення даного процесу з хімічними реакціями розпаду АТФ, тобто за рахунок енергії метаболізму клітин. При роботі До + -Na + -АТФази за рахунок енергії, що звільняється при гідролізі АТФ, в клітку переноситься два іона калію і одночасно з клітки викачуються три іона натрію. Таким чином, створюється підвищена в порівнянні з міжклітинної середовищем концентрація в клітині іонів калію і знижена натрію.
Механізм роботи іонних насосів детально вивчений на прикладі К + -Na + -АТФази. (Рис. 5.11). Процес роботи даного ферменту полягає в наступному (Е - фермент; Е 1 і Е 2 - відповідають розташуванню активного центру ферменту на внутрішньо і зовнішньої поверхні мембрани відповідно; зірочкою позначений активний комплекс).
1.Взаімодействіе ферменту з АТФ і утворення активного комплексу на внутрішній поверхні мембрани (ця реакція активується катіонами магнію):
Е + АТФ → Е * АТФ.
2.Связиваніе комплексом трьох іонів натрію:
Е * АТФ + 3 Na + → [Е * АТФ] * Na3.
3.Фосфорілірованіе ферменту з утворенням АДФ:
4.Конформаціонное зміна ферменту всередині мембрани:
5.Реакція іонного обміну натрію на калій, що відбувається на зовнішній поверхні мембрани:
P] * Na3 + 2 К + → [E 2
6.Обратное конформационное зміна комплексу з переносом іонів калію всередину клітини:
7.Возвращеніе ферменту в початковий стан після визволення іонів калію і неорганічного фосфату (Р):
Ріс.5.11.Рабочій цикл ферменту К + -Na + -АТФази (1 - велика субодиниця ферменту; 2 - мала субодиниця; Р - фосфат.).
До + -Na + -АТФаза складається з двох поліпептидних ланцюгів з молекулярною масою 84 000 та 5 700, що формують велику і малу субодиниці ферменту. Білок міцно пов'язаний з фосфоліпідами, повне видалення яких з мембран призводить до зникнення АТФазной активності.
Гідролітичні центр розташований на великій субодиниці з внутрішньої сторони мембрани. У початковому стані іонообмінні порожнини субодиниць можуть заповнюватися катіонами тільки з примембранних шарів. Ці порожнини через стеріческіх труднощів можуть вміщати три іона натрію і тільки два іона калію.
Конформационное стан ферменту визначає специфічність зв'язування іонів великий субодиницею. Для утворення стабільного фосфорилированного комплексу необхідно, щоб з великою субодиницею були пов'язані три іона натрію. Приєднання АТФ індукує конформаційні зміни, в результаті яких спорідненість великої субодиниці до Na + значно зростає. Одночасно збільшується негативний заряд ионообменной порожнини за рахунок близько розташованої фосфатної групи АТФ.
В результаті іонного обміну з внутрішньоклітинної середовищем виявляються пов'язаними три іона натрію, а потім відбувається фосфорилювання великої субодиниці. В результаті подальших конформаційних перебудов три іона натрію виявляються замкнутими в ионообменной порожнини великої субодиниці. На цій стадії спорідненість великої субодиниці до натрію знижується, а до калію зростає. Фермент переходить в стабільний стан.
Подальше протікання реакції пов'язане з участю малої субодиниці. Субодиниці ферменту можуть незначно зміщуватися один щодо одного в результаті теплового руху. Коли порожнину малої субодиниці поєднується з порожниною великий, між ними відбувається обмін катіонами.
Заміна трьох катіонів натрію на два калію у великій субодиниці знову призводить до виникнення конформационно нерівноважногостану. Зменшення числа позитивних зарядів в порожнині великої субодиниці супроводжується зникненням великої активационного бар'єру. Цей бар'єр перешкоджає дефосфорілірованіе ферменту і та отщеплению негативно зарядженої фосфатної групи. При цьому відбувається відкривання порожнини великої субодиниці у внутрішньоклітинну середу. Після дисоціації АДФ і Р фермент повертається в початковий стан.
Активний перенос іонів калію і натрію має велике значення при проведенні нервового імпульсу. На транспорт цих іонів витрачається енергія # 8710; G = 41,2 кДж / моль; приблизно така ж енергія виділяється при гідролізі 1 моль АТФ до АДФ і фосфату: # 8710; G = - 36,0 кДж / моль.