Реферати. Робота іонних насосів
Робота іонних насосів
Коли м'яз скорочується, то на це витрачається енергія. Це зрозуміло. Одним з показників витрати енергії є споживання кисню. Але виявляється, що кисень споживається і спочиває м'язом або нервом. У 1932 р М. Березина, яка працювала в лабораторії англійської біофізика А. Хілла, показала, наприклад, що нерв краба в спокої споживає 50% тієї кількості кисню, який потрібен йому при посиленій роботі. У зв'язку з цими даними Хілл писав: «Таким чином, нічого не роблячи, а просто перебуваючи в стані готовності до відповіді, нерв споживає близько половини тієї енергії, яку він використовує при максимальному відповіді». Зараз достовірно відомо, що ця енергія в основному витрачається га підтримку іонних концентрацій, а отже, і на підтримку потенціалу спокою.
Нагадаємо, що ПП в основному створюється за рахунок різниці концентрацій калію усередині клітини, де його багато, і поза клітиною, де його мало. Але мембрана проникна, хоча і в невеликій мірі, також і для іонів натрію. Іони натрію повинні проникати всередину клітини за градієнтом потенціалу, а назовні замість них повинні виходити іони калію. За рахунок цього процесу ПП повинен поступово знижуватися. Однак в живих організмах цього ие відбувається. Існує якийсь механізм, який весь час підтримує ПП, а значить і різниця концентрацій калію усередині і поза кліткою. Цей механізм повинен переміщати іони калію всередину клітини, тобто туди, де їх концентрація вище, ніж зовні, а такі переміщення проти градієнта концентрації вимагають витрати енергії.
Непрямі дані, що показують, що енергія покоїться нерва витрачається на підтримання ПП, були отримані ще в 30-роки, коли Р. Джерард показав, що величина ПП в нервовому волокні прямо залежить від вмісту кисню в омиває волокно середовищі.
Вивчення механізму підтримки іонної концентрації є одним із важливих завдань біоенергетики - розділу молекулярної біології. Біоенергетика, яка вивчає, звідки жива клітина отримує енергію і на що її витрачає, виявилася дуже тісно пов'язаної з електробіологіей. Які ж молекулярні механізми підтримки іонних концентрацій?
Ми вже говорили, що в зовнішню клітинну мембрану вбудовані різного роду білкові молекули. Виявляється, деякі з цих молекул грають роль своєрідних насосів, «закінчуючи» іони калію всередину клітини і викачуючи іони натрію назовні. Вони так і називаються - «іонні насоси». Ці білки, дуже складно влаштовані, являють собою справжню молекулярну машину, яка вміє робити дивовижні речі. Наприклад, показано, що вона має два активних центру, одним з яких може захоплювати іон калію, а іншим - натрію. Знайдено також і «паливо», на якому працює ця машина. Це особливе хімічна сполука - аденозинтрифосфорная кислота. Відомий також «коефіцієнт корисної дії» цього палива: досліди з радіоактивними ізотопами показали, що енергії розпаду однієї молекули АТФ досить для викачування назовні трьох іонів натрію і закачування всередину клітини двох іонів калію. Як працює ця молекулярна машина, точно не відомо, але можна уявити собі, наприклад, таку схему. Захопивши одним активним центром із зовнішнього середовища іон калію, а іншим - з внутрішньої - іон натрію, вона, споживаючи АТФ, повертається всередині мембрани на 180 °. Іон натрію виявляється поза клітиною і там відділяється, а іон калію потрапляє всередину і теж звільняється, після чого молекула білка приймає вихідне положення і все починається спочатку. Цей білок, відкритий в 1957 р С. Скоу, зазвичай називають натрій-калієвих насосом.
Якщо припинити подачу кисню до клітини, то в ній через деякий час зникає АТФ і припиняється перекачування калію і натрію; тоді різниці концентрацій починають вирівнюватися і ПП починає падати. Якщо в таку клітину ввести АТФ, то насос відновлює роботу і ПП відновлюється. Це і пояснює досліди Дже-рарда.
Ми знаємо, що процеси в організмі регулюються. Серце бігуна б'ється втричі частіше, ніж у спокійно сидячої людини. Робота серця регулюється нервовою системою. А чи можна якось регулювати роботу молекули, управляти молекулярної машиною?
Виявилося, що робота іонних насосів управляється концентрацією іонів всередині клітини і поза нею. При цьому робота насоса прискорюється надлишком іонів калію зовні клітини або надлишком іонів натрію всередині клітини.
Оскільки натрій-калієвий насос викачує назовні більше іонів натрію, ніж закачує всередину іонів калію, він змінює не тільки концентрацію цих іонів, але і мембранний потенціал. Тому натрій-калієвий насос називають Електрогене насосом. У кожному циклі роботи насос викидає назовні зайвий іон натрію і тим самим гіперполяризуючий мембрану. Після одного або декількох ПД в клітці виявляється надлишок Ка +; це активує роботу насоса. Інтенсивно викачуючи натрій, насос може помітно гіперполярізовать мембрану: МП може на 20 мВ перевищувати ПП за рахунок роботи насоса. Таким чином, насоси не тільки впливають на концентрації іонів, але можуть бути і джерелами помітною різниці потенціалів.
Ми з вами коротко ознайомилися з роботою одного з мембранних білків - натрій-калієвого насоса. Надалі нам доведеться говорити про багато інших мембранні білки. Але одне важливе зауваження можна зробити вже після цього першого прикладу. До сих пір ми розглядали такі процеси, які протікали абсолютно однаково і в фізичних, і в біологічних системах. ПП виникає абсолютно однаково і на напівпроникною мембрані нервового волокна, і на напівпроникною стінці глиняного трубки. Тепер ми в перший раз зіткнулися з таким явищем, яке не зустрічається в фізиці, так як воно є результатом біологічної еволюції. Це машина, розміром всього в одну молекулу, перекачує іони через мембрану. Робота цієї машини може регулюватися як поставками енергії, так і ситуацією в навколишньому середовищі. З різними молекулярними машинами ми неодноразово зустрінемося в подальшому.
Які ще бувають насоси?
Найважливішу роль в здійсненні самих різних клітинних функцій грає іон кальцію. У спокої всередині клітини дуже мало іонів вільного кальцію в порівнянні з навколишнім середовищем - всього 10
е благаючи. Під впливом тих чи інших впливів кальцій може потрапляти в клітку, але потім повинен бути вилучений з цитоплазми. Якщо висока концентрація кальцію в клітці не усувається, клітина через деякий час гине, Тому клітини дуже ретельно стежать за внутрішньоклітинної концентрацією кальцію. У клітинній мембрані є спеціальний кальцієвий насос, викачують іони кальцію в зовнішнє середовище. Цей насос електронейтрален: він обмінює іон кальцію на два протона.
В особливому становищі перебувають м'язові клітини. Для м'язового скорочення необхідно багато іонів кальцію, і його треба доставляти до кожної з білкових фібрил, які пронизують все тіло клітини *). Його треба швидко доставляти, а потім так само швидко прибирати від фібрил, щоб м'яз могла розслабитися. Якби кальцій поступав і віддалявся через зовнішню мембрану клітини, таке швидке його переміщення було б неможливим. М'язові клітини знайшли вихід з положення. Усередині них є розгалужена система порожнин і трубочок »освічених спеціальної внутрішньої мембраною. У цих порожнинах і зберігається кальцій, туди ж він забирається для розслаблення м'язи. Вся ця внутрішня мембрана густо покрита молекулами - молекулами кальцієвого насоса. Концентрація кальцію в порожнинах в розслабленому м'язі в тисячі разів вище, ніж в інших частинах клітини. Робота насоса обходиться клітці недешево: на перенесення двох іонів кальцію насос витрачає одну молекулу АТФ.
На цьому прикладі ми бачимо, що молекулярні машіпі можуть працювати не тільки на зовнішній мембрані клітини, але і на її внутрішніх мембранах.
Іонні насоси є не тільки в клітинах тварин. Наприклад, у гриба нейроспори виявлений електрогенний іонний насос, який працює на енергії АТФ і може створювати на мембрані гриба різниця потенціалів в 200 мВ за рахунок енергійного викачування протонів з клітки. У галобактерій виявлений протонний насос, що працює на енергії світла. Цікаво, що білок, який утворює цей насос, дуже схожий за будовою з родопсином рецепторів сітківки.
А тепер зверніть увагу на те, як далеко ми раптом пішли від нервового волокна або м'язи, з якими працювали і Гальвані, і Дюбуа-Реймон, і покоління інших електрофізіологів. Раптом мова пішла про бактеріях і грибах, а могла з таким же успіхом піти і про клітинах рослин.
У біології дуже важливо порівнювати між собою різні об'єкти, щоб уберегтися від помилкових висновків, перенесення властивостей одного тваринного на весь органічний світ. І що ж показало таке порівняльне вивчення? Виявилося, що всі клітини мають ПП! Причому у різних клітин він може створюватися різними способами: в нервовому волокні - за рахунок градієнта концентрації калію, а у гриба нейроспори - за рахунок роботи протонної помпи.
Ми знаємо, що у нервових і м'язових клітин їх мембранний потенціал якось використовується для передачі сигналів і скорочення. Але навіщо потрібен ПП клітинам бактерій або грибів?
Навіщо невозбудімості клітинам потенціал спокою?
Повернемося на хвилинку до клітин тварин. Адже і у тварин крім нервів і м'язів є і клітини печінки, і клітини желудкаА і клітини шкіри. Навіщо потрібен їм ПП?
До сих пір, коли ми говорили про рух речовин через клітинну мембрану, ми в основному розглядали або воду, або іони. Але всім клітинам необхідно отримувати поживні речовини, наприклад цукру, або амінокислоти для побудови клітинних білків. Самі по собі ці речовини дуже погано проходять через ліпідні плівки. Як же вони потрапляють в клітини? Виявилося, що, як правило, вони проходять всередину клітин тоді, коли на клітинній мембрані є потенціал, а в навколишньому середовищі - іони натрію. Чому?
Тут ми стикаємося з новим класом молекулярних машин білків-переносників і з явищем електричного транспорту. Ці білки приєднують до себе на зовнішній частині мембрани молекулу і іон натрію, набуваючи позитивний заряд. Тоді електричне поле втягує переносник до внутрішньої поверхні мембрани, де він відокремлює цукор і натрій. Потім білок-переносник знову проходить через рідку липидную мембрану на поверхню, де захоплює нові молекули цукру і натрій. Зайвий натрій, який потрапляє всередину клітини, відкачується назовні натрієвих насосом.
Отже, тепер ми розуміємо, що потужне електричне поле в мембрані створюється не дарма: клітка, що володіє ПП, може ефективно втягувати всередину позитивно заряджені молекули або комплекси молекул. Молекула цукру сама по собі не несе заряд, а переносник не приєднуватися іон натрію, поки цукор не займе своє місце. Можна сказати, що переносник грає роль карети, цукор - вершника, а натрій - роль конячки, хоча він не сам викликає рух, а його втягує в клітку електричне поле. Для поглинання з середовища різних Сахаров або різних амінокислот клітина має і різні білки-переносники. Переносники у бактерій доставляють в клітку цукру не з іоном натрію, а з іоном водню.
Таким чином, мембранний потенціал використовується всіма клітинами для електричного транспорту різних речовин.
Електричний транспорт може бути використаний і для видалення деяких речовин з клітини. Наведемо приклад. Ми вже говорили, що надлишок кальцію в клітині небезпечний для неї. Якщо кальцію в клітку потрапило багато і кальцієвий насос не справляється з його видаленням, включається особлива аварійна система і в справу вступає білок-переносник. Він приєднує всередині іон кальцію, а зовні - три іона натрію і переносить кальцій назовні, а натрій - всередину клітини. На відміну від натрій-калієвого насоса, який використовує енергію АТФ, цей кальцієвий переносник працює як електромотор, використовуючи енергію мембранного потенціалу. Правда, при кожному циклі роботи всередину клітини тут потрапляють три іона натрію, але це не так страшно, як потрапляння іонів кальцію.