5.4.2. Роль активного транспорта

 

Если рассмотреть «идеальную» мембрану (такую, например, как на рис. 5–1), пропускающую только один какой–либо ион, то мы увидим, что постоянный потенциал на ней будет поддерживаться без затрат энергии сколь угодно долго (если, конечно, проникающий ион неравномерно распределен по обе стороны мембраны).

 Это и понятно, поскольку такая система находится в состоянии термодинамического равновесия. Однако мембраны живых клеток проницаемы в той или иной степени для всех неорганических ионов, и, следовательно, клетки должны как–то поддерживать соответствующие концентрации этих ионов. Для этого они используют механизм активного транспорта некоторых ионов против их пассивного потока по направлению электрохимического градиента.

Рассмотрим, например, ион Na ⁺ . Вне– и внутриклеточная концентрации этого иона в мышцах лягушки (см. рис. 4–17) составляют соответственно 120 и 10 мМ. Зная эти величины, мы можем рассчитать равновесный потенциал для натрия:

 

E_Na = 0,058 lg 120 /10  = 0,063 В = 63 мВ.

 

Поскольку же V_M для мышц лягушки составляет от –90 до –100 мВ, для натрия отклонение от равновесного потенциала (т. е. V_M — E_Na) превышает 150 мВ. Поэтому даже та небольшая проницаемость для ионов Na ⁺ , которой обладает мембрана в состоянии покоя, приведет к постепенному притоку этих ионов в клетку под действием такого высокого потенциала. Если бы ионы Na⁺ не удалялись из клетки с такой же скоростью, с какой они туда поступают, они накапливались бы в ней и это сопровождалось бы выходом из клетки ионов К ⁺ . На самом же деле высокая концентрация ионов калия и низкая – ионов натрия в клетке поддерживается благодаря постоянному переносу Na⁺ из клетки. Этот перенос требует затрат метаболической энергии. Активное «выкачивание» Na⁺ идет с обязательным обратным «закачиванием» К⁺ ; обычно три иона натрия обмениваются на два иона калия. Поскольку же проницаемость мембраны для натрия в покое мала, обратная «утечка» Na⁺ происходит медленно, поэтому в результате работы Na ⁺–К⁺–насоса поддерживается низкая концентрация Na⁺ в клетке (примерно на порядок ниже, чем во внеклеточной среде). Проницаемость же для К ⁺ в покое велика, и этот ион свободно диффундирует через мембрану. Разумеется, при этом высокое содержание К⁺ в клетке сохраняется благодаря трансмембранной разности потенциалов, обусловленной небольшим «дефицитом» положительных зарядов в клетке, возникающим при исходно свободном перемещении К⁺ из клетки.

Если блокировать активный перенос натрия с помощью ингибиторов окислительных процессов (цианидов или азидов) или препаратов, специфически подавляющих этот перенос (например, уабаина), то Na⁺ начнет постепенно поступать в клетку, а К ⁺ – выходить из нее, и по мере снижения отношения [K⁺]_i / [K⁺]₀ потенциал покоя будет медленно уменьшаться. Таким образом, если рассматривать длительные временные интервалы, то мы увидим что именно активное удаление Na⁺ с затратами энергии метаболических процессов поддерживает трансмембранные градиенты концентрации Na⁺ и К⁺ и не дает им снижаться вплоть до полного уравновешивания. Благодаря тому, что натриевый насос постоянно поддерживает градиент концентрации калия, он играет важную косвенную роль в создании потенциала покоя (рис. 5–14).

 

 

Рис. 5.14. Схема, иллюстрирующая прямое и косвенное участие натриевого насоса в создании потенциала покоя. Поскольку этот насос работает таким образом, что, удаляя из клетки три иона Na⁺, он вводит в нее два иона К⁺, т.е. в конечном счете удаляет из клетки положительные заряды, он может вносить прямой вклад в создание потенциала покоя. Косвенная роль Na ⁺ –K ⁺ –насоса связана с тем, что он поддерживает высокую концентрацию калия во внутриклеточной среде. Основным же фактором, ответственным за создание потенциала покоя, служит высокая проницаемость мембраны для калия (по сравнению с другими ионами), благодаря которой калий диффундирует из клетки до тех пор, пока его выходу не будет препятствовать накопление в клетке отрицательных зарядов.

 

 

В некоторых клетках активный транспорт принимает также прямое участие в формировании потенциала покоя. Это обусловлено тем, что за одно и то же время больше удаляется ионов Na ⁺ , чем закачивается К⁺ (это соотношение может составлять 3:2) (рис. 5–14). В таких случаях Na ⁺ –K⁺–обменный насос называется электрогенным, поскольку он сам создает небольшой, но постоянный суммарный ток положительных зарядов из клетки, а потому вносит прямой вклад в формирование отрицательного потенциала внутри нее. Вклад электрогенного насоса в увеличение мембранного потенциала зависит от того, с какой скоростью заряды могут пассивно переходить обратно в клетку (обычно этот переход связан с диффузией через мембрану ионов К⁺ или Cl¯). Создаваемый с помощью натриевого насоса потенциал редко превышает несколько милливольт, потому что стремление положительных зарядов войти в клетку (или отрицательных выйти из нее) возрастает по мере того, как потенциал покоя становится более отрицательным, чем равновесные потенциалы для легко проникающих ионов – К ⁺ и Cl¯.

Итак, основной процесс, ответственный за создание большей части отрицательного заряда внутри клеток, – это пассивный выход К⁺ из клетки через многочисленные калиевые каналы, обусловленный высокой внутриклеточной (по сравнению с внеклеточной) концентрацией этого иона. Другие ионы (например, Na ⁺ ) участвуют в создании потенциал покоя лишь в небольшой степени, поскольку число открытых натриевых каналов в мембране в состоянии покоя невелико. Однако важнейшим (хотя и не непосредственным) условием для формирования потенциала покоя служит активное выкачивание Na⁺ с закачиванием К⁺ , т.е. работа Na⁺–К⁺–обменного насоса, потребляющего энергию метаболических процессов. Этот насос поддерживает концентрацию Na⁺ в клетке на низком уровне и тем самым создает предпосылки для того, чтобы главным внутриклеточным катионом стал К⁺. Наконец, небольшая часть потенциала покоя непосредственно обусловлена выкачиванием из клетки положительных зарядов (т.е. ионов Na ⁺ ).