8. Активный транспорт. Физический механизм активного транспорта.

Активный транспорт – перенос молекул и ионов, который происходит при затрате химической энергии в направлении от меньших значений величин к большим. При этом нейтральные молекулы переносятся в область большей концентрацией, а ионы переносятся против сил, действующих на них со стороны электрического поля.

Таким образом, активным транспортом осуществляется перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен был бы происходить под действием градиентов (прежде всего концентрационного и электрического). Энергия получается за счет гидролиза молекул особого химического соединения – аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану.

При работе К⁺ - Na⁺ АТФ-азы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия, и одновременно из клетки выкачивается три иона натрия.

В Ca²⁺ - АТФ-азе за счет энергии гидролиза АТФ переносятся два иона кальция, а в Н⁺ - помпе – два протона.

Рассмотрим одну из схем активного транспорта (калий-натриевый насос рис. 9)

Рис.9.

Захватив одним активным центром ион калия из наружной среды, а другим ион натрия – из внутренней, система, потребляя АТФ, поворачивается внутри мембраны на 180⁰. Ион натрия оказывается вне клетки и там отделяется, а ион калия попадает внутрь и тоже освобождается, после чего молекула белка принимает исходное положение и все начинается сначала.

За счет активного транспорта клетка поддерживает внутри себя высокую концентрацию калия и низкую концентрацию натрия.

Активный транспорт обеспечивает механизм селективной проницаемости клеточных мембран.

9. Транспорт через сложные биологические мембраны. Опыт Уссинга.

Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки.

Схема опытов Уссинга (рис. 10) представляет собой камеру, заполненную нормальным раствором Рингера и разделенную на две части свежеизолированной кожей лягушки.

Рис.10.

На рисунке слева – наружная мукозная поверхность кожи, справа – внутренняя серозная. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки: слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа на лево от внутренней к наружной поверхности.

Из уравнения Теорелла, описывающего пассивный транспорт, следует уравнение Уссинга-Теорелла для отношения этих потоков в случае пассивного транспорта:

j _m,вн / j _m,нар = (с _нар/с _вн )^. е ^zF∆φ/RT

На коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникает разность потенциалов (φ_вн -φ_нар) – внутренняя сторона имеет положительный потенциал по отношению к наружной. В установке Уссинга имеется блок компенсации напряжения, с помощью которого устанавливается разность потенциалов на коже лягушки, равная нулю, что контролируется вольтметром.

Кроме того, поддерживалась одинаковая концентрация ионов с наружной и внутренней стороны с _нар = с _вн.

При этих условиях, если бы перенос натрия через кожу лягушки определялся только пассивным транспортом, то согласно уравнению Уссинга-Теорелла потоки j _m,вн и j _m,нар были равны друг другу: j _m,вн = j _m,нар. Суммарный поток через мембрану был бы равен нулю.

Однако, обнаружено с помощью амперметра, что в условиях опыта через кожу лягушки течет электрический ток I, следовательно, происходит односторонний перенос заряженных частиц. Установлено, что ток через кожу течет от внешней среды к внутренней.

Методом меченых атомов было показано, что поток натрия внутри больше потока наружу j _m,вн > j _m,нар. Для этого в левый раствор экспериментальной камеры были включены радиоактивные изотопы Nа²², а в правый - Nа²⁴ . Изотоп Nа²² распадается с излучением жестких γ - квантов. Распад Nа²⁴ сопровождается мягким β - излучением. Регистрация γ и β - излучения показала, что поток Nа²² больше потока Nа²⁴.

Эти экспериментальные данные неопровержимо доказывали, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняются уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный транспорт.

Активный транспорт веществ через биологические мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., поддерживающие жизненные процессы, то есть с точки зрения термодинамики активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь.