Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
ATP-Цикл и биоэнергетика клетки
АТР поставляет энергию также и для активного транспорта через мембраны

Химическая энергия АТР используется также и для выполнения осмотической работы, т. е. работы, необходимой для переноса каких-либо ионов или молекул через мембрану из одного компартмента в другой, в котором их концентрация выше. Мы можем рассчитать количество свободной энергии, необходимое для переноса 1 моль неионизованного растворенного вещества через мембрану, например из окружающей среды в клетку, если нам известны концентрации растворенного вещества в несвязанной форме в окружающей среде и в клетке (рис. 14-14). Для такого расчета воспользуемся общим уравнением

Class="center">

где С₁ - молярная концентрация данного растворенного вещества в окружающей среде, С₂ - его молярная концентрация в клетке, R - газовая постоянная и Т - абсолютная Температура. Пользуясь этим уравнением, можно определить количество свободной энергии, необходимое для того, чтобы переместить 1 моль глюкозы против стократного градиента концентрации, например из среды с исходной концентрацией глюкозы 1,0 мМ в компартмент, где ее конечная концентрация составит 100 мМ. Подставляя в уравнение соответствующие значения, получаем

Рис. 14-14. Активный транспорт растворением о вещества против градиента концентрации. Начиная с момента равновесия, т.е. с того момента. когда концентрации данного растворенного вещества в обоих компартментах одинаковы, активный транспорт вещества из одного компартмента в другой обеспечивает его перемещение против градиента концентрации. Для создания и поддержания градиента концентрации какого-либо растворенною вещества между компартментами, находящимися по обе стороны мембраны, требуется затрата свободной энергии. Если энергия почему-либо перестает поступать, то вещество из компартмента с более высокой его концентрацией начинает диффундировать обратно, и диффузия продолжается до тех пор. пока снова не установится равновесие, т. е. пока концентрации вещества по обе стороны мембраны не сравняются.

Изменение свободной энергии выражается в этом случае положительной величиной, и это значит, что 2,72 ккал свободной энергии, которые требуются для переноса 1 моля глюкозы (или любого нейтрального вещества) против стократного градиента концентрации, должны быть переданы системе за счет какой-то сопряженной реакции, способной служить источником энергии.

Градиенты концентрации между двумя сторонами клеточных мембран (трансмембранные градиенты) варьируют очень сильно. Пожалуй, максимальный градиент концентрации в организме поддерживается плазматической мембраной обкладочных клеток слизистой оболочки желудка, секретирующих соляную кислоту в желудочный сок. Концентрация НС₁ в желудочном соке может достигать 0,1 М (pH 1,0), тогда как концентрация ионов Н⁺ в клетках составляет приблизительно 10^-7 М (pH 7,0). Это означает, что обкладочные Клетки обладают способностью секретировать ионы водорода даже против градиента порядка 10⁶:1. По-видимому, эти клетки имеют какие-то очень активные мембранные «насосы» для секреции ионов водорода, так как для поддержания столь высокого градиента концентрации требуется значительное количество энергии. Introduction/40.html">Перенос веществ через мембраны против градиента концентрации называют активным транспортом. Образование желудочной НС₁ стимулируется особым, связанным с мембраной ферментом - так называемой Н⁺ -транспортирующей АТРазой. При образовании желудочного сока на каждую молекулу цитозольного АТР, гидролизованного до ADP и фосфата, из цитозоля наружу через плазматическую мембрану выводятся два иона Н⁺.

Другим важным примером активного транспорта может служить перенос ионов Na⁺ и К⁺ через плазматическую мембрану во всех животных клетках. Лучше всего изучен этот процесс в эритроцитах. Установлено, что концентрация К⁺ в цитозоле эритроцитов достигает примерно 110 мМ, тогда как в плазме крови она составляет всего 3 мМ. В то же время концентрация Na⁺ в плазме крови достигает 140 мМ, а в эритроцитах она равна приблизительно 4 мМ. Для поддержания столь высоких трансмембранных градиентов требуется энергия АТР. В мембране эритроцита содержится специализированный фермент, получивший название Na⁺, К⁺-транспортирующей АТРазы, который функционирует и как фермент, и как молекулярный насос. Эта АТРаза катализирует гидролитическое расщепление АТР до ADP и фосфата, а высвобождающуюся при этом свободную энергию использует для перекачивания ионов К⁺ из окружающей среды внутрь клетки, а ионов Na⁺ из клетки в окружающую среду (рис. 14-15). Стадией, на которой происходит передача энергии в этом процессе, является перенос концевой фосфатной группы АТР на молекулу Na⁺, К⁺-АТРазы. На следующей стадии связанная с ферментом фосфатная группа отщепляется и в виде неорганического фосфата переходит в Цитозоль, обеспечивая энергией перенос Na⁺ и К⁺ через мембрану в противоположных направлениях, но в обоих случаях против градиента концентрации. Продукты этого процесса, ADP и фосфат, вновь «заряжаются», т. е. образуют АТР, за счет энергии, выделяющейся При расщеплении глюкозы. Na⁺, К⁺-АТРаза гидролизует АТР лишь в том случае, если в клетке имеются ионы Na⁺, а в окружающей среде - ионы К⁺. Молекула Na⁺, К⁺-АТРазы, состоящая из двух а- и двух ß-субъединиц, насквозь пронизывает плазматическую мембрану. Во время переноса ионов она претерпевает конформационное изменение. В почках, где ионы Na⁺ переходят в мочу, а ионы К⁺ должны удерживаться в крови, на активный перенос этих ионов расходуется почти две трети всего АТР, образующегося в процессе дыхания. В различных клеточных мембранах важную роль играют АТРазы, транспортирующие другие ионы (табл. 14-6).

Рис. 14-15. Схема, поясняющая действие Na⁺, К⁺-АТРазы. Для транспорта К⁺ в клетку (где его концентрация выше, чем в окружающей среде) и транспорта Na⁺ из клетки в окружающую среду (где концентрация этих ионов выше, чем в клетке) требуется свободная энергия. Источником ее служит Гидролиз АТР. На каждую молекулу АТР, гидролизованного до ADP и Р_і, из клетки выходят три иона Na⁺ и два иона К⁺ поступают в нее из окружающей среды. Этот транспорт ионов включает два этапа. На первом этапе молекула АТРазы фосфорилируется под действием АТР. и это позволяет ей присоединить ион Na⁺. На втором этапе присоединяется ион К⁺, следствием чего оказывается перенос Na⁺ и К⁺ через мембрану с отщеплением свободного фосфата, поступающего в цитозоль. АТР и продукты его гидролиза (ADP и Р_і) остаются в клетке.