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

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. 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.