Транспорт через мембрану клетки (стр. 2 из 2)
АТФазы плазматической мембраны
Кальциевые АТФазы встречаются также в плазматической мембране любой клетки. За исключением некоторых деталей, строение и функция этих АТФаз не отличается от кальциевых АТФаз эндоплазматического и саркоплазматического ретикулумов. Внутриклеточное место связывания обладает высоким сродством к кальцию, однако во время транспортного цикла происходит связывание всего одного иона кальция. Концентрация АТФаз в плазматической мембране нейронов и мышечных клеток довольно низка, поэтому эффективность этой транспортной системы не слишком высока. Тем не менее, с задачей устранения входящего в клетку кальция она справляется.
Натрий-кальциевый обменник
Во многих механизмах ионного транспорта используется совершенно иной принцип переноса ионов через мембрану против электрохимического градиента. Вместо энергии расщепленной молекулы АТФ эти механизмы используют энергию уже существующего перемещения ионов натрия в направлении их концентрационного градиента, то есть внутрь клетки.
Один из примеров - натрий-протоновый обменник, переносящий ионы в соотношении 1: 1 и участвующий в поддержании внутриклеточного рН. Протоны переносятся из клетки наружу вопреки электрохимическому градиенту в обмен на ионы натрия, перемещаемые внутрь клетки.
Подобным же образом переносятся кальций, калий, бикарбонат и хлор. В результате работы этих вторичных транспортных механизмов, в состоянии покоя внутрь клетки попадает значительное количество натрия. Тем более важна роль натрий-калиевых обменников, выводящих натрий обратно во внеклеточную среду.
В некоторых случаях механизмами вторичного активного транспорта используется энергия перемещения ионов калия в направлении их электрохимического градиента.
Транспортные системы натрий-кальциевого обмена
Существуют по крайней мере два механизма натрий-кальциевого обмена. Наиболее часто встречаются обменники типа NCX (Na-Са exchange), которые были впервые описаны в сердечной мышце, нерве краба и аксоне кальмара. При переносе транспортной молекулой одного иона кальция наружу происходит перенос трех ионов натрия внутрь клетки. Несмотря на то, что сродство NCX к кальцию ниже, чем у кальциевой АТФазы, общая мощность этого транспортного механизма выше приблизительно в 50 раз, поскольку плотность таких молекул в мембране значительно выше. NCX играют важную роль в условиях повышенного входа кальция в клетку, вызванного электрической активностью и превышающего возможности АТФаз по устранению избыточного кальция из клетки.
Для измерения внутриклеточной концентрации кальция использовали флуоресцентную молекулу экворин (aequorin). В состоянии покоя вход кальция в направлении электрохимического градиента уравновешивается за счет переноса ионов из клетки ионным обменником. В начале опыта внутриклеточная концентрация кальция высока потому, что уровень кальция снаружи аксона повышен (112 ммоль).
При снижении внеклеточной концентрации снижается и пассивный вход кальция в аксон. В результате снижается внутриклеточная концентрация кальция, и движущая сила для этого иона возрастает до тех пор, пока скорость пассивного тока вновь не сравняется со скоростью выброса кальция.
С другой стороны, снижение внеклеточной концентрации натрия приводит к увеличению внутриклеточной концентрации кальция, поскольку обменник медленнее выводит кальций в условиях сниженной движущей силы для натрия.
Поэтому происходит повышение внутриклеточного уровня кальция, снижающее скорость входа кальция в клетку. Замена ионов кальция ионами лития, не способными участвовать в работе обменника, приводит к дальнейшему повышению внутриклеточной концентрации кальция.
Реверсия направления работы NCX
Изменение градиентов для одного или нескольких ионов, участвующих в работе обменника, может привести к перемене направления его работы. Интересно, что в случае NCX такая смена направления может произойти в физиологических условиях. При этом кальций будет переноситься внутрь клетки, а натрий - выводиться из нее. Направление работы NCX определяется разницей между энергией, выделяемой при перемещении трех ионов натрия внутрь клетки, и энергией, необходимой для переноса одного иона кальция наружу. Одним из факторов, определяющих этот энергетический баланс, является мембранный потенциал. Влияние потенциала мембраны обусловлено тем, что процесс ионообмена не является электрически нейтральным. Вследствие каждого прямого цикла работы обменника, через мембрану внутрь клетки переносится один положительный заряд. Следовательно, гиперполяризация мембраны облегчает прямой цикл обменника, в то время как деполяризация его затрудняет и может привести к изменению направления, то есть к работе обменника в режиме обратного цикла. Следует подчеркнуть, что, несмотря на отсутствие электрической нейтральности, обменники не являются электрогенными. В отличие от насосов, они работают за счет электрохимических градиентов, а не производят их.
Энергия, выделяемая за счет входа ионов натрия в клетку (или энергия, необходимая для переноса этих ионов наружу), равна про изведению заряда на разность между равновесным потенциалом для натрия (ENa) и мембранным потенциалом (Vm). Для трех ионов натрия эта энергия будет равна 3 (. ENa - Vm). Соответственно, для одного двухвалентного иона кальция энергия переноса будет равна 2 (ЕСа-Vm). При определенном значении мембранного потенциала уровни энергии сравняются и перенос прекратится. Обозначив это значение через потенциал реверсии Vr, получим
или 
При значениях потенциала более отрицательных, чем потенциал реверсии, натрий перемещается внутрь клетки, а кальций - наружу. При более положительных значениях направление движения ионов сменяется на обратное.
Предположим, что концентрации натрия и кальция в клетке принимают значения 15 ммоль и 100 нМ соответственно, а во внеклеточной среде находится 150 ммоль натрия и 2 ммоль кальция. Такие значения вполне вероятны для клеток млекопитающих. По уравнению Нернста, равновесный потенциал для натрия будет +58 мВ, а для кальция +124 мВ. Потенциал реверсии, при котором движение ионов через обменник прекратится, будет - 74 мВ. Это значение близко к потенциалу покоя многих клеток млекопитающих. Следовательно, в отдельно взятой клетке направление ионообмена может быть как прямым, так и обратным, в зависимости от текущего значения мембранного потенциала и от того, происходило ли накопление ионов натрия или кальция в этой клетке. В клетках сердечной мышцы вход кальция через NCX в ходе потенциала действия способен вызвать сокращение мышцы, а его последующий вывод из клетки посредством того же NCX способствует релаксации.
Натрий-кальциевый обменник в палочках сетчатки
Для клеток с низкими значениями потенциала покоя NCX не представляется надежной системой вывода кальция из цитоплазмы. В таких клетках кальций сначала будет накапливаться до некоторого, достаточно высокого, уровня. Примером такой клетки может служить палочка сетчатки млекопитающих, мембранный потенциал покоя которой обычно находится на уровне - 40 мВ. В мембране таких клеток встречается другой тип натрий-кальциевого обменника, RetX. По сравнению с NCX дополнительная энергия для переноса кальция получается за счет двух отличий в стехиометрии RetX. Во-первых, вместо трех ионов натрия через RetX проходят четыре. Во-вторых, в работе обменника участвует ион калия, также перемещающийся в направлении своего электрохимического градиента и, следовательно, выделяющий при этом дополнительную энергию. Уравнение потенциала реверсии натрий--калий-кальциевого обменника имеет следующий вид:
Исходя из подсчитанных выше значений ЕNa и ECaи принимая значение ЕKза - 90 мВ, получим из уравнения Нернста Vr. = +74 мВ. Очевидно, что вероятность реверсии ионообмена через RetX весьма мала.
Для лучшего понимания работы RetX представляется целесообразным задать следующий вопрос: какое значение должен принять равновесный потенциал ЕCaдля того, чтобы Vrсравнялся с потенциалом покоя клетки, т.е. - 40 мВ. С помощью того же уравнения получим 181 мВ, что при внеклеточной концентрации кальция 2ммоль дает значение внутриклеточной концентрации 1 нМ. Другими словами, при мембранном потенциале - 40 мВ обменник RetX обладает достаточной энергией для того, чтобы снизить уровень кальция внутри клетки до 1 нМ. Интересно отметить, что при тех же условиях NCX способен понизить внутриклеточную концентрацию кальция только до 383 нМ.
Литература
1. Баранцев Р.Г., Андрианов И.В., Маневич Л.И. Асимптотология - путь к целостной простоте.
2. Пригожин И., Николис Г. Познание сложного. Введение.
3. Пригожин И., Гленсдорф П. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации