Активный транспорт. 
Биохимия

Активный (т. е. энергозависимый) транспорт молекул через мембрану против градиента концентрации осуществляется при участии мембранных белков, использующих для процесса транслокации энергию гидролиза АТФ. В отличие от пассивного транспорта, который идет самопроизвольно, белки-переносчики должны не только транспортировать молекулу через мембрану, но и обладать АТФ-азным действием, т. е. катализировать гидролиз АТФ, который является основным источником энергии для активного транспорта. В зависимости от способа использования энергии для транспорта молекул выделяют первичнои вторично-активный транспорт.

При первично-активном транспорте донором энергии является непосредственно молекула АТФ и процесс переноса вещества через мембрану сопровождается ее гидролизом.

При вторично-активном транспорте градиент ионов (Na⁺ К⁺, Н⁺ и лр.), созданный на мембране функционированием систем первично-активного транспорта, используется для транспорта других молекул, например углеводов, некоторых аминокислот, анионов и др.

Известны три основных типа первично-активного транспорта ионов:

• • натрий-калисвый насос — №⁺/К⁺-аденозинтрифосфатаза (Ыа⁺/К⁺-АТФаза), переносящий ионы натрия из клетки, а калия — в клетку;
• • кальциевый насос — Са²⁺-АТФ-аза, который транспортирует Са²⁺ из клетки или цитозоля в саркоплазматический ретикулум;
• • Н⁺-АТФ-аза — протонный насос, функционирующий в сопрягающих мембранах, в том числе в митохондриальной мембране, где Н⁺-АТФ-аза работает в обратном направлении, используя ДрН⁺, образующийся вдыхательной цепи для синтеза АТФ (гл. 15).

Для активного транспорта, как и для облегченной диффузии, характерны высокая специфичность, эффект насыщения транспортных белков транспортируемыми молекулами, когда кинетическая кривая выходит на плато, а также действие ингибиторов.

В качестве примера первично-активного транспорта можно привести транспорт, осуществляемый №⁺/К⁺-АТФ-азой, как одной из наиболее важных и широко распространенных активных транспортных систем в плазматической мембране животных клеток. Эта система, получившая название Na⁺-K*-Hacoca, отвечает за поддержание в клетке высокой концентрации К⁺ и низкой Na⁺ путем переноса К⁺ внутрь клетки, a Na⁺ из клетки наружу против градиента их концентрации и поэтому требующей затраты АТФ. Оказывается, в животной клетке внутриклеточная концентрация ионов калия примерно в 30 раз выше, а ионов натрия в 10 раз ниже, чем в окружающей среде. Такая асимметрия ионного состава определяет содержание воды и ионный состав в клетке, электрическую возбудимость нервных и мышечных волокон, служит движущей силой для транспорта в клетку сахаров и аминокислот, является важным фактором в процессе биосинтеза белка.

Рис. 22.8. Структура Na⁺, К*-зависимой АТФ-азы.

№⁺/К⁺-АТФ-аза была открыта в 1957 г. Й. Скоу во фракции плазматических мембран нервов краба, впоследствии она была обнаружена во всех исследованных клетках животных, особенно велико се содержание в органах, осуществляющих интенсивный солевой обмен (почки) или выполняющих электрическую работу (мозг, нервы).

№⁺/К⁺-АТФ-аза представляет собой олигомерный белок, состоящий из субъединиц двух типов (а и Р), входящих в состав фермента в эквимолярных количествах. Большая а-субъединица (-112 kDa) формирует каталитически активный центр, осуществляющий гидролиз АТФ; меньшая р-субъединица (-45 kDa) гликозилирована, при этом углеводные цепи экспонированы на наружной стороне мембраны (рис. 22.7).

Активный фермент содержит как минимум 2аи 2р-субъсдиницы, которые плотно интегрированы в мембрану и активируются ионами Mg²⁺. В настоящее время экспериментально доказано, что Ыа⁺/К⁺-АТФ-аза является как энергопреобразующей частью «Na⁺/K⁺-насоса», так и сама осуществляет активный транспорт Na⁺ и К⁺, сопряженный с гидролизом АТФ, т. е. переносит катионы против градиента концентрации. Описаны два конформационных состояния АТФ-азного комплекса с различным энергетическим уровнем, которые принято обозначать ?, и ?^. Конформация ?, имеет канал, открытый внутрь клетки, и участки, специфично связывающие ионы.

Na⁺ (дсфосфорилированная форма АТФ-азы). При переходе в конформацию Е₂ происходит переориентация комплекса в мембране, канал открыт на наружную сторону мембраны и фермент специфично связывает ионы К⁺ (фосфорилированная форма АТФ-азы).

По общепринятому представлению, механизм действия АТФ-азы включает несколько стадий (рис. 22.9).

Рис. 22.9. Механизм функционирования NaVK^-АТФ-азы.

• 1. Молекула АТФ из цитоплазмы связывается с активным центром одной из а-субъсдиниц АТФ-азы (конформация ?,). Присоединение АТФ сопровождается связыванием трех ионов натрия, что активирует каталитическую активность фермента, происходит гидролиз АТФ, при этом фосфорилируется карбоксильная группа боковой цепи остатка аспарагиновой кислоты другой субъединицы.
• 2. Фосфорилирование фермента приводит к переходу его в конформацию Е₂ и переориентации в мембране таким образом, что связанные 3Na⁺ выводятся через канал, открытый на наружную сторону, поскольку АТФ-аза теряет сродство к этим ионам.
• 3. Конформация Е₂ ферментного белка имеет сайты, специфичные к ионам К⁺, и два иона К⁺ присоединяются к ионсвязывающим центрам фосфорилированного белка.
• 4. Происходит (возможно, самопроизвольный) гидролиз фосфоэфирной связи и дефосфорилирование фермента, что вызывает его переход в исходную конформацию ?, при которой ионный канал открыт внутрь клетки, через него два иона К⁺ выходят в цитоплазму.

На каждую затраченную молекулу АТФ фермент переносит три иона Na⁺ из клетки и два иона К⁺ в клетку, т. е. перенос катионов неэквивалентен. Таким образом, на мембране возникает разность концентраций и электрических потенциалов, и третий ион К⁺ поступает в клетку уже по механизму вторичноактивного транспорта.