Цикл Na/k-атФазы

Цикл по перекачке ионов Na⁺ и K⁺ состоит из следующих стадий, изображенных на рис. 6–12. На первой стадии 1 фермент в состоянии Е₁ взаимодействует с Na⁺ с внутренней стороны мембраны. Ион Na⁺ катализирует на активном центре реакцию фосфорилирования (см. с. 541), в результате которой Ф–фосфатный остаток связывается с карбоксильной группой фермента, образуя фосфорилированный фермент Е₁Ф, а аденозиндифосфат АДФ освобождается из активного центра и переходит в цитоплазму:

. (6.8)

Фосфорилированный белок переходит в состояние 2, при котором ионы натрия связаны и не могут выйти ни в клетку, ни за ее пределы. Переход фермента в следующую стадию 3 активируется ионами магния, который ускоряет переход фермента из конформации Е₁ в конформацию Е₂:

.

Происходят молекулярные перемещения отдельных частей белковой глобулы фермента, при которых осуществляется перенос ионов Na⁺ через мембрану на ее внешнюю сторону (состояние 3). Центр связывания ионов становится более гидрофобным, что отражено на рис.6-12 изменением формы канала Е₁ → Е₂. Ионы натрия диссоциируют от фермента в окружающую клетку среду. С освободившимся центром в конформации Е₂ связываются ионы K⁺ и переносятся на внутреннюю сторону мембраны также, как ранее ионы Na⁺. При переходе центра связывания фермента вместе с ионами K⁺ в положение 4, комплекс Е₂Ф окружается более гидрофильной средой. Фосфатный остаток комплекса взаимодействует с молекулой воды. Происходит дефосфорилирование фермента Е₂Ф и освобождение неорганического фосфата Ф в цитоплазму:

После этого (стадия 5) ионы K⁺ также освобождаются из центра связывания и переходят во внутреннюю среду клетки. Одновременно конформация Е₂ переходит в конформацию Е₁. Переход от комплекса Е₂ – K⁺ к комплексу Е₁ – Na⁺ вызывается присоединением иона Na⁺ (вытеснением K⁺). Этот процесс ускоряется АТФ, повышающей сродство фермента к Na⁺ и понижающим сродство к K⁺, после чего цикл переноса ионов повторяется.

Рис. 6–12. Схема цикла Na/K-АТФазы: связывание ионов Na+ Е1-конформером (стадия 1), его взаимодействие с АТФ и образование фосфорилириванной конформации Е1Ф (стадия 2); активируемый ионами магния переход Е1Ф→Е2Ф, приводящий к высвобождению Na+ и связыванию К+ (стадия 3); дефосфорилирование АТФазы, приводящее к высвобождению К+ и переходу конформации Е2 в конформацию Е1 (стадии 4, 5)

При конформационной перестройке одновременно с изменением структуры центров происходит перемещение полипептидной цепи, содержащей центры связывания ионов, изнутри мембраны на внешнюю сторону и наоборот (рис. 6–11).

Энергия АТФ тратится на переход фермента из одной конфигурации в другую. Таким образом, ионы Na⁺ и K⁺ переносятся одним и тем же центром, последовательно изменяющим свое сродство к переносимым ионам в результате изменения конформации: Na⁺ из клетки наружу, K⁺ – внутрь клетки.

Процессы активного транспорта протекают не только в клеточной плазматической мембране, но и внутри клетки – в мембранах органелл. Например в цитоплазме гладкомышечных клеток (саркоплазматическом ретикулуме) действуют Са²⁺-насосы. В митохондриях окислительные процессы приводят к образованию значительного числа ионов водорода Н⁺ (см. §5.8, с. 544–552). При движении ионов Н⁺ через мембрану митохондрии против градиента концентрации, высвобождается энергия, которая обеспечивает синтез АТФ из АДФ и фосфата (см. с. 552–560).