3. Активний транспорт

Активний транспорт – це процес перенесення речовин через мембрану проти градієнту концентрації, який потребує затрат енергії. Залежно від джерела енергії активний транспорт може бути первинним і вторинним.

Первинний активний транспорт використовує для перенесення речовин проти градієнту концентрації енергію АТФ. При вторинному транспорті джерелом енергії виступає електрохімічний градієнт на мембрані будь-якої речовини (наприклад, іонів Na⁺ чи Н⁺), для створення якого була використана АТФ. Створений електрохімічний градієнт на мембрані застосовується для перенесення іншої речовини.

Транспортні системи, які переносять мінеральні іони за рахунок енергії АТФ, називаються АТФазами або іонними помпами – це білкові структури, які вибірково зв’язують відповідні іони, гідролізують АТФ, а енергію гідролізу застосовують для переміщення іонів через мембрани. У результаті дії системи первинно-активного транспорту в клітині створюється іонний склад, що відрізняється від такого в позаклітинному середовищі. У клітинах ссавців виявлені такі транспортні АТФази іонів – Na⁺,К⁺-АТФаза, Са²⁺-АТФаза, Mg²⁺-АТФаза, Н⁺-АТФаза, НСО₃^--АТФаза. Аденозинтрифосфагідролазна активність іонних насосів потребує для своєї роботи іонів Mg²⁺. При роботі Na⁺,К⁺-АТФази за рахунок гідролізу 1 молекули АТФ у клітину переосяться 2 іони К⁺ і викачуються 3 іони Na⁺. Са²⁺-АТФаза забезпечує активне перенесення 2 іонів Са²⁺, протонний насос – 2 протонів на 1 молекулу АТФ. У рослин роль протонного насосу виконує протонна пірофосфорилаза (Н⁺-РРа).

Існує класифікація способів, які забезпечують транспорт речовин через мембрану (рис. 6.3).

Рис рис. 6.3. Схема способів переносу речовин через мембрану.

Транспорт може відбуватись за механізмом уніпорту (полегшена дифузія), згідно якого тільки одна речовина переноситься через біомембрану в одному напрямку за допомогою канальних чи транспортних білків (наприклад, транспорт глюкози в клітинах печінки, іонів Са²⁺ через внутрішню мембрану мітохондрій – це приклад вторинного транспорту – у цьому випадку перенесення іону Са²⁺ здійснюється за градієнтом потенціалу, утвореного на мембрані). Спряжене перенесення двох чи більше іонів в одному напрямку, називають симпортом (активний вторинний транспорт амінокислот чи глюкози разом з іонами Na⁺ в епітеліальних клітинах кишечнику).

Транспорт іонів (речовин) спряжений з перенесенням інших іонів (речовин) у протилежному напрямку називають антипортом (наприклад, обмін НСО₃^- на Cl^- в мембрані еритроцитів; Na⁺/Н⁺-антипорт на внутрішній мембрані мітохондрій).

4. Молекулярні основи первинно-активного транспорту іонів

У більшості випадків джерелом енергії для первинно-активного транспорту іонів є АТФ. Тому більшість іонних насосів одночасно є ферментами, які гідролізують АТФ, – АТФазами. Всі транспортні АТФази прокаріотичних і еукаріотичних клітин діляться на АТФази Р-, V- і F-типу.

Загальною властивістю АТФаз Р-типу є здатність утворювати ковалентний фосфорильований інтермедіат (Р), який бере участь в реакційному циклі. До цих АТФаз належать Nа⁺,К⁺-АТФаза, Са²⁺-АТФаза і Н⁺-АТФаза плазматичної мембрани еукаріотичних клітин, а також Са-АТФаза ендо(сарко)плазматичного ретикулуму і К-АТФаза зовнішньої мембрани прокаріотів (Е. coli, Streptococcus faecalis). Припускають, що високоспецифічне (К_m=10-30 мкМ) поглинання іонів калію клітинами рослин може забезпечуватися К⁺,Н⁺-АТФазою, К⁺-АТФазою і (або) К⁺,Н⁺-симпортером.

У процесі функціонування АТФаз Р-типу при гідролізі АТФ залишок фосфорної кислоти переноситься на карбоксильну групу аспартату активного центру і утворюється фосфорильована форма ферменту (Е-Р). Ефективним інгібітором АТФаз Р-типу є ванадат-іон, який здатний заміщати фосфат в активному центрі ферменту. Різні АТФази Р-типу відрізняються одна від одної за чутливістю до будь-яких інших модифікаторів, окрім ванадату, який є сильним інгібітором саме цього типу транспортних АТФаз. Наприклад, Н⁺-АТФаза плазматичних мембран інгібується диетилстильбестролом (ДЕС) і високими концентраціями дициклогексилкарбодиіміда (ДЦКД), Nа⁺,K⁺-АТФаза – серцевими глікозидами, Са²⁺-АТФаза плазмалеми активується білком кальмодуліном і пригнічується рутенієвим червоним, SH-реагентами і еритрозином В, а Са²⁺-АТФаза СПР – тапсигаргіном.

Іон-транспортні АТФази V-типу відносяться до мембранозв’язаних структур, які відрізняються від мітохондрій і ендоплазматичного ретикулума. Вони виявлені в вакуолях дріжджів і тонопластах рослин, а також в лізосомах, ендосомах і секреторних гранулах. Більшість цих АТФаз є переносниками протонів і беруть участь в транспорті аніонів та амінокислот, репарації мембран при ендо-і екзоцитозі. Для них не встановлено утворення ковалентно-зв'язаного інтермедіату в ході каталітичного циклу. Крім ДЦКД, АТФази V-типу блокуються нітратом, КSCN і SH-реагентами. Ні ванадат (інгібітор Р-типу АТФаз), ні олігоміцін (інгібітор F-AТФаз) не діють на ці системи.

АТФази F-типу (або (F₀+F₁)-АТФази) виявляються в мембранах бактерій, в хлоропластах і мітохондріях. Вони мають дуже складну будову: містять водорозчинну частину F₁, яка складається з декількох субодиниць і має каталітичну активністі (здатна каталізувати як синтез, так і гідроліз АТФ), і гідрофобну частину F₀, яка бере участь в транслокації Н⁺. Основні відмінності між цими ферментами виявляються в гідрофобному F₀-компоненті, зануреному в мембрану. Число поліпептидів в F₀ може коливатися від 3 до 8. Активність F-АТФаз пригнічується олігоміцином, ДЦКД, вентурицидином, іонами кадмію. У клітині ферменти перших двох типів виступають як споживачі, а третього – як продуценти АТФ.