Транспорт через мембрану клітини
Зміст
Введення
Натрій-калієвий обмінний насос
Біохімічні властивості натрій-калієвої АТФази
Кальцієві насоси
АТФази зндоплазматіческого і саркоплазматичного ретикулуму
АТФази плазматичної мембрани
Натрій-кальцієвий обмінник
Транспортні системи натрій-кальцієвого обміну
Реверсія напрямки роботи NCX
Натрій-кальцієвий обмінник у паличках сітківки
Література
Первинний активний транспорт здійснюється за рахунок енергії гідролізу АТФ. Найбільш поширений приклад такого транспорту - натрій-калієвий обмінник, або насос. Спеціальна молекула, звана натрій-калієвої АТФази, здійснює за рахунок енергії розщеплення однієї молекули АТФ перенесення трьох іонів натрію назовні і двох іонів калію всередину клітини. Оскільки в результаті кожного транспортного циклу відбувається зміна сумарного трансмембранного заряду на одиницю, натрій-калієвий насос є електрогенним, тобто виробляє електрику.
Інший приклад активного іонного транспорту - АТФази, що виводять кальцій з цитоплазми: кальцієві АТФази плазматичної мембрани викачують кальцій за межі клітини, а АТФази ендоплазматичного і саркоплазматичного ретикулуму закачують кальцій з цитоплазми у внутрішньоклітинні структури.
Вторинний активний транспорт заснований на енергії пересування іонів натрію в напрямку їх електрохімічного градієнта. При цьому інші іони переносяться за рахунок руху іонів натрію або в тому ж (ко-транспорт), або у зворотному напрямку (іонообмін). Прикладом такого механізму є натрій-кальцієвий обмінник, що виводить один іон кальцію за рахунок входу в клітку трьох іонів натрію. Як і всі системи активного транспорту, цього обмінника звернемо і може працювати як у прямому, так і в зворотному напрямку, в залежності від співвідношення електричних і хімічних градієнтів для обох іонів. Друга система натрій-кальцієвого обміну зустрічається в клітинах сітківки і здійснює перенесення одного іона кальцію і одного іона калію назовні, в обмін на чотири входять іона натрію. Енергія входу натрію в клітину використовується також для перенесення іонів хлору і бікарбонату через клітинну мембрану. Всі перераховані вище механізми засновані на пересуванні натрію в напрямку його електрохімічного градієнта і, отже, залежать від ефективності роботи натрій-калієвого насоса, що забезпечує підтримання цього градієнта.
Транспорт медіаторів необхідний для функціонування нейронів. Накопичення молекул медіатора в синаптичних везикулах (везикулах) в цитоплазмі пресинаптичного закінчення неможливо без такого транспорту, заснованого на переміщенні іонів (іонно-зв'язаний транспорт). Подібний же механізм використовується для зворотного закачування медіатора після його викиду в синаптичну щілину.
Вже ранні експерименти Ходжкіна і Кейнес на гігантському аксоні кальмара переконливо показали, що джерелом енергії для цього процесу є розщеплення АТФ. У той же час Скау продемонстрував, що АТФаза, ізольована з нерва краба, володіє багатьма з біохімічних характеристик, які повинен мати натрій - калієвий насос. Дійсно, як для роботи насоса, так і для активації АТФази необхідна присутність іонів натрію і калію. Крім того, уабаін (ouabain) однаково блокує активність насоса і АТФази.
На основі цих спостережень був зроблений висновок про те, що натрій-калієва АТФаза і є натрій-калієвий насос. Вона належить до сімейства АТФаз Р-типу (P-type), який отримав свою назву тому, що в процесі роботи ці АТФази утворюють фосфорильованих форму. Перенесення іонів здійснюється за рахунок енергії розщеплення АТФ. До цього ж сімейства ставляться кальцієві АТФази, що виводять іони кальцію з цитоплазми клітини, і протон-калієві АТФази, найбільш примітна функція яких полягає в секреції великої кількості кислоти в порожнину шлунка.
Специфічним блокатором натрій-калієвої транспортної системи є речовини, що використовуються при лікуванні сердечнойнедостаточності (digitalis glycosides), особливо уабаін і строфантідін. Блокуючи активний транспорт натрію і калію, ці речовини не роблять впливу на пасивне переміщення іонів через іонні канали в мембрані.
В м'язових клітинах кальцій відіграє ключову роль у запуску процесу скорочення м'язового волокна. Всі ці функції пов'язані з короткочасним підвищенням концентрації кальцію в цитоплазмі, тому важливим завданням для клітини є підтримання незмінного рівня кальцію в спокої. В іншому випадку різні кальцій - залежні механізми будуть активуватися не у відповідь на специфічне роздратування, а постійно.
Зміна концентрації кальцію в цитоплазмі може відбуватися з двох причин: кальцій може входити або виходити через клітинну мембрану, або переходити з цитоплазми у внутрішньоклітинні органели і назад, в першу чергу в ендоплазматичний ретикулум (у м'язі - саркоплазматический ретикулум) і мітохондрії. Для вимірювання внутрішньоклітинної концентрації кальцію в клітину вводяться спеціальні речовини, такі як екворін (aequorin) або фура-2 (fura2), які випромінюють або поглинають світло при зв'язуванні іонізованого кальцію. Інший спосіб відстеження змін рівня кальцію - трансфекція особливих білкових комплексів, створених за допомогою генної інженерії таким чином, що їх флуоресцентні властивості змінюються в залежності від концентрації іонізованого кальцію. В обох випадках зміни в поглинанні або випромінюванні, пропорційні змін рівня кальцію, вимірюються за допомогою високочутливих оптичних методів. Середня концентрація кальцію у спокої для більшості нейронів становить від 10 до 100 нМ. Рівень кальцію в міжклітинному просторі хребетних становить від 2 до 5 ммоль.
Для підтримки низькою внутрішньоклітинної концентрації кальцію необхідний механізм, що здійснює безперервний виведення кальцію з клітини всупереч наявності значного концентраційного градієнта. Крім того, системи кальцієвого транспорту через внутрішньоклітинні мембрани підтримують високу концентрацію кальцію в органелах. Так, рівень кальцію в ЕПР може досягати 400 мкмоль, а в саркоплазматичного ретикулуму м'язи піднімається до 10 ммоль. Молекула, відповідальна за транспорт кальцію через плазматичну і цитоплазматичну мембрани, називається кальцієва АТФаза. Ще один механізм транспорту кальцію буде обговорюватися нижче в цьому розділі.
Кальцієвий транспортний цикл в принципі аналогічний циклу роботи натрій-калієвого насоса. Він починається з приєднання двох іонів кальцію до місць зв'язування, розташованим в цитоплазмі і володіє високою спорідненістю до кальцію (K m (Ca) ~ 100 нМ) Потім відбувається фосфорилювання ферменту і зміна його конформації, в результаті чого іони кальцію переносяться всередину ретикулуму. Після звільнення кальцію молекула АТФази дефосфорилюється і повертається до свого початкового стану.
Один із прикладів - натрій-протоновой обмінник, що переносить іони у співвідношенні 1: 1 і бере участь у підтриманні внутрішньоклітинного рН. Протони переносяться з клітини назовні всупереч електрохімічного градієнту в обмін на іони натрію, переміщувані всередину клітини.
Подібним же чином переносяться кальцій, калій, бікарбонат і хлор. У результаті роботи цих вторинних транспортних механізмів, у стані спокою всередину клітини потрапляє значна кількість натрію. Тим більше важлива роль натрій-калієвих обмінників, що виводять натрій назад в позаклітинне середовище.
У деяких випадках механізмами вторинного активного транспорту використовується енергія переміщення іонів калію в напрямку їх електрохімічного градієнта.
Для вимірювання внутрішньоклітинної концентрації кальцію використовували флуоресцентну молекулу екворін (aequorin). У стані спокою вхід кальцію в напрямку електрохімічного градієнта врівноважується за рахунок перенесення іонів з клітки іонним обмінником. На початку досвіду внутрішньоклітинна концентрація кальцію висока тому, що рівень кальцію зовні аксона підвищений (112 ммоль).
При зниженні позаклітинної концентрації знижується і пасивний вхід кальцію в аксон. У результаті знижується внутрішньоклітинна концентрація кальцію, і рушійна сила для цього іона зростає до тих пір, поки швидкість пасивного струму знову не зрівняється зі швидкістю викиду кальцію.
З іншого боку, зниження позаклітинної концентрації натрію призводить до збільшення внутрішньоклітинної концентрації кальцію, оскільки обмінник повільніше виводить кальцій в умовах зниженої рушійної сили для натрію.
Тому відбувається підвищення внутрішньоклітинного рівня кальцію, знижує швидкість входу кальцію в клітину. Заміна іонів кальцію іонами літію, не здатними брати участь у роботі обмінника, призводить до подальшого підвищення внутрішньоклітинної концентрації кальцію.
Енергія, що виділяється за рахунок входу іонів натрію в клітину (або енергія, необхідна для перенесення цих іонів назовні), дорівнює добутку заряду на різницю між рівноважним потенціалом для натрію (E Na) і мембранним потенціалом (V m). Для трьох іонів натрію ця енергія буде дорівнює 3 (. E Na - V m). Відповідно, для одного двовалентного іона кальцію енергія переносу буде дорівнює 2 (Е Са - V m). При певному значенні мембранного потенціалу рівні енергії зрівняються й перенесення припиниться. Позначивши це значення через потенціал реверсії V r, отримаємо
або 
При значеннях потенціалу більш негативних, ніж потенціал реверсії, натрій переміщається всередину клітини, а кальцій - назовні. При більш позитивних значеннях напрямок руху іонів змінюється на протилежне.
Припустимо, що концентрації натрію і кальцію в клітині приймають значення 15 ммоль і 100 нМ відповідно, а в позаклітинному середовищі знаходиться 150 ммоль натрію і 2 ммоль кальцію. Такі значення цілком ймовірні для клітин ссавців. По рівнянню Нернста, рівноважний потенціал для натрію буде +58 мВ, а для кальцію +124 мВ. Потенціал реверсії, при якому рух іонів через обмінника припиниться, буде - 74 мВ. Це значення близьке до потенціалу спокою багатьох клітин ссавців. Отже, в окремо взятій клітині напрямок іонообміну може бути як прямим, так і зворотним, в залежності від поточного значення мембранного потенціалу і від того, чи відбувалося накопичення іонів натрію або кальцію в цій клітці. У клітинах серцевого м'яза вхід кальцію через NCX в ході потенціалу дії здатний викликати скорочення м'язи, а його подальший висновок з клітини за допомогою того ж NCX сприяє релаксації.
Виходячи з підрахованих вище значень Е Na і E Ca і беручи значення Е K за - 90 мВ, отримаємо з рівняння Нернста V r. = +74 МВ. Очевидно, що ймовірність реверсії іонообміну через RetX дуже мала.
Для кращого розуміння роботи RetX представляється доцільним задати наступне питання: яке значення має прийняти рівноважний потенціал Е Ca для того, щоб V r зрівнявся з потенціалом спокою клітини, тобто - 40 мВ. За допомогою того ж рівняння отримаємо 181 мВ, що при позаклітинної концентрації кальцію 2 ммоль дає значення внутрішньоклітинної концентрації 1 нМ. Іншими словами, при мембранному потенціалі - 40 мВ обмінник RetX володіє достатньою енергією для того, щоб знизити рівень кальцію всередині клітини до 1 нМ. Цікаво відзначити, що при тих же умовах NCX здатний знизити внутрішньоклітинну концентрацію кальцію тільки до 383 нМ.
2. Пригожин І., Ніколіс Г. Пізнання складного. Введення.
3. Пригожин І., Гленсдорф П. Термодинамічна теорія структури, стійкості і флуктуації
Зміст
Введення
Натрій-калієвий обмінний насос
Біохімічні властивості натрій-калієвої АТФази
Кальцієві насоси
АТФази зндоплазматіческого і саркоплазматичного ретикулуму
АТФази плазматичної мембрани
Натрій-кальцієвий обмінник
Транспортні системи натрій-кальцієвого обміну
Реверсія напрямки роботи NCX
Натрій-кальцієвий обмінник у паличках сітківки
Література
Введення
Вхід і вихід іонів через канали в мембрані нейрона має пасивний характер і відбувається завдяки наявності електричних і хімічних градієнтів. Для компенсації результатів пересування іонів клітина використовує активні транспортні механізми, які витрачають енергію на переміщення іонів у напрямку, протилежному їх електрохімічним потенціалом. Таким чином, концентрації іонів в цитоплазмі підтримуються на постійному рівні, що дозволяє зберегти незмінним потенціал спокою, а також генерувати електричні сигнали.Первинний активний транспорт здійснюється за рахунок енергії гідролізу АТФ. Найбільш поширений приклад такого транспорту - натрій-калієвий обмінник, або насос. Спеціальна молекула, звана натрій-калієвої АТФази, здійснює за рахунок енергії розщеплення однієї молекули АТФ перенесення трьох іонів натрію назовні і двох іонів калію всередину клітини. Оскільки в результаті кожного транспортного циклу відбувається зміна сумарного трансмембранного заряду на одиницю, натрій-калієвий насос є електрогенним, тобто виробляє електрику.
Інший приклад активного іонного транспорту - АТФази, що виводять кальцій з цитоплазми: кальцієві АТФази плазматичної мембрани викачують кальцій за межі клітини, а АТФази ендоплазматичного і саркоплазматичного ретикулуму закачують кальцій з цитоплазми у внутрішньоклітинні структури.
Вторинний активний транспорт заснований на енергії пересування іонів натрію в напрямку їх електрохімічного градієнта. При цьому інші іони переносяться за рахунок руху іонів натрію або в тому ж (ко-транспорт), або у зворотному напрямку (іонообмін). Прикладом такого механізму є натрій-кальцієвий обмінник, що виводить один іон кальцію за рахунок входу в клітку трьох іонів натрію. Як і всі системи активного транспорту, цього обмінника звернемо і може працювати як у прямому, так і в зворотному напрямку, в залежності від співвідношення електричних і хімічних градієнтів для обох іонів. Друга система натрій-кальцієвого обміну зустрічається в клітинах сітківки і здійснює перенесення одного іона кальцію і одного іона калію назовні, в обмін на чотири входять іона натрію. Енергія входу натрію в клітину використовується також для перенесення іонів хлору і бікарбонату через клітинну мембрану. Всі перераховані вище механізми засновані на пересуванні натрію в напрямку його електрохімічного градієнта і, отже, залежать від ефективності роботи натрій-калієвого насоса, що забезпечує підтримання цього градієнта.
Транспорт медіаторів необхідний для функціонування нейронів. Накопичення молекул медіатора в синаптичних везикулах (везикулах) в цитоплазмі пресинаптичного закінчення неможливо без такого транспорту, заснованого на переміщенні іонів (іонно-зв'язаний транспорт). Подібний же механізм використовується для зворотного закачування медіатора після його викиду в синаптичну щілину.
Натрій-калієвий обмінний насос
Більшість збудливих клітин мають потенціал спокою від - 90 до - 60 мВ. Рівноважний потенціал для іонів натрію (E Na) - зазвичай близько +50 мВ. Таким чином, існує великий електрохімічний потенціал, прагне перенести іони натрію всередину клітини. Таке перенесення здійснюється за допомогою численних механізмів. Крім того, рівноважний потенціал для калію більш негативний, ніж потенціал спокою, внаслідок чого іони калію постійно виводяться з клітини. Для підтримки життєздатності клітини необхідно, щоб іони натрію безперервно переносилися назовні, а іони калію всередину клітини, тобто проти їх електрохімічних градієнтів. Для цієї мети в мембрані клітини існує натрій-калієвий обмінний насос, який при кожному своєму циклі переносить три іона натрію назовні і два іона калію всередину клітини.Вже ранні експерименти Ходжкіна і Кейнес на гігантському аксоні кальмара переконливо показали, що джерелом енергії для цього процесу є розщеплення АТФ. У той же час Скау продемонстрував, що АТФаза, ізольована з нерва краба, володіє багатьма з біохімічних характеристик, які повинен мати натрій - калієвий насос. Дійсно, як для роботи насоса, так і для активації АТФази необхідна присутність іонів натрію і калію. Крім того, уабаін (ouabain) однаково блокує активність насоса і АТФази.
На основі цих спостережень був зроблений висновок про те, що натрій-калієва АТФаза і є натрій-калієвий насос. Вона належить до сімейства АТФаз Р-типу (P-type), який отримав свою назву тому, що в процесі роботи ці АТФази утворюють фосфорильованих форму. Перенесення іонів здійснюється за рахунок енергії розщеплення АТФ. До цього ж сімейства ставляться кальцієві АТФази, що виводять іони кальцію з цитоплазми клітини, і протон-калієві АТФази, найбільш примітна функція яких полягає в секреції великої кількості кислоти в порожнину шлунка.
Біохімічні властивості натрій-калієвої АТФази
Біохімічні властивості натрій-калієвої АТФази добре відомі вже впродовж багатьох років. Стехиометрическое співвідношення пов'язують катіонів збігається з властивостями транспортного процесу: у середньому, на кожну розщеплює молекули АТФ переноситься три іона натрію і два іона калію. Вибірковість до іонів калію є досить високою: це єдиний субстрат, стерпний насосом назовні клітини, і єдиний моновалентний катіон, не прийнятий насосом для перенесення всередину. Наприклад, літій, амоній, рубідій, цезій і талій можуть замінити калій у позаклітинному розчині, але не натрій у внутрішньоклітинному. У відсутності калію насос переносить натрій набагато менш ефективно (близько 10% потужності).Специфічним блокатором натрій-калієвої транспортної системи є речовини, що використовуються при лікуванні сердечнойнедостаточності (digitalis glycosides), особливо уабаін і строфантідін. Блокуючи активний транспорт натрію і калію, ці речовини не роблять впливу на пасивне переміщення іонів через іонні канали в мембрані.
Кальцієві насоси
Зміна концентрації іонів кальцію всередині клітини відіграє найважливішу роль у багатьох процесах життєдіяльності нейронів, таких як вивільнення медіатора в синаптичну щілину, активація іонних каналів в клітинній мембрані, а також регулювання цілого ряду цитоплазматичних ферментів.В м'язових клітинах кальцій відіграє ключову роль у запуску процесу скорочення м'язового волокна. Всі ці функції пов'язані з короткочасним підвищенням концентрації кальцію в цитоплазмі, тому важливим завданням для клітини є підтримання незмінного рівня кальцію в спокої. В іншому випадку різні кальцій - залежні механізми будуть активуватися не у відповідь на специфічне роздратування, а постійно.
Зміна концентрації кальцію в цитоплазмі може відбуватися з двох причин: кальцій може входити або виходити через клітинну мембрану, або переходити з цитоплазми у внутрішньоклітинні органели і назад, в першу чергу в ендоплазматичний ретикулум (у м'язі - саркоплазматический ретикулум) і мітохондрії. Для вимірювання внутрішньоклітинної концентрації кальцію в клітину вводяться спеціальні речовини, такі як екворін (aequorin) або фура-2 (fura2), які випромінюють або поглинають світло при зв'язуванні іонізованого кальцію. Інший спосіб відстеження змін рівня кальцію - трансфекція особливих білкових комплексів, створених за допомогою генної інженерії таким чином, що їх флуоресцентні властивості змінюються в залежності від концентрації іонізованого кальцію. В обох випадках зміни в поглинанні або випромінюванні, пропорційні змін рівня кальцію, вимірюються за допомогою високочутливих оптичних методів. Середня концентрація кальцію у спокої для більшості нейронів становить від 10 до 100 нМ. Рівень кальцію в міжклітинному просторі хребетних становить від 2 до 5 ммоль.
Для підтримки низькою внутрішньоклітинної концентрації кальцію необхідний механізм, що здійснює безперервний виведення кальцію з клітини всупереч наявності значного концентраційного градієнта. Крім того, системи кальцієвого транспорту через внутрішньоклітинні мембрани підтримують високу концентрацію кальцію в органелах. Так, рівень кальцію в ЕПР може досягати 400 мкмоль, а в саркоплазматичного ретикулуму м'язи піднімається до 10 ммоль. Молекула, відповідальна за транспорт кальцію через плазматичну і цитоплазматичну мембрани, називається кальцієва АТФаза. Ще один механізм транспорту кальцію буде обговорюватися нижче в цьому розділі.
АТФази зндоплазматіческого і саркоплазматичного ретикулуму
Одне з сімейств АТФаз розташоване в мембрані ендоплазматичного ретикулуму нейронів, а також у саркоплазматичної мембрані скелетної м'яза. Ці АТФази переносять іони кальцію з цитоплазми у внутрішньоклітинні органели. Скорочення м'язового волокна відбувається при звільненні кальцію з саркоплазматичного ретикулума в міоплазму. Швидке усунення іонів кальцію з міоплазми, необхідне для релаксації м'язи, забезпечується за рахунок високої концентрації АТФаз в мембрані саркоплазматичного ретикулуму.Кальцієвий транспортний цикл в принципі аналогічний циклу роботи натрій-калієвого насоса. Він починається з приєднання двох іонів кальцію до місць зв'язування, розташованим в цитоплазмі і володіє високою спорідненістю до кальцію (K m (Ca) ~ 100 нМ) Потім відбувається фосфорилювання ферменту і зміна його конформації, в результаті чого іони кальцію переносяться всередину ретикулуму. Після звільнення кальцію молекула АТФази дефосфорилюється і повертається до свого початкового стану.
АТФази плазматичної мембрани
Кальцієві АТФази зустрічаються також у плазматичної мембрани будь-якої клітини. За винятком деяких деталей, будова і функція цих АТФаз не відрізняється від кальцієвих АТФаз ендоплазматичного і саркоплазматичного ретикулуму. Внутрішньоклітинне місце зв'язування володіє високою спорідненістю до кальцію, однак під час транспортного циклу відбувається зв'язування всього одного іона кальцію. Концентрація АТФаз в плазматичній мембрані нейронів і м'язових клітин досить низька, тому ефективність цієї транспортної системи не дуже висока. Тим не менш, з завданням усунення входить в клітку кальцію вона справляється.Натрій-кальцієвий обмінник
У багатьох механізмах іонного транспорту використовується зовсім інший принцип перенесення іонів через мембрану проти електрохімічного градієнта. Замість енергії розщепленої молекули АТФ ці механізми використовують енергію вже існуючого переміщення іонів натрію в напрямку їх концентраційного градієнта, тобто всередину клітини.Один із прикладів - натрій-протоновой обмінник, що переносить іони у співвідношенні 1: 1 і бере участь у підтриманні внутрішньоклітинного рН. Протони переносяться з клітини назовні всупереч електрохімічного градієнту в обмін на іони натрію, переміщувані всередину клітини.
Подібним же чином переносяться кальцій, калій, бікарбонат і хлор. У результаті роботи цих вторинних транспортних механізмів, у стані спокою всередину клітини потрапляє значна кількість натрію. Тим більше важлива роль натрій-калієвих обмінників, що виводять натрій назад в позаклітинне середовище.
У деяких випадках механізмами вторинного активного транспорту використовується енергія переміщення іонів калію в напрямку їх електрохімічного градієнта.
Транспортні системи натрій-кальцієвого обміну
Існують принаймні два механізми натрій-кальцієвого обміну. Найбільш часто зустрічаються обмінники типу NCX (Na-Са exchange), які були вперше описані в серцевому м'язі, нерві краба і аксоні кальмара. При перенесенні транспортної молекулою одного іона кальцію назовні відбувається перенесення трьох іонів натрію всередину клітини. Незважаючи на те, що спорідненість NCX до кальцію нижче, ніж у кальцієвої АТФази, загальна потужність цього транспортного механізму вище приблизно в 50 разів, оскільки щільність таких молекул в мембрані значно вище. NCX грають важливу роль в умовах підвищеного входу кальцію в клітину, викликаного електричної активністю і перевищує можливості АТФаз щодо усунення надмірного кальцію з клітини.Для вимірювання внутрішньоклітинної концентрації кальцію використовували флуоресцентну молекулу екворін (aequorin). У стані спокою вхід кальцію в напрямку електрохімічного градієнта врівноважується за рахунок перенесення іонів з клітки іонним обмінником. На початку досвіду внутрішньоклітинна концентрація кальцію висока тому, що рівень кальцію зовні аксона підвищений (112 ммоль).
При зниженні позаклітинної концентрації знижується і пасивний вхід кальцію в аксон. У результаті знижується внутрішньоклітинна концентрація кальцію, і рушійна сила для цього іона зростає до тих пір, поки швидкість пасивного струму знову не зрівняється зі швидкістю викиду кальцію.
З іншого боку, зниження позаклітинної концентрації натрію призводить до збільшення внутрішньоклітинної концентрації кальцію, оскільки обмінник повільніше виводить кальцій в умовах зниженої рушійної сили для натрію.
Тому відбувається підвищення внутрішньоклітинного рівня кальцію, знижує швидкість входу кальцію в клітину. Заміна іонів кальцію іонами літію, не здатними брати участь у роботі обмінника, призводить до подальшого підвищення внутрішньоклітинної концентрації кальцію.
Реверсія напрямки роботи NCX
Зміна градієнтів для одного або декількох іонів, що беруть участь у роботі обмінника, може призвести до зміни напрямку його роботи. Цікаво, що у разі NCX така зміна напрямку може відбутися у фізіологічних умовах. При цьому кальцій буде переноситися всередину клітини, а натрій - виводитися з неї. Напрямок роботи NCX визначається різницею між енергією, що виділяється при переміщенні трьох іонів натрію всередину клітини, і енергією, необхідної для перенесення одного іона кальцію назовні. Одним з факторів, що визначають цей енергетичний баланс, є мембранний потенціал. Вплив потенціалу мембрани обумовлено тим, що процес іонообміну не є електрично нейтральним. Внаслідок кожного прямого циклу роботи обмінника, через мембрану всередину клітини переноситься один позитивний заряд. Отже, гіперполяризація мембрани полегшує прямий цикл обмінника, в той час як деполяризація його ускладнює і може призвести до зміни напрямку, тобто до роботи обмінника в режимі зворотного циклу. Слід підкреслити, що, незважаючи на відсутність електричної нейтральності, обмінники не є електрогеннимі. На відміну від насосів, вони працюють за рахунок електрохімічних градієнтів, а не виробляють їх.Енергія, що виділяється за рахунок входу іонів натрію в клітину (або енергія, необхідна для перенесення цих іонів назовні), дорівнює добутку заряду на різницю між рівноважним потенціалом для натрію (E Na) і мембранним потенціалом (V m). Для трьох іонів натрію ця енергія буде дорівнює 3 (. E Na - V m). Відповідно, для одного двовалентного іона кальцію енергія переносу буде дорівнює 2 (Е Са - V m). При певному значенні мембранного потенціалу рівні енергії зрівняються й перенесення припиниться. Позначивши це значення через потенціал реверсії V r, отримаємо
При значеннях потенціалу більш негативних, ніж потенціал реверсії, натрій переміщається всередину клітини, а кальцій - назовні. При більш позитивних значеннях напрямок руху іонів змінюється на протилежне.
Припустимо, що концентрації натрію і кальцію в клітині приймають значення 15 ммоль і 100 нМ відповідно, а в позаклітинному середовищі знаходиться 150 ммоль натрію і 2 ммоль кальцію. Такі значення цілком ймовірні для клітин ссавців. По рівнянню Нернста, рівноважний потенціал для натрію буде +58 мВ, а для кальцію +124 мВ. Потенціал реверсії, при якому рух іонів через обмінника припиниться, буде - 74 мВ. Це значення близьке до потенціалу спокою багатьох клітин ссавців. Отже, в окремо взятій клітині напрямок іонообміну може бути як прямим, так і зворотним, в залежності від поточного значення мембранного потенціалу і від того, чи відбувалося накопичення іонів натрію або кальцію в цій клітці. У клітинах серцевого м'яза вхід кальцію через NCX в ході потенціалу дії здатний викликати скорочення м'язи, а його подальший висновок з клітини за допомогою того ж NCX сприяє релаксації.
Натрій-кальцієвий обмінник у паличках сітківки
Для клітин з низькими значеннями потенціалу спокою NCX не представляється надійною системою виведення кальцію з цитоплазми. У таких клітинах кальцій спочатку буде накопичуватися до деякого, досить високого, рівня. Прикладом такої клітини може служити паличка сітківки ссавців, мембранний потенціал спокою який зазвичай знаходиться на рівні - 40 мВ. У мембрані таких клітин зустрічається інший тип натрій-кальцієвого обмінника, RetX. У порівнянні з NCX додаткова енергія для перенесення кальцію виходить за рахунок двох відмінностей у стехіометрії RetX. По-перше, замість трьох іонів натрію через RetX проходять чотири. По-друге, в роботі обмінника бере участь іон калію, також переміщується в напрямку свого електрохімічного градієнта і, отже, виділяє при цьому додаткову енергію. Рівняння потенціалу реверсії натрій - калій-кальцієвого обмінника має наступний вигляд:Виходячи з підрахованих вище значень Е Na і E Ca і беручи значення Е K за - 90 мВ, отримаємо з рівняння Нернста V r. = +74 МВ. Очевидно, що ймовірність реверсії іонообміну через RetX дуже мала.
Для кращого розуміння роботи RetX представляється доцільним задати наступне питання: яке значення має прийняти рівноважний потенціал Е Ca для того, щоб V r зрівнявся з потенціалом спокою клітини, тобто - 40 мВ. За допомогою того ж рівняння отримаємо 181 мВ, що при позаклітинної концентрації кальцію 2 ммоль дає значення внутрішньоклітинної концентрації 1 нМ. Іншими словами, при мембранному потенціалі - 40 мВ обмінник RetX володіє достатньою енергією для того, щоб знизити рівень кальцію всередині клітини до 1 нМ. Цікаво відзначити, що при тих же умовах NCX здатний знизити внутрішньоклітинну концентрацію кальцію тільки до 383 нМ.
Література
1. Баранцев Р.Г., Андріанов І.В., Маневич Л.І. Асімптотологія - шлях до цілісної простоті.2. Пригожин І., Ніколіс Г. Пізнання складного. Введення.
3. Пригожин І., Гленсдорф П. Термодинамічна теорія структури, стійкості і флуктуації