Активный транспорт. Опыт Уссинга

Наряду с пассивным транспортом в мембранах клетки проис­ходит перенос молекул в область большей концентрации, а ионов — против силы, действующей на них со стороны электрического по­ля. Такая разновидность переноса поручила название активного транспорта. Если пассивный транспорт может происходить в любых полупроницаемых мембранах, как биологических, так и искусственных, то активный транспорт присущ только биологическим мембранам. Благодаря активному транспорту сохраняет­ся пространственная неоднородность в клетке (отличие внутри­клеточной среды от внеклеточного пространства), создаются и поддерживаются градиенты концентраций, электрических потен­циалов и т. д. Активный перенос веществ через мембрану осу­ществляется за счет энергии гидролиза молекул (АТФ).

Существование активного транспорта через биологические мембраны впервые было показано датским ученым Уссингом в опытах с переносом ионов натрия через кожу лягушки, которая имеет более сложную структуру, чем одиночная мембрана. Кожу лягушки можно представить как два последовательно располо­женных барьера (1 и 2 на рис. 11.14). Наружный барьер 1 (мемб­рана) отличается тем, что он избирательно проницаем для ионов натрия, но не калия. В то же время внутренняя мембрана 2 более проницаема для калия, чем для натрия. Экспериментальная ка­мера Уссинга, изображенная на рис. 11.14, разделена на две части кожей лягушки. На рисунке кожа лягушки располагается между наружным и внутренним раствором: снаружи и изнутри камеры заполнены раствором Рингера, содержащим ионы натрия, калия, кальция и хлора.

В результате пассивного транспорта ионы натрия диффундиру­ют из наружного раствора в кожу. При этом цитоплазма заряжа­ется положительно относительно этого раствора. Ионы калия, проходя из цитоплазмы во внутренний раствор, заряжают ее от­рицательно. Таким образом, на коже лягушки между внутренним и внешним барьерами возникает разность потенциалов. В установке имеется блок компенсации напряжения, позволяющий ус­тановить разность потенциалов на коже, равную нулю. Это можно контролировать вольтметром. Концентрацию ионов с наружной и внутренней сторон поддерживают одинаковой. Если бы при этих условиях перенос ионов определялся только пассивным транспор­том, потоки частиц в обе стороны были бы одинаковыми, а сум­марный поток через мембрану был бы равен нулю.

Однако с помощью амперметра был зарегистрирован ток в це­пи, проходящий через кожу лягушки. Это свидетельствует о том, что через кожу лягушки происходит односторонний перенос заря­женных частиц. Методом меченых атомов было показано, что имеет место движение ионов натрия от наружного раствора к внутреннему. Таким образом, результаты опыта Уссинга показа­ли, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняет­ся законам пассивного транспорта. В этом случае имеет место ак­тивный перенос ионов.

Согласно современным представлениям, в биологических мем­бранах имеются ионные насосы — специальные системы интег­ральных белков (транспортные АТФазы). Известны четыре вида ионных насосов, три из которых обеспечивают перенос ионов Na⁺, К⁺, Са²⁺ и Н⁺ через мембраны за счет энергии гидролиза АТФ. Ме­ханизм переноса протонов при работе дыхательной цепи мито­хондрий изучен менее всего.

Натрий-калиевый насос работает при условии сопряжения переноса ионов калия и натрия. Это означает, что если во внеш­ней среде нет ионов калия, не будет активного переноса ионов натрия из клетки, и наоборот. Другими словами, ионы натрия ак­тивируют натрий-калиевый насос на внутренней поверхности клеточной мембраны, а ионы калия — на внешней.

Натрий-калиевый насос переносит из клетки во внешнюю сре­ду три иона натрия в обмен на перенос двух ионов калия внутрь клетки. Один акт переноса требует затраты энергии одной молекулы АТФ. При этом создается и поддерживается разность потенциалов на мембране, причем внутренняя часть клетки имеет отрицательный заряд.

Надо отметить, что существует также активный перенос сахаров, аминокислот, нуклеотидов, но кинетика этих процессов не­достаточно хорошо изучена. Интересно, что до сих пор нет досто­верных сведений об активном транспорте анионов, хотя они игра­ют важную роль в жизнедеятельности клеток (в особенности ионы хлора). По-видимому, анионы попадают в клетку путем пассивно­го переноса.