Роль натрий-калиевого насоса в создании и поддержании потенциала покоя

Натрий-калиевый насос — молекулярный комплекс, способный выкачивать катионы натрия из клетки и закачивать катионы калия в клетку против градиента их концентрации, используя энергию, выделяющуюся при гидролизе АТФ.

Молекула Ыа⁺/К⁺-насоса была выделена из состава мембран аксонов и эритроцитов Йенсом-Кристианом Скоу в 1960;х гг. Было установлено, что в молекуле насоса имеется активный центр, который поочередно связывает катионы натрия, находящиеся внутри клетки, и катионы калия, находящиеся снаружи. Кроме того, в молекуле насоса имеется сайт связывания АТФ. Молекула насоса способна гидролизовать АТФ и использовать выделяющуюся при этом энергию для перекачки ионов через мембрану. Это позволяет называть молекулу насоса NaVK'-АТФазой. В работе насоса можно выделить три этапа. На первом этапе молекула насоса связывает АТФ и три катиона Na⁺ изнутри клетки. На втором этапе происходит гидролиз АТФ, вызывающий конформационные изменения в молекуле насоса. В результате этих изменений катионы Na⁺ переносятся через мембрану наружу и поступают в межклеточную жидкость, а насос в новой конформации связывает два катиона К⁺. В ходе третьего этапа Na⁺/K⁺-Hacoc переносит катионы калия внутрь клетки, высвобождает присоединенный на первом этапе фосфат и возвращается в исходную конформацию (рис. 1.6). Работа такого мембранного насоса, обеспечивающего постоянство ионной среды и стабильность потенциала покоя клетки, происходит с затратой энергии АТФ. При этом за один такт своей работы насос может перекачивать неодинаковое число катионов натрия и калия, например в соотношении 3Na⁺/2K⁺.

Рис. 1.6. Схема устройства Na⁺/K⁺-Hacoca:

димер состоит из двух аи двух р-субъединиц. Стрелки показывают направление попеременного переноса а-субъединицей катионов Na⁺ и К⁺ против их химических градиентов Стехиометрия работы насоса может быть выражена коэффициентом у. Величина у может быть различной (от 1 до ⁰⁰). У разных типов клеток коэффициент у часто равен 3/2. Это означает, что при работе насоса обмениваются 3 катиона Na⁺ на 2 катиона К⁺. Ввиду того что при обмене число выносимых зарядов (натрия) превышает на один положительный заряд число вносимых зарядов (калия), работа насоса создает свой дополнительный ток положительных зарядов, направленный из клетки (рис. 1.7). Это приводит к небольшому дополнительному увеличению электронегативных значений потенциала покоя (гиперполяризации клетки). Такая активность насоса называется электрогенной. Величина дополнительной электроотрицательной зарядки мембраны, т. е. увеличение уровня потенциала покоя за счет электрогенной компоненты работы насоса, зависит от интенсивности работы насоса по сравнению с пассивным натриевым током утечки. Поэтому для более точного расчета потенциала покоя необходимо учитывать наличие небольшого выходящего тока Na⁺, создаваемого Ыа⁺/К⁺-насосом. В уравнение Голдмана — Ходжкина — Катца следует вводить стехиометрический коэффициент у. Деление P_Na на коэффициент у корректирует проницаемость мембраны для входящего тока катионов натрия, приближая ее к реальному значению:

Рис. 1.7. Пассивные ионные токи К⁺ и Na⁺ и электрогенная работа №⁺/К⁺-АТФазы, создающей выходящий Na⁺-TOK, совместно заряжающие мембрану до величины потенциала покоя. При установившемся потенциале покоя алгебраическая сумма всех токов равна нулю Электрогенносгь NayK'-насоса играет важную роль в электрической активности фоторецепторных клеток сетчатки глаза, нейронов таламуса, перитонеальных тучных клеток и гладкомышечных клеток артериол, обладающих высоким входным сопротивлением мембран. В большинстве клеток гиперполяризация, создаваемая в покое электрогенной работой насоса, не превышает 10 мВ. Однако в некоторых клетках, например гладкомышечных, вклад электрогенной компоненты насоса в потенциал покоя может достигать 35—40 мВ.

Наряду с натрий-калиевым насосом, который обеспечивает создание и поддержание трансмембранных концентрационных градиентов натрия и калия в клетке, мембраны нейронов, мышечных и других возбудимых и невозбудимых клеток несут молекулы белков-транспортеров, осуществляющих сопряженный катион-хлорный котранспорт ионов через мембрану. Это позволяет поддерживать трансмембранный градиент анионов С1 .