3.10. Натриево-калиевый насос

Стабилизация или равновесие в процессе движения ионов осуществляется не только за счет того, что электрическое поле компенсирует диффузное давление вследствие разности потенциалов. Стабилизация обеспечивается еще и тем, что мембранные белки переносят ионы через мембрану против электрического и концентрационного градиентов, потребляя для этого метаболическую (обменную) энергию. В физиологии этот процесс назван активным транспортом. Наиболее важный процесс активного транспорта связан с работой натриево-калиевого (Na/Ка) насоса. Натриевый или калиевый насос – процесс накачивания ионов натрия или калия. Такие насосы существуют практически во всех клетках. Насос выкачивает ионы натрия из клетки, одновременно накачивая ионы калия внутрь клетки (см. рис 4).

Таким образом обеспечивается низкая внутриклеточная концентрация ионов натрия и высокая – калия. При этом следует помнить, что концентрация ионов натрия на мембране имеет специфические функции – передачи информации в виде электрических импульсов.

Активный транспорт является электрогенным за счет того, что создает электрический ток через мембрану. Создание электрического тока активным транспортом увеличивает электроотрицательность мембранного потенциала примерно на 10 мВ.

Рис. 4. Схема функционирования Na/K – насоса, который за один цикл выносит из клетки три иона +Na и приносит в клетку два иона +К.

Работа Na/К насоса представляет собой многоступенчатую химическую реакцию и в значительной степени зависит от температуры, уровня концентрации транспортируемых ионов и энергетических затрат. Натриево-калиевые насосы потребляют более 1/3 всей энергии, вырабатываемой и потребляемой клеткой. Другими словами, скорость работы насоса ограничена и не может возрастать до бесконечности при повышении концентрации транспортируемых ионов.

Помимо натриево-калиевого насоса плазматическая мембрана содержит еще один насос – кальциевый (Са). Кальциевые насосы присутствуют с высокой плотностью в мышечных клетках, которые накапливают ионы кальция в результате расщепления молекул АТФ.

Чтобы поддерживать равновесие между насосными и пассивными мембранными токами, плазматическая мембрана содержит примерно в 1000 раз больше насосных молекул, чем канальных. Кроме того, что потоки ионов натрия внутрь клетки, а ионов калия из клетки компенсируются работой насосов, имеет место и сопутствующий эффект. Эффект заключается в том, что тем самым сохраняется стабильное давление и постоянный объем клетки.

3.11. Экзоцитоз и эндоцитоз

Для некоторых веществ, которые поступают в нервную клетку или должны быть выведены из нее (белки, холестерол) транспортные каналы отсутствуют. Для этих целей используются механизмы эндо- и экзоцитоза. При экзоцитозе определенные структуры клетки формируют пузырьки (везикулы), заполненные веществом, которое необходимо вывести из клетки. Данные пузырьки достигают плазматической мембраны, сливаются с ней и выводят содержимое пузырьков наружу (см. рис. 5). При эндоцитозе, плазматическая мембрана образует первоначально небольшую ямку, заполненную внеклеточным веществом. Ямка углубляется внутрь клетки, края которой полностью замыкаются. Образуется внутриклеточный пузырек, вещество которого и потребляется клеточными структурами. Эндо- и экзоцитоз происходят в клетках непрерывно. Подсчитано, что в течение 1 ч клетка может поглотить в виде пузырьков (везикул) двойную площадь поверхности своей цитоплазматической мембраны.

Рис. 5. Экзоцитоз. Внутриклеточная везикула сливается с липидным бислоем мембраны и открывается во внеклеточное пространство. Обратный процесс называется эндоцитозом.