Ионные насосы

Видео: Нейроны лекция 3 - Натрий-калиевый насос

Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

Эти механизмы появились в результате эволюционного приспособления организмов к изменению ионного состава внешней среды. По мнению Д. Грэннера (2004), появившиеся белки наилучшим образом функционировали в среде первичного океана, содержавшей преимущественно К⁺ и Mg²⁺. Со временем состав океана изменился, и преобладающими ионами стали Na⁺ и Са²⁺. Поэтому потребовался механизм, ограничивающий концентрации этих ионов в клетках, но сохраняющий в них К⁺ и Mg²⁺. Этим механизмом стали натриевый и кальциевый насосы. Последний способен поддерживать между цитозолем и внеклеточной жидкостью 1000-кратный градиент концентрации Са²⁺. В итоге сейчас у всех многоклеточных организмов Na⁺ и Са²⁺ оказались основными ионами внеклеточной среды. Последние служат внутриклеточным медиатором для множества процессов метаболизма с помощью гормонов или других биологически активных веществ, которые вызывают быстрые кратковременные изменения тока ионов через плазматическую мембрану и между внутриклеточными компартментами.

Работе биологических насосов свойственны некоторые признаки. Прежде всего — движение ионов против ожидаемого направления диффузии, сопряженное с параллельным расщеплением АТФ. При этом скорость переноса ионов чувствительна к температуре, а стимуляторы или ингибиторы действуют асимметрично, то есть с внутренней и с наружной стороны мембраны по-разному. Главным характерным свойством ионных насосов является перенос ионов только в одном направлении, то есть векторно.

Ионные насосы являются основным препятствием для повышения энтропии в биосфере. Их всего три: протонный, натриевый и кальциевый. Все живые клетки содержат протонные насосы. У высших организмов протонный насос играет роль генераторов АТФ за счет энергии, выделяемой при трансмембранном переносе ионов водорода по градиентам электрического поля и концентраций ионов. У низших животных и растений имеются не только протонные насосы-генераторы, но и насосы-двигатели, которые переносят Н⁺ против сил электродиффузии за счет энергии АТФ или других внешних источников энергии. Протонный насос у растений и микроорганизмов должен спасать клетку от сильных внешних воздействий — колебаний температуры, осмотического давления, механических ударов и т.п. Поэтому эти клетки защищены жесткой полисахаридной оболочкой, отличающейся по составу от оболочек животных клеток.

В отличие от универсального протонного насоса, натриевый и кальциевый встречаются только у животных. При этом натриевый связан с работой в первую очередь нервной и соединительной ткани, а кальциевый выявлен только в мышцах. В отличие от протонного, они реагируют на изменения соотношения элементов внутри клетки, стабилизируя и регулируя у животных системы внутриклеточной связи и действия. Рассмотрим механизм действия биологических насосов подробнее.

Видео: How Ion Pumps Work

Протонный насос

Как говорилось, все клетки используют единый механизм сопряжения энергии, полученной при окислении главным образом углеводов и жирных кислот (иногда — белков или НК) в митохондриальном матриксе, с работой мембрано-связанного протонного насоса. Протонный насос универсален, то есть может работать и как генератор, и как двигатель. В режиме генератора он трансформирует энергию электрического поля и перепада концентраций по ионам водорода (протонный градиент) в химическую энергию, которая запасается в виде АТФ. Аденозинтрифосфат является «энергетической валютой» клетки, что доказал Нобелевский лауреат по физиологии и медицине 1953 г. FA. Lipmann.

Разновидностями протонного насоса являются фотосинтетические единицы хлоропластов и дыхательные блоки митохондрий. Они переносят трансмембранно ион гидроксония (Н₃O⁺) с помощью поглощения света или окисления органических соединений. В обоих случаях ионы переносятся в одном направлении, т.е. векторно. Протонный градиент используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ, причем на моль переносимых ионов гидроксония запасается около 24 кДж энергии.

В митохондриях протонный насос переносит ионы водорода Н⁺ с одной стороны внутренней мембраны на другую, в межмембранное пространство. Благодаря этому на внутренней мембране устанавливается электрохимический протонный градиент — ЭПГ (разность рН по обеим сторонам мембраны, &Delta-рН), который вместе с трансмембранным потенциалом (&Delta-&Psi-) позволяет начать процесс генерации энергии. В нем принимает участие фермент Н⁺ - транлоцирующая АТФ-синтаза, расположенная во внутренней мембране митохондрий. Она синтезирует АТФ из аденозин-5`-дифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (Pi). При этом протоны перетекают обратно в митохондриальный матрикс. Процесс превращения ферментативного окисления метаболитов в энергию называется окислительным фосфорилированием. Таким образом, АТФ-синтаза работает в обратном направлении по сравнению с АТФ-азой. В целом идея, что синтез АТФ связан с энергией переноса протонов по градиенту концентрации, названа хемоосмотической теорией (Mitchell, 1961). В 1978 г. Митчелл получил за эту работу Нобелевскую премию по химии.

Переход электрона в процессе окисления от одного акцептора к другому, от более высокого к более низкому энергетическому состоянию, осуществляется системой переноса электронов (дыхательной цепью — ДЦ). Она состоит из 3 белковых комплексов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрий, и 2 подвижных молекул-переносчиков — убихинона (кофермент Q) и цитохрома с. В целом в ней насчитывается 15 переносчиков. Все они относятся к окислительно-восстановительному ряду ферментов, и расположены в порядке возрастания потенциалов от -0,4 до +0,8 кДж моль.

Энергия, выделяемая при переходе от одного комплекса к другому, используется для переноса протонов в межмембранное пространство. Фактически, в дыхательной цепи происходит перенос электронов между атомами металлов, координирующих простетические группы белковых комплексов, причем каждый последующий комплекс более сродствен к электронам, чем предыдущий. Поскольку наибольшим сродством к электронам имеет O₂, то он оказывается конечным рецептором цепи переноса электронов, образуя воду.

Основными источниками энергии в нормально работающей клетке являются углеводы и жиры. Углеводы окисляются в цикле реакций обмена, называемом гликолизом, в котором различают 10 отдельных ферментативных реакций. Суммарно реакция гликолиза выглядит так:

Глюкоза + 2ADP + 2Pi + 2NAD⁺ 2 пируват + 2 NADH + 2 АТР,

где Pi - неорганический фосфат.

Эти реакции неполного окисления происходят в цитоплазме. Полученный пируват затем переносится в матрикс митохондрий, где окисляется полностью. Сначала до ацетил-КоА (с помощью пируватдегидрогеназы), а потом в цикле лимонной кислоты (цикле Кребса, или цикле трикарбоновых кислот — ЦТК), в котором высвобождаются электроны для переноса по дыхательной цепи- при этом дополнительно образуются молекулы АТФ. В результате полного окисления 1 молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, как показано на схеме (рис. 1).

Рис. 1. Схема окисления молекулы глюкозы

Подобным образом окисляются и жирные кислоты, полученные при расщеплении нерастворимых триглицеридов в цитоплазме. Они попадают в матрикс митохондрий в виде ацил-КоА-производных и полностью окисляются в цикле &beta--окисления, в котором насчитывают 4 ферментативных реакции. Образовавшиеся молекулы ацетил-КоА далее окисляются в ЦТК по описанному механизму. Суть реакций, происходящих в ЦТК, заключается в получении высокоэнергетических электронов, переносимых восстановленным никотина-мидадениндинуклеотидом (NADH) и восстановленным флавинадениндинуклеотидом (FADH₂). При этом NADH, представляющий собой высокоэнергетическое промежуточное соединение, быстро доставляет электроны из матрикса митохондрий в дыхательную цепь на их внутренней мембране. Что касается FADH₂, то он с помощью ацил-КоА-дегидрогеназы доставляет электроны непосредственно к убихинону, в систему переноса электронов.

Первым типом простетических групп являются флавиновые ферменты. Они представляют собой производные рибофлавина (витамин В₂) флавинмононуклеотид — FMN и флавинадениндинуклеотид — FAD, принимающие электроны от сукцината, окисленного в ЦТК. Реакция представляет собой прямой перенос пары атомов водорода или двух электронов от субстрата на окисленную форму изоаллоксазинового кольца рибофлавина в молекулах FMN или FAD. Восстановленные формы (FMNFf₂ и FADH₂) переносят электроны дальше. Хотя в большинстве случаев при описании флавиновых дегидрогеназ о содержании в них каких-либо металлов не упоминают, фактически они содержат белки, координированные негеминовыми ионами Fe²⁺.

Второй тип переносчиков (цитохромы) связан с геминовой группой, в которой ион железа образует комплекс с порфирином. У этих переносчиков центральный атом железа переходит из окисленной формы Fe³⁺ в восстановленную Fe²⁺, перенося электрон. Как отмечалось выше, изменением валентности центрального атома железа цитохромы отличаются от гемоглобина, в котором гем координирован Fe²⁺, что позволяет ему переносить лиганды (O₂ и СO₂).

Третьим типом переносчиков электронов являются железо-серные белки, в которых 2 или 4 атома Fe ковалентно связаны с атомом S цистеиновых остатков полипептидной цепи, образуя железо-серный центр. Перенос электрона осуществляется так же, как у цитохромов, то есть изменением валентности ионов Fe.

Четвертым типом переносчиков являются медьсодержащие цитохром с-оксидазы. У них перенос электрона происходит с помощью изменения валентности атомов меди (Си²⁺ — Си⁺). В этом случае медь находится вместе с гемосвязанным железом в биметаллическом центре гема и участвует в заключительной стадии переноса электронов.

Таким образом, в комплексе I электроны переносятся от NADH на FMN или FAD, далее — на железосодержащие белки. Комплексом II можно считать сукцинатдегидрогеназу. В комплексе III электроны переносят цитохромы с 2 темами типа b и темами типов с и с₁. Далее в цепи комплекса IV участвует цитохром с-оксидаза, в биметаллических темах а и а₃ которой находятся 2 медьсодержащих центра. Непосредственно с O₂ взаимодействуют Си⁺ и гем а₃. При восстановлении O₂ образуется сильный основной анион O^{2 *}, спонтанно связывающий 2 протона с образованием воды (Фаллер, Шилдс, 2004- табл. 1).

Таблица 1. Компоненты дыхательной цепи

Ео, v	Компоненты дыхательной цепи
-0,3	Комплекс I NADH-дегидрогеназа (700-800 кДа, 25-30 субъединиц, 1 FMN, 2 Fe2S2, 4-5 Fe4S4)
+0,1	Комплекс II Сукцинатдегидрогеназа (125 кДа, 4-6 субъединиц, 1 FAD, 1 Fe2S2,1 Fe4S4, 1 Fe3S4, 2 убихинона, 1 гем b)
	Комплекс III Убихинол-цитохром с-редуктаза (400 кДа, 11 субъединиц, 2 Fe2S2, 2 гема b, 1 гем с1)
+0,3	Комплекс IV Цитохром с-оксидаза (200 кДа, 8-13 субъсдиииц, 2 Си, 1 Zn, 1 гем а, 1 гем а3)
+0,8	Комплекс V H+-транспортирующая АТФ-синтаза (>400 кДа, 8-14 субъединиц)

Иногда при описании дыхательной цепи АТФ-синтазу называют комплексом V, хотя этот фермент не участвует в переносе электронов. Однако он логически замыкает цепь переноса электронов, преобразуя полученный протонный градиент в синтез АТФ. Далее АТФ переносится из матрикса митохондрий в межмембранное пространство по механизму антипорта против АДФ, а затем через порины поступает в цитоплазму.

Механизм синтеза АТФ

Аденозинтрифосфат синтезируется АТФ-синтазой в большом количестве. В покое в организме взрослого человека ежедневно конвертируется количество АТФ, составляющее примерно половину веса тела, а при значительной физической нагрузке оно может возрастать почти до тонны. За выяснение деталей процесса синтеза АТФ в 1997 г. П. Бойеру (P.D. Воуег), Д. Уолкеру (J.E. Walker) и Й. Скоу (J.C. Scou) была присуждена Нобелевская премия по химии.

АТФ-синтаза состоит из двух частей: встроенного в мембрану протонного канала и каталитической белковой субъединицы. Протонный канал (фактор F₀) содержит гидрофобные полипептиды 3 видов с молекулярным весом 100-150 тыс. Да (1 а, 2 b и 9-12 с). Другая часть фермента представляет собой сферический белок (фактор F₁) с молекулярной массой примерно 500 тыс. Да. Он состоит, по крайней мере, из 9 субъединиц (3 — &alpha-, 3 — &beta-, по 1 — &gamma-, &delta-, &epsilon-). Фактор F₁ легко смывается с мембраны слабыми растворителями. В &beta--субъединицах он содержит 3 активных центра, участвующих в переносе протона в цикле образования АТФ. Энергия протонного переноса расходуется в основном на поворот одной из субъединиц, что вызывает кон-формационные изменения двух других и высвобождение АТФ, образованной во второй фазе цикла, внутрь клетки (рис. 2).

Рис. 2. Упрощенное изображение АТФ-синтазы.

АТФ-синтаза функционирует очень специфическим способом. Большинство ферментов связывают и высвобождают субстраты и продукты спонтанно, но для полного протекания каталитической реакции требуется энергия. В противоположность им, в молекуле АТФ-синтазы энергия требуется не для синтеза АТФ из АДФ и Р1, а для присоединения АДФ и фосфата к ферменту с последующим высвобождением АТФ. Излишек (активное сальдо) энергии запасается в АТФ. &gamma-, &delta- и &epsilon--субъедииицы вращаются в цилиндре, сформированном из чередующихся &alpha- и &beta--субъединиц. Это вращение стимулирует структурные изменения в &beta-, изменяющим ее связывающую способность в течение цикла (рис. 3).

Рис. 3. "Связывающе-обменный" механизм образования АТФ (по Бойеру)

Бойер назвал АТФ-синтазу «молекулярной машиной». Она может быть сравнена с водяной мельницей. F_o — колесо, поток протонов — падающий поток воды, а структурные изменения в F₁ обеспечивают образование за один цикл поворота трех молекул АТФ.

В режиме двигателя протонный насос, как и два остальных, за счет энергии АТФ создают между клеткой и средой разность электрохимических потенциалов. В этом случае энергия мембранных потенциалов может использоваться переносчиками питательных веществ — транспортными белками (пермеазами) — для снабжения клеток веществами разной химической природы и энергетической ценности. В отличие от насосов, пермеазы построены относительно среды симметрично, и работают в обоих направлениях равновероятно, не векторно. Направление перемещения зависит от внешних обстоятельств, а не от конструкции фермента. Поэтому такие системы обозначают как «псевдонасосы».

Пермеазы проявляют специфичность к субстратам, в том числе групповую. Они осуществляют активный перенос за счет энергии АТФ или других макроэргических соединений, например, фосфоенолпирувата. Механизмов активного переноса насчитывают три (рис. 4): 1. унипорт, когда переносится одно вещество в одном направлении (например, глюкоза в клетках печени)- 2. симпорт, когда два или более веществ переносятся в одном направлении (например, аминокислоты и глюкоза вместе с ионами Na⁺ в кишечном эпителии)- 3. антипорт, когда происходит обмен молекул в разных направлениях (например, HCO₃ на Cl в мембране эритроцитов или АТФ на АДФ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство).

Рис. 4. Активный перенос ионов и молекул за счет энергии гидролиза АТФ

При этом глюкоза и аминокислоты могут поступать внутрь эритроцитов не только активным переносом, но и путем облегченной диффузии пермеазами по типу унипорта. В этом случае молекула, перенесенная внутрь эритроцита, сразу же фосфорилируется и поэтому теряет способность покинуть клетку, то есть внешне этот процесс имеет векторные свойства. Специфичность пермеазы для глюкозы («D-гексозная») заключается в том, что она переносит только D-изомер. Она представляет собой интегральный мембранный белок с молекулярной массой 45 кД.

Перенос большинства растворимых молекул через биомембраны опосредуется переносчиками или канальными белками. Каналы позволяют переносить ионы через мембраны очень быстро, до 10⁸ ион/с на один канал. Такая скорость переноса ионов объясняется тем, что канальные белки при переносе ионов с одной стороны мембраны на другую не претерпевают конформационных изменений. По-видимому, белковые комплексы образуют в мембране в центре белкового кластера пору. Эти поры могут открываться или закрываться в ответ на химический или электрический сигнал. В этом случае может происходить ряд процессов, например, связанных с резким снижением сопротивления гематоэнцефалического барьера и приводящих к поступлению в нервные клетки поливалентных ионов Аl³⁺ или Мп²⁺. В последующем это проявляется нарушениями нейрохимических реакций в мозге и заканчивается нервными заболеваниями.

В отличие от канальных белков, переносчики, участвующие в транспортном цикле, претерпевают конформационные изменения. При этом они поворачиваются в мембране, так что место связывания переносимого вещества обращено сначала к одной, а затем к противоположной стороне мембраны. Активные переносчики сопрягают перенос вещества с переносом электронов, гидролизом АТФ или фосфоенолпирувата, поглощением света или совместным переносом иона. Как правило, опосредованный переносчиками перенос веществ через мембрану происходит на несколько порядков медленнее, чем перенос по каналам.

Натриевый насос (Na⁺/К⁺-обменивающая АТФ-аза)

Основная функция этого насоса — поддержание в живом организме электролитного гомеостаза. Он не только регулирует внутриклеточную концентрацию ионов, но и генерирует разность электрических потенциалов на мембране. Этот насос расположен на внутренней оболочке митохондрий. Результат его действия описан в табл. 5. Обмен ионов происходит против сил электродиффузии. В покое Ма⁺/К⁺-АТФаза использует третью часть всего АТФ, образующегося в организме.

При этом насос стимулируют с внутренней стороны мембраны только АТФ и Na⁺, а с наружной — только К⁺. При повышении температуры поток Na⁺ из клетки увеличивается. Ингибируется насос специфическим ингибитором — сердечным гликозидом «оубайном» (=уабаин, строфантин G) — только с наружной стороны мембраны. В целом натриевый насос обменивает клеточный Na⁺ на К⁺ из среды. Как и другие ионные насосы, натриевый состоит из двух основных компонентов — фермента и ионного канала.

Эта АТФ-азная система относится к группе транспортных белков и выявлена в плазматической мембране всех животных клеток. По своей природе она представляет собой гликопротеин, состоящий из 4 субъединиц (2 больших, цитоплазматических &alpha-₂, и 2 маленьких, ориентированных наружу клетки &beta-₂). Большие субъединицы (120 кДа) участвуют в реакционном цикле фосфорилирования-дефосфорилирования, каждый раз при этом изменяя свое конформационное состояние. Активный центр насоса присоединяет АТФ на внутренней границе мембраны и в присутствии Na⁺ и Mg²⁺ фосфорилируется, отщепляя фосфат от АТФ. Образовавшийся АДФ уходит в цитоплазму, а к активному центру фермента присоединяются отщепленный фосфат и ионы Na⁺.

За счет энергии расщепления АТФ активированный фермент изменяет свою ориентацию и форму внутри мембраны и поворачивается в сторону среды. Из клетки выталкиваются 3 иона Na⁺, а в клетку поступают 2 иона К⁺ через центральную пору, которую «открывают» меньшие субъединицы (55 кДа) этой системы. После ионообменной реакции на наружной стороне мембраны ионообменный центр фермента поворачивается в исходное состояние и отщепляет 2 иона К⁺ и неорганический фосфат (Р_н) внутрь клетки. Затем цикл повторяется.

Установлено, что Na⁺/K⁺-обменивающая АТФ-аза чрезвычайно специфична к Na⁺ и не работает при замене этих ионов на какие-либо другие. В то же время фермент почти неизбирателен к К⁺. Этот ион легко замещается, например, Rb⁺, Cs⁺, NH₃⁺, Tl⁺ и Tl³⁺. Таким образом, благодаря тому, что отщепившийся от АТФ фосфат соединяется с активным центром, АТФ формирует стереоспецифичную конфигурацию активного центра натриевого насоса.

Из-за неравномерного избирательного распределения ионов между клеткой и средой возникает разность электрических потенциалов на клеточной или любой другой мембране. Мембранный потенциал в течение всей жизни клетки остается почти неизменным (0,07-0,09 В). Это означает, что в мембране размером 5x10^-9 м создается мощное электрическое поле с напряженностью более 100 тыс. В/см. Насос постоянно выносит из клетки положительный заряд (обмен 3Na⁺ на 2К⁺), создавая разность электрических потенциалов недиффузионной природы. Это электрическое поле обеспечивает работу всех ионных насосов клетки.

Внешняя клеточная мембрана обычно непроницаема для К⁺. О нарушении проницаемости этой мембраны свидетельствуют снижение концентрации К⁺ в цельной крови и повышение в плазме. Изменение соотношения Na/K в крови относительно нормального значения (равного примерно 1,5) сопровождает нарушение системы электролитного гомеостаза и проявляется сердечно-сосудистыми и неврологическими нарушениями, например, аритмиями, парестезиями и параличами. В зависимости от особенностей ткани, в которой действуют насосы, проявляются и другие специфические нарушения. Например, в нервной ткани в случае сильного возбуждения электрогенность натриевого насоса и генерируемая им разность потенциалов препятствуют прохождению через аксон нервной клетки следующей группы импульсов. Получается, что насос ограничивает поток информации, поддерживая стабильность работы канала, передающего нервные импульсы. Поскольку его направленность векторна (только в одну сторону), обратное распространение импульса из-за особенностей устройства контактов между нервными клетками невозможно. По-видимому, этим свойством можно объяснить нарастающее со временем поражение нервной системы и мозга попавшими в нервные клетки ионами тяжелых металлов (Al, Мп, Pb, Си и др.) при болезнях Паркинсона, Альцхаймера, Вильсона-Коновалова и пр.

Кальциевый насос (Са-АТФазы, миозин)

Са является одним из наиболее биологически важных элементов, участвующем в обмене веществ различных органов и тканей животных весьма многообразно. Он может поглощаться клеткой пассивно, проходя через мембрану или по градиенту концентраций, или по электрическому полю, или обмениваться на ионы натрия. Однако некоторые функции организма обеспечиваются только энергозатратным переносом Са²⁺, например, сокращение мышечных волокон, где Са²⁺ выступает в роли вторичного мессенджера.

Для понимания работы кальциевого насоса необходимо кратко рассмотреть строение мышечного волокна и механизм его сокращения. Белки, вытянутые от одного края мышечного волокна до другого, представляют собой две сократительные нити — актин и миозин. При сокращении мышцы они проскальзывают друг в друга, а при расслаблении возвращаются в исходное положение. Мышечное волокно насквозь пронизано мембранной сетью, называемой саркоплазматическим ретикулумом (CP). Сократительный элемент (саркомер) состоит из многих нитей актомиозина и CP, причем последний выглядит, как впяченная внутрь волокна клеточная мембрана, опоясывающая сократительный элемент.

В покоящихся клетках миофибрилл концентрация Са²⁺ мала (ниже 10 ⁵ М), тогда как в CP она существенно выше (10 ³ⁱ М). Высокая концентрация в CP обеспечивается Са²⁺-АТФазами и поддерживается с помощью специального кислого белка калъсеквестрина (55 кДа). Потенциал действия, поступающий с концевой пластинки двигательного нейрона, деполяризует плазматическую мембрану через поперечные трубочки Т-системы, которые представляют собой трубчатые впячивания клеточной мембраны и тесно контактируют с миофибриллами. В результате потенциал-управляемый мембранный белок ("SR-foot") прилегающей мембраны СРz открывает Са²⁺-каналы для выброса Са²⁺ в пространство между филаментами актина и миозина до уровня >10 ⁵ М. Этот выброс запускает процесс сокращения миофибрилл (рис. 5).

Рис. 5. Схема работы кальциевого насоса

Механизм этого процесса далее представляется следующим образом: выброшенный Са²⁺ связывается с С-субъединицей тропонина, перестраивая его структуру. Тропонин-миозиновый комплекс разрушается и освобождает на молекуле актина участок связывания с миозином, что и начинает цикл сокращения. После него уровень Са²⁺ снижается из-за активного обратного переноса в CP, тропонин С отдает Са²⁺, комплекс тропонин-тропомиозин занимает на молекуле актина исходное положение, блокируя актин-миозиновый цикл. Наступает расслабление мышцы. В клетках эукариот Са²⁺ может связываться не только с тропонином С, но также с близкими по свойствам кальмодулином и парвальбумином. Такой комплекс непосредственно связан с Са-насосом.

Поскольку высокая концентрация Са²⁺ в цитоплазме из-за цитотоксического действия иона нежелательна, она быстро снижается благодаря очень активным многочисленным транспортным Са-КТФазам. Химически они представляют собой протеолипиды. По расчетам, молекулы кальциевого насоса занимают треть поверхности мембран мышечной ткани. При гидролизе одной молекулы АТФ внутрь пузырьков CP транспортируется 2 иона Са²⁺. Как и у натриевого насоса, здесь активный центр связывается с АТФ и 2 Са²⁺ на мембране со стороны цитозоля, затем он поворачивается внутрь пузырька, выбрасывает Са²⁺ и АДФ, после чего принимает исходное положение. Таким образом, мышечное сокращение — это механическая энергозатратная работа, обеспечиваемая гидролизом АТФ. Катализирует гидролиз АТФ сам миозин, причем в отсутствие Са²⁺ распад АТФ и сокращение миофибрилл полностью исчезают. Вероятно, места связывания ШТФ и Са²⁺ на миозине взаимно конкурентны.

Многочисленные исследования показали, что повышенное содержание Са²⁺ внутри клетки предшествует развитию программируемой смерти клетки (апоптозу). Часто снижение количества Са²⁺ отдаляет начало апоптоза. На инициирование этого процесса влияет также содержание Zn²⁺, действующего по отношению к Са²⁺ антагонистически.

Влияние этих катионов сказывается прежде всего на изменении мембран клеток, подвергающихся апоптозу. При апоптозе активируются два вида ферментов — эндонуклеаза, расщепляющая ДНК во внутренних участках нуклеосом, и тканевая трансглутаминаза, ковалентно связывающая белки с мембраной посредством образования изопептидных связей. Zn²⁺ блокирует апоптоз по механизму подавления активности эндонуклеазы. Кроме того, эти катионы влияют на активность антиокислительной системы путем взаимодействия с металлами, координирующими ферменты этой системы, прежде всего с Fe и Си.

В ходе эволюции переход от водной среды с большим содержанием Са²⁺ к наземному существованию был сопряжён с развитием сложного механизма гомеостаза иона, поскольку он цитотоксичен, для предотвращения резких изменений концентрации Са²⁺ во внеклеточной жидкости. В этом механизме основную роль играют три гормона — паратиреоидный (ПТГ), кальцитриол (витамин Д) и кальцитонин (КТ). Механизм гомеостаза кальция очень эффективен, а при сбое в его работе наблюдаются разнообразные патологические состояния, в том числе резко сокращается продолжительность жизни организма.

Общим для натриевого и кальциевого насосов является свойство всегда переносить положительные заряды асимметрично из клетки во внеклеточную среду, только у натриевого насоса этой средой является внешняя среда, а у кальциевого — специализированные компартменты (пузырьки CP) внутри клетки. Таким образом, кальциевый насос является специализированной системой, предназначенной для быстрой регуляции концентрации Са²⁺ в скелетных мышцах.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков