Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы,работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы).
В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану (рис.13).
Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вследствие сопряжения процессов переноса с химическими реакциями, за счет энергии метаболизма клеток.
При работе К+-Na+-АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение.
В Са2+-АТФазе за счет энергии гидролиза АТФ переносятся два иона кальция, а в Н+-помпе - два протона.
Рис.13. Виды ионных насосов: а) К+-Na+- АТФаза в цитоплазматических мембранах
(К+-Nа+-насос); б) - Са2+-АТФаза (Са2+-насос); в) - Н+-АТФаза в энергосопрягающих мембранах митохондрий, хлоропластов (Н+-насос, или протонная помпа)
Признаки «бионасоса»:
1. Движение против градиента электрохимического потенциала.
2. поток вещества сопряжён с гидролизом АТФ (или другого источника энергии).
3. асимметрия транспортной машины.
4. насос in vitro способен гидролизовать АТФ только в присутствии тех ионов, которые он переносит in vivo.
5. при встраивании насоса в искусственную среду он способен сохранять селективность.
Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не изучен. Тем не менее прослеживаются основные этапы этого сложного ферментативного процесса. В случае К+-Nа+-АТФазы насчитывается семь этапов переноса ионов, сопряженных с гидролизом АТФ.
На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента являются:
1) образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния);
2) связывание комплексом трех ионов натрия;
3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата;
4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны;
5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны;
6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки;
7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р).
Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.