Натриевый насос - это механизм, который выводит из клетки ионы натрия , входящие в клетку пассивно в направлении концентрационного и электрического градиентов. Существование натриевого насоса доказывается с помощью радиоактивных изотопов ионов натрия . При быстром охлаждении нервных клеток до 0,5 градуса С выход ионов натрия снижается в 10 раз, при возвращении температуры к исходному уровню, выход ионов натрия также возрастает до нормы. Такая температурная зависимость показывает, что выход ионов не может осуществляться за счет диффузии, так как скорость диффузии слабо уменьшается при охлаждении.
Динитрофенол (вещество, блокирующее в клетке метаболические процессы снабжения энергией) также снижает выход инов натрия, что доказывает, что они выводятся из клетки посредством активного транспорта. Активный транспорт ионов натрия из клетки имеет компонент, сопряженный со входом ионов калия в клетку, что позволяет экономить энергию. У внутренней стороны мембраны ион натрия образует с переносчиком Y молекулу NaY, которая диффундирует через мембрану и спонтанно распадается у ее наружной стороны. Молекула Y превращается в молекулу X, которая связывается с ионами калия K+ в наружном растворе. Возникающее в результате этого соединение КX диффундирует через мембрану, распадаясь у ее внутренней стороны на К+ и X. Внутри клетки молекула X преобразуется в молекулу Y с использованием энергии распада АТФ. Сопряженность Х и К+ экономит половину энергии, которая потребовалась бы для несопряженного транспорта ионов натрия Na+. Существование сопряженного Na+ - К+ насоса доказывается путем удаления К+ из наружного раствора. Тогда не может образоваться комплекс КX у наружной стороны мембраны и выход Na+ уменьшается до 30% нормального уровня. Натриевый насос может быть электронейтральным и электрогенным. Обычно комплекс NaY электронейтральный, поэтому в процессе транспорта отсутствует поток электрических зарядов через мембрану, такой электронейтральный натриевый насос не влияет на мембранный потенциал. Кроме того, существуют
В организме много разных микроэлементов, но наличие двух из них, калия (К) и натрия (Na), обеспечивает самое важное – нормальную работу клетки, а именно – поставку в нее «кирпичиков» для строительства и вывоза «мусора» после строительства. Причем они работают одновременно, перемещаясь навстречу друг другу и составляя некую систему – постоянно действующую помпу – калиево-натриевый насос. Работа этого насоса происходит благодаря наличию особого белка, который расположен в мембране клетки, пронизывая всю ее толщину. Называется такой белок «натрий-калиевая АТФ-аза».
Зачем нужен такой насос? Его функция – постоянно накачивать ионы К внутрь клетки, одновременно выкачивать из нее ионы Na в межклеточное пространство.
Важно понимать, что при этом перемещение обоих ионов происходит против градиентов их концентраций. И осуществление таких неестественных функций возможно благодаря двум важнейшим свойствам внутримембранного белка:
1) он умеет «добывать» энергию, расщепляя АТФ (уникальный источник энергии в организме);
2) специализируется именно на связывании Na и K.
Значение калиево-натриевого насоса для жизни каждой клетки и организма в целом определяется тем, что непрерывное откачивание из клетки Na и нагнетание в нее K необходимо для осуществления многих жизненно важных процессов:
* осморегуляции и сохранения клеточного объема;
* поддержания разности потенциалов по обе стороны мембраны;
* поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках;
* активного транспорта через мембраны других веществ (сахаров, аминокислот);
* синтеза белка в клетке, обмена углеводов, осуществления фотосинтеза и других процессов по обеспечению жизни клетки.
Необходимо понимать, что работа насоса настолько важна, что примерно треть всей энергии, которую расходует клетка организма в состоянии покоя, затрачивается именно на поддержание работы калиево-натриевого насоса.
Таким образом, каждая клетка организма «дышит» вместе с взаимонаправленным движением К и Na, и если каким-либо внешним воздействием подавить это дыхание, то ионный состав внутреннего содержимого клетки начнет постепенно меняться – произойдет накопление натрия внутри клетки, и вымывание калия из клетки приведут к равновесию с ионным составом среды, окружающей клетку, после чего клетка погибает.
Именно поэтому важно рассматривать Na и К не как отдельные ионы, а в совокупности и неразрывности. Это два химических элемента-антипода, между которыми идет постоянная «борьба», и каждый из них тянет «одеяло на себя».
ВАЖНО!!! Na связывает воду, а K пытается вывести ее из клетки. Вот это движение «в клетку и из клетки» позволяет жидкости циркулировать из межклеточного пространства в клетку и обратно. А вместе с ней циркулируют и питательные вещества – внутрь, а из клетки – продукты жизнедеятельности клетки, создавая систему микронасосиков, которые в совокупности образуют единый насос и называются «калиево-натриевым насосом».
Но работать калиево-натриевый насос будет при условии определенного соотношения K и Na в организме.
Важно отметить, что тенденции последнего времени – избыток Na в человеческом организме, и в этом случае под угрозой находится благосостояние всего организма, в особенности сердечно-сосудистая система, работа мозга и работа мышц. Также нарушение баланса приводит к изменениям процессов белкового обмена, обмена жиров, углеводов, минералов и витаминов во всех органах и системах организма.
Так устроен наш организм, что он склонен удерживать Na (посредством ренин-ангиотезин-альдостероновой системы) и расходовать K. Именно поэтому организму проще пережить нехватку Na, чем его избыток. В случае понижения уровня Na в организме надпочечники (а точнее – кора надпочечников) начинают вырабатывать гормон альдостерон, под действием которого почки начинают снова поглощать доступный Na. И все восстанавливается.
К же постоянно выводится из организма с мочой, особенно в условиях стресса, при активных физических нагрузках и умственной работе.
Как это объяснить? Одна из теорий – у древних людей был неограниченный доступ к растительной пище, содержащей калий, и не было доступа к привычной нам поваренной соли. Именно поэтому избыток К выводится, а Na организм запасает с учетом эволюционной памяти.
В современных же условиях дела обстоят с точностью наоборот – поваренная соль (NaCl) используется в неограниченном количестве – ее мы добавляем в любое блюдо, употребляем в виде различных добавок, а количество сырых овощей и фруктов, содержащих K, в рационе современного человека значительно уменьшилось. Постоянные стрессовые ситуации только усугубляют проблему, поскольку способствуют выведению K и накоплению Na. Обладая мочегонным эффектом, K способствует выведению солевых излишков, которые не идут организму на пользу, Na же помогает накоплению продуктов метаболизма и задержке воды.
ВАЖНО!!! Одно из проявлений гипернатриемии в организме – повышение уровня артериального давления (АД) – относится к последствиям нарушения баланса K и Na в сторону последнего.
Также нужно принимать к сведению, что постоянно существующий избыток Na при недостатке K в организме коррелирует с повышением риска многих заболеваний, поскольку нарушается нормальная и сбалансированная работа любой клетки организма.
Калий: для чего нужен и как определить его дефицит?
К способствует нормальной работе органов и систем организма, поскольку помогает выведению из клеток продуктов их жизнедеятельности. При нехватке K страдает весь организм, но в первую очередь – нервная и мышечная системы. Человеку становится трудно передвигаться, начинаются перебои в работе сердечной мышцы.
Уровень ниже 3,5 ммоль/л – это гипокалиемия. При этом состоянии наблюдаются следующие симптомы:
Повышенная утомляемость;
сильные судороги в ногах;
мышечная слабость;
затруднения дыхания;
нарушения сердечного ритма;
запоры;
тошнота;
отечность лица и нижних конечностей;
редкое мочеиспускание.
Как восстановить баланс K и Na в организме?
Лучшим способом поднять уровень калия и восстановить работу калиево-натриевого насоса в организме является употребление свежих продуктов растительного происхождения.
ВАЖНО!!! Чем интенсивнее нагрузки физического и умственного характера, тем больше человек должен употреблять K и меньше Na.
Основным способом поддерживать здоровое соотношение указанных элементов является питание. Источники K для организма приведены в таблице.
Суточная норма потребления K
Суточной нормой K для здорового взрослого человека считается около 2–3 граммов, а малышам нужно (в зависимости от возраста и массы тела) 16–30 мг этого вещества на каждый килограмм веса
.
Естественно, что при активных умственных и физических нагрузках, беременности, а также несбалансированном рационе питания необходимость в калии существенно повышается. При этом стоит отметить, что хоть и небольшой, но все-таки недостаток K человек испытывает весной и, как правило, дефицит редко наблюдается осенью.
Суточная норма K, оптимальная для каждого конкретного человека, также зависит и от содержания в организме Na. Это связано с тем, что нормальный обмен веществ представляется возможным только в том случае, если между Na и K поддерживается соотношение 2/3 к 1.
Суточная норма Na
Для того чтобы человеческий организм нормально рос и развивался, нужно употреблять минимальную суточную норму Na каждый день. Получить суточную норму натрия 1–2 грамма можно благодаря поваренной или морской соли. Важно учитывать, что такие продукты, а также соевый соус, рассолы, квашеная капуста, мясной бульон и консервированное мясо тоже содержат наибольшее количество Na. Поэтому не нужно спешить подсаливать пищу.
Норма в крови взрослого человека – 123–140 ммоль/л.
Гипонатриемия (снижение уровня натрия менее 123 ммоль/л) случается довольно редко. Кроме того, важно помнить, что в организме человека, а именно в почках, заложен механизм сохранения натрия, поэтому дефицит может проявляться исключительно в жаркую погоду, когда натрий будет выводиться вместе с потом, при потреблении одновременно слишком большого количества жидкости, рвоте и диарее или полном исключении попадания натрия в организм.
Выводы
1. Наш организм устроен таким образом, что К и Na работают во взаимодействии и образуют калиево-натриевый насос.
2. Эволюционно человек настроен на потерю K и сохранение Na.
3. Поэтому важно, чтобы в организм постоянно поступало в 2–3 раза больше K, чем Na.
Натриевый насос
(«На́триевый насо́с»,)
«натриево-калиевый насос» (биохимический), мембранный механизм, поддерживающий определённое соотношение ионов Na + и К + в клетке путём их активного транспорта против электрохимического и концентрационного градиентов. Клетки большинства тканей содержат больше ионов К + , чем Na + , в то время как в омывающей их жидкости (кровь, лимфа, межклеточная жидкость) значительно выше концентрация Na + . Определённое количество ионов постоянно входит в клетки и покидает их. Пассивный транспорт катионов (движение ионов через мембрану по системе специальных каналов вдоль электрохимического и концентрационного градиентов) в норме компенсируется активным транспортом ионов (См.
Активный транспорт ионов). Функционирование «Н. н.» связано с переносом метаболитов в клетки, а для нервных и мышечных волокон также с механизмом возбуждения (См. Возбуждение) (см. Мембранная теория возбуждения). Активный перенос Na + из клетки сопряжён с транспортом К + в обратном направлении и осуществляется особой ферментной системой - транспортной Na, К, - стимулируемой аденозинтрифосфатазой, локализованной в клеточной мембране. Последняя, гидролизуя аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), высвобождает энергию, которая и затрачивается на активный перенос катионов. Работа «Н. н.» в целом зависит от уровня метаболизма клетки. См. также Биоэлектрические потенциалы ,
Проницаемость биологических мембран .
Р. Н. Глебов.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
натриевый насос первого контура ядерного реактора с натриевым теплоносителем - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN primary sodium pump … Справочник технического переводчика
Важнейшие парные органы выделения позвоночных животных и человека, участвующие в водно солевом Гомеостазе, т. е. в поддержании постоянства концентрации осмотически активных веществ в жидкостях внутренней среды (см. Осморегуляция),… …
- (renes) парный экскреторный и инкреторный орган, выполняющий посредством функции мочеобразования регуляцию химического гомеостаза организма. АНАТОМО ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ ОЧЕРК Почки расположены в забрюшинном пространстве (Забрюшинное пространство) на… … Медицинская энциклопедия
- (биологическое) передвижение в живых системах ионов (натрия, калия, магния, кальция и др.) через различные клеточные мембраны (например, нервных и мышечных клеток, эритроцитов и др.) против любого из градиентов концентрационного,… … Большая советская энциклопедия
Электрические потенциалы, возникающие в тканях и отдельных клетках человека, животных и растений, важнейшие компоненты процессов возбуждения (См. Возбуждение) и торможения (См. Торможение). Исследование Б. п. имеет большое значение для… … Большая советская энциклопедия
- (биологическое) реакция живой клетки на раздражение, выработанная в процессе эволюции. При В. живая система переходит из состояния относительного физиологического покоя к деятельности (например, сокращение мышечного волокна, выделение… … Большая советская энциклопедия
- (биологическая) снижение существующей в покое разности потенциалов (так называемого потенциала покоя) между внутренней и наружной сторонами мембраны живой клетки. В нервных клетках и их отростках, а также в мышечных волокнах Д. один из… … Большая советская энциклопедия
Общепринятая в физиологии теория возбуждения мышечных и нервных клеток. Основа М. т. в. представление о том, что при раздражении возбудимой клетки в её поверхностной мембране происходит молекулярная перестройка, которая приводит к… … Большая советская энциклопедия
Укорочение мышцы, в результате которого она производит механическую работу. М. с. обеспечивает способность животных и человека к произвольным движениям. Наиболее важная составная часть мышечной ткани (См. Мышечная ткань) белки (16,5… … Большая советская энциклопедия
- (франц. polarisation, перво
Натрий-калиевый насос (или натрий-калиевая помпа) - наверное, один из самых изученных белков, однако он продолжает преподносить сюрпризы. Недавно группа датских исследователей предложила модель работы этого белка, в которой важную роль играют цитоплазматические протоны. Судя по всему, некоторые наследственные неврологические нарушения, например один из видов гемиплегической мигрени , вызываются мутацией именно в том участке насоса, где связывается протон.
Жизнь зарождалась в соленой морской воде, и первым клеткам - крохотным мешочкам с пресным содержимым - приходилось постоянно «выплевывать» проникающие в них ионы натрия, чтобы не «засолиться». Поэтому в мембране клеток появился специальный белок - натрий-калиевый насос. Этот трансмембранный (то есть пронизывающий мембрану насквозь) белок занимается тем, что выкачивает из клетки ионы натрия и взамен впускает ионы калия: на каждые три «выплюнутых» натриевых иона приходится два «проглоченных» калиевых и расщепляется одна молекула АТФ. Клетка научилась использовать возникающие в результате этого химические и электрические градиенты себе на благо: например, для создания потенциала покоя , симпорта и поддержания клеточного объема.
Тот факт, что в обмен на три иона натрия в клетку попадает только два иона калия, немного настораживает. Если в насосе есть три участка для связывания катионов, то куда же девается один из них, когда белок транспортирует калий? Группа ученых из Дании (датчане вообще славятся работами в биологии ионных насосов, взять хотя бы первооткрывателя натриевого насоса Йенса Кристиана Скоу) попыталась доказать, что место третьего натриевого иона во время переноса калия занимает цитоплазматический протон (то есть ион водорода), который потом, когда становится ненужным, возвращается назад в цитоплазму. Кроме того, исследователи предполагают, что обнаружили в натриевом насосе прежде неисследованный ионный ход, по которому и движется этот протон.
Всё началось с того, что при изучении альфа-субъединицы этого белка ученые обратили внимание на то, что между его C-концом и предполагаемым сайтом связывания для третьего иона натрия находится полость, выстланная полярными и заряженными аминокислотными остатками - то есть идеальная дорога для ионов. Особенно интересно, что тяжелое наследственное заболевание - гемиплегическая мигрень - вызывается мутацией в аминокислотах, находящихся совсем рядом с этой полостью.
Чтобы узнать, для чего эта полость нужна, ученые попробовали «испортить» ее (заменив некоторые из образующих ее аминокислот на другие) и посмотреть, какие проблемы возникнут у мутантного белка. Во-первых, выяснилось, что мутантный насос значительно утратил сродство к натрию. Но кроме того оказалось, что в определенных условиях (при повышенном мембранном потенциале) она «выплевывала» натрий гораздо охотнее, чем немутантный белок. Это могло означать, что мутация в данном участке насоса облегчает какой-то процесс, связанный с высвобождением натрия.
Исследователи провели еще ряд экспериментов и пришли к выводу, что этот загадочный процесс - высвобождение C-конца: он, как пробка, отходит от основной части белка, открывает ионный канал и впускает туда молекулы воды, которые протонируют находящийся в глубине остаток аспартата (D930). После этого натрий покидает насос и попадает во внеклеточное пространство. Всё это позволило ученым создать усовершенствованную модель работы натриевого насоса.
Судя по всему, он работает так. Пусть вначале в насосе «сидят» три иона натрия на своих сайтах связывания и один протон на глутаматном остатке. Ионы натрия могут выйти во внеклеточное пространство только тогда, когда C-конец белка поменяет свое положение и перестанет затыкать ионный канал и по этому каналу пойдет вода, которая протонирует остаток аспартата (где находится сайт связывания для натрия). Когда ионы натрия выходят во внеклеточное пространство, им на смену приходят ионы калия. Тот протон, который был на глутамате, переходит на аспартат, а тот, что был на аспартате, покидает белок по открытому ионному каналу. Ионы калия входят во внутриклеточное пространство по одному каналу, а протон, который был на аспартате, - по другому. На смену ионам калия приходят ионы натрия. На глутаматный остаток «садится» протон, и цикл повторяется.
Активный транспорт - это сопряженный с потреблением энергии перенос молекул или ионов через мембрану против градиента концентрации. Энергия требуется потому, что вещество должно двигаться вопреки своему естественному стремлению диффундировать в противоположном направлении. Движение это обычно однонаправленное, тогда как диффузия обратима. Источником энергии для активного транспорта служит АТФ - соединение, образующееся в процессе дыхания и выполняющее в клетке роль носителя энергии. Поэтому в отсутствие дыхания активный транспорт идти не может.
Во внеклеточных и внутриклеточных жидкостях преобладают ионы натрия (Na=), ионы калия (К+) и хлорид-ионы (Сl-). На рисунке видно, что концентрации этих ионов внутри эритроцитов и в плазме крови человека весьма различны. Внутри эритроцитов, как и в большинстве клеток, концентрация калия значительно выше, чем снаружи. Другая характерная особенность заключается в том, что внутриклеточная концентрация калия превышает концентрацию натрия.
Если каким-либо специфическим воздействием, например с помощью цианида, подавить дыхание эритроцитов, то их ионный состав начнет постепенно меняться и в конце концов сравняется с ионным составом плазмы крови. Это показывает, что данные ионы могут пассивно диффундировать через плазматическую мембрану эритроцитов, но что в норме за счет энергии, поставляемой процессом дыхания, идет их активный транспорт, благодаря которому и поддерживаются концентрации, указанные на рисунке. Иными словами, натрий активно выкачивается из клетки, а калий активно накачивается в нее.
Натрий-калиевый насосАктивный транспорт осуществляется при помощи белков-переносчиков, локализующихся в плазматической мембране. Этим белкам в отличие от тех, о которых мы говорили при обсуждении облегченной диффузии, для изменения их конформации требуется энергия. Поставляет эту энергию АТФ, образующийся в процессе дыхания.
Сравнительно недавно выяснилось, что у большей части клеток в плазматической мембране действует натриевый насос , активно выкачивающий натрий из клетки. В животных клетках натриевый насос сопряжен с калиевым насосом, активно поглошаюшим ионы калия из внешней среды и переносящим их в клетку. Такой объединенный насос называют натрий-калиевым насосом |(Na+, К+)-насос|. Поскольку насос имеется почти во всех животных клетках и выполняет в них ряд важных функций, он представляет собой хороший пример механизма активного транспорта. О его физиологическом значении свидетельствует тот факт, что более трети АТФ, потребляемого животной клеткой в состоянии покоя, расходуется на перекачивание натрия и калия.
Насос - это особый белок-переносчик, локализующийся в мембране таким образом, что он пронизывает всю ее толщу. С внутренней стороны мембраны к нему поступают натрий и АТФ, а с наружной - калий. Перенос натрия и калия через мембрану совершается в результате конформационных изменений, которые претерпевает этот белок. Обратите внимание, что на каждые два поглощенных иона калия из клетки выводится три иона натрия. Вследствие этого содержимое клетки становится более отрицательным по отношению к внешней среде, и между двумя сторонами мембран возникает разность потенциалов. Это ограничивает поступление в клетку отрицательно заряженных ионов (анионов), например хлорид-ионов. Именно данным обстоятельством объясняется тот факт, что концентрация хлорид-ионов в эритроцитах ниже, чем в плазме крови (рис. 5.20), хотя эти ионы могут поступать в клетки и выходить из них за счет облегченной диффузии. Положительно заряженные ионы (катионы), напротив, притягиваются клеткой. Таким образом, оба фактора - концентрация и электрический заряд - важны при определении того, в каком направлении будут перемешаться через мембрану ионы.
Натрий-калиевый насос необходим животным клеткам для поддержания осмотического баланса (осморегуляции). Если он перестанет работать, клетка начнет набухать и в конце концов лопнет. Произойдет это потому, что с накоплением ионов натрия в клетку под действием осмотических сил будет поступать все больше и больше воды. Ясно, что бактериям, грибам и растениям с их жесткими клеточными стенками такой насос не требуется. Животным клеткам он нужен также для поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках и, наконец, для активного транспорта некоторых веществ, например Сахаров и аминокислот. Высокие концентрации калия требуются также для белкового синтеза, гликолиза, фотосинтеза и для некоторых других жизненно важных процессов.
Активный транспорт осуществляется всеми клетками, но в некоторых случаях он играет особо важную роль. Именно так обстоит дело в клетках эпителия, выстилающего кишечник и почечные канальцы, поскольку функции этих клеток связаны с секрецией и всасыванием.
