Биологические науки/9. Биохимия и биофизика

Іваницька З.Я., к.т.н. Личковський Е.І., д.б.н. Санагурський Д.І.

Львівський національний медичний університет ім. Д. Галицького

Визначення значення стехіометричного показника Na⁺/Ca²⁺  обмінника для зародків холоднокровних

Електронейтральний Nа⁺/Са²⁺ обмін через мембрану у випадку наявності катіонів натрію по один, а кальцію по другий бік здійснює спеціальний переносчик ліпопротеїдної природи. Напрям перенесення задається характером розподілу катіонів, а швидкість перенесення контролюється фізико-хімічним станом мембрани та активністю цАМФ-залежної протеїнкінази. Система Nа⁺/Са²⁺ обміну відіграє важливу роль, зв’язуючи два іонні градієнти, які функціонують у клітині – натрієвий та кальцієвий, що підвищує функціональні можливості клітини [1,2].

Стехіометрія Na⁺/Ca²⁺ обмінної системи не є кінцево встановлена. На факт, що даний процес є електрогенним вказує те, що стехіометрія повинна бути більша ніж 2Na⁺/Ca²⁺. Провівши дослідження, Шеу і Фазард встановили значення стехіометричного коефіцієнта n, використавши іон-селективні мікроелектроди, виміряли внутріклітинну та позаклітинну активності для катіонів Na⁺ та Ca²⁺ у шлуночкових трабекулах вівці та волокнах Пуркіньє й встановили відношення електрохімічних потенціалів для Na⁺ та Ca²⁺, що приблизно дорівнювало 2,5 при зміні умов дослідження. Pitts виміряв потоки катіонів Na⁺ та Ca²⁺ на мембрані серцевих везикул і встановив значення стехіометричного показника рівне 3 [3, 4]. Reeves та Hale використавши компенсаційний вимірювальний (null-point) метод, визначили стехіометрію обмінника як 3Na⁺:Ca²⁺ [4, 5].

У клітинах вищих тварин, що знаходяться в стані спокою, внутрішньоклітинна концентрація іонів [Na⁺]_і й [Ca²⁺]_і становить 10 мМ та 0,1 мкМ відповідно, а позаклітинна – ([Na⁺]_о та [Ca²⁺]_о, відповідно) зазвичай дорівнює 450 мМ та 3 4 мМ у морських безхребетних, 120 145 мМ і 1 2 мМ у більшості хребетних та інших безхребетних, відповідно. Тому, зі значеннями мембранного потенціалу (V_M) порядку – 80 –60 мВ, на мембрані створюється високий внутрішньонаправлений електрохімічний градієнт іонів Na⁺ () та дуже високий внутрішньонаправлений електрохімічний градієнт іонів Ca²⁺ (). Обидва типи катіонів транспортуються у клітину пасивно та повинні виноситись з клітини за енергетично-залежними механізмами [2, 6].

Аналітично електрохімічні градієнти катіонів натрію та кальцію визначаються за формулами:

та

,

де [Na⁺]_і та [Na⁺]_о – концентрації катіонів натрію, а [Ca²⁺]_і та [Ca²⁺]_о – концентрації катіонів кальцію у внутрішньо- і позаклітинному середовищі, відповідно, E_Na, E_Ca – натрієвий та кальцієвий рівноважні потенціали, R – універсальна газова стала, T – абсолютна температура, F – термодинамічні величини, V_M – мембранний потенціал.

Для транспортної системи де потік одного іону Сa²⁺ спряжений з проти напрямленим потоком n катіонів Na⁺, взаємозв’язок між електрохімічними градієнтами описується рівнянням:

.

Зі співвідношення електрохімічних градієнтів катіонів натрію та кальцію отримаємо вираз для обчислення кількості катіонів натрію n, що переносяться Nа⁺/Са²⁺ обмінником:

.

При обчисленні стехіометричного коефіцієнта Na⁺/Ca²⁺ обмінника за початкові дані використано літературні дані, отримані Беріташвіллі Д.Р., а також дані Гойди О.А та ін.– величини трансмембранного потенціалу ТМП (-65 мВ – потенціал бластомерів у перивіталіновій оболонці та -48 мВ – без неї) при дослідженні раннього ембріонального розвитку в’юна (Misgurnus fossilis L.) на IV стадії поділу [7, 8]. Концентрація катіонів Nа⁺ і Са²⁺ в середовищі була постійною і становила відповідно – [Na⁺]_о= 110 мМ, [Са²⁺]_о= 1,8 мМ, у клітині – [Na⁺]_i=40 мM, [Ca²⁺]_i=4,3 мкM, t = 21°С.

На роботу Na⁺/Ca²⁺ обмінника впливає натрієвий та кальцієвий концентраційні градієнти через мембрану, мембранний потенціал та стехіометричний коефіцієнт [2, 9]. Обчислене значення стехіометричного коефіцієнта Na⁺/Ca²⁺ обмінної системи при значенні ТМП становило відповідно (-65 мВ) – n = 3,12 та (-48 мВ) – n = 3,38. Отримані результати узгоджуються з даними отриманими Reeves та Hale [4], обчислене значення n у даному випадку становило 3. Відомо, що значення n знаходиться в межах 2 5 [2].

Таким чином отримані результати вказують на те, що стехіометрія даної транспортної системи 3,38Nа⁺/Са²⁺ (3,38:1). Вперше значення стехіометричного показника встановлено на зародковому об’єкті.

Література:

1. Болдырев А.А. Биологические мембраны и транспорт ионов: Учебное пособие. – М.:Из-во МГУ, – 1985. – 208 с.

2. Blaustein M.P., Lederer W.J. Sodium/Calcium Exchange: Its Physiological Implications //Physiol. Rev. Vol. 79, № 3. – 1999. – P. 763-854.

3. Pitts B.J.R. Stoichiometry of Sodium-Calcium Exchange in cardiac Sarcolemmal Vesicles. Coupling to the sodium pump //J. Biol. Сhem. Vol. 254, № 14, 1979, – P. 6232-6235.

4. Reeves J.P., Hale C.C. The Stoichiometry of the Cardiac Sodium-Calcium Exchange System //J. Biol. Сhem. Vol. 259, №. 12, 1984, – P. 7733-7739.

5. Dipolo R., Beaugé L. Sodium/Calcium Exchanger: Influence of Metabolic Regulation on Ion Carrier Interactions //Physiol. Rev. Vol. 86, 2006, – P.155-203.

6. Іваницька З.Я. Аналіз механізмів переносу основних потенціалгенеруючих іонів в ранньому розвитку тварин //Віс. Харків. нац. унів. Серія Біофізичний вісник, №2, 2005, – С.86-93.

7. Бериташвили Д.Р. Исследование динамики калия и натрия, аденозинтрифосфатаз и аденилатциклазы в раннем эмбриогенезе вьюна: Автореф.дис….канд.биол.наук.М., 1974. 24с.

8. Гойда Е.А. Биофизические аспекты раннего онтогенеза животных. К. Наук. думка, 1993 – 224с.

9. Eisner D.A., Leder W.J. Na-Ca exchange: stoichiometry and electrogenicity //Am.J.Physiol.Cell Physiol. Vol. 248, 1985, – P. 189-202.