NATRIUMKALIUMPUMPE: STRUKTUR, FUNKSJON, MEKANISME, VIKTIGHET - BIOLOGI - 2026

Den natrium-kalium-pumpe er en proteinstruktur som inngår i et bredere sett av molekyler som er tilstede i mange cellemembraner, og som er ansvarlig for den aktive transport av ioner eller andre små molekyler mot deres konsentrasjonsgradienter. De bruker energien som frigjøres ved hydrolyse av ATP, og det er derfor de generisk kalles ATPaser.

Natriumkaliumpumpen er en Na + / K + ATPase fordi den frigjør energien i ATP-molekylet for å flytte natrium fra innsiden til utsiden av cellen, mens den introduserer kalium.

Skjematisk over natriumkaliumpumpen. Utvendig og innvendig i cellen. (Kilde: Miguelferig, via Wikimedia Commons)

Inne i cellen er natrium mindre konsentrert (12 mEq / L) enn utenfor (142 mEq / L), mens kalium er mer konsentrert ute (4 mEq / L) enn inne (140 mEq / L).

ATPase-pumper er klassifisert i tre store grupper:

• Type F- og V-ionpumper : de er ganske komplekse strukturer, de kan bestå av 3 forskjellige typer transmembrane underenheter og opptil 5 tilknyttede polypeptider i cytosolen. De fungerer som protontransportere.
• Superfamily ABC ( A TP- B inding C assette = ATP-bindingskassett): består av mer enn 100 proteiner som kan fungere som transportører av ioner, monosakkarider, polysakkarider, polypeptider og til og med andre proteiner.
  
• Ionbomber av P-klassen : dannet av minst en katalytisk transmembran alfa-underenhet som har et bindingssete for ATP og en mindre ß-underenhet. Under transportprosessen fosforyleres α-underenheten og derav navnet "P".

Natriumkaliumpumpen (Na + / K + ATPase) tilhører gruppen ioniske pumper av klasse P og ble oppdaget i 1957 av Jens Skou, en dansk forsker, da han studerte virkningsmekanismen til anestesimidler på nervene til en krabbe (Carcinus maenas); arbeid som han ble tildelt Nobelprisen i kjemi i 1997.

Kaliumnatriumpumpe. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein på fr.wikipediaderivative arbeid: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Struktur av natriumkaliumpumpen

Natriumkaliumpumpen er et enzym som fra synspunkt av sin kvartære struktur består av 2 alfa (α) og to beta (β) type proteinenheter.

Det er derfor en tetramer av typen α2β2, hvis underenheter er integrerte membranproteiner, det vil si at de krysser lipid-dobbeltlaget og har både intra- og ekstra-cytosoliske domener.

Alfa- og beta-underenheter av kaliumpumpen. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alfa-underenheter

A-underenhetene er de som inneholder bindingssetene for ATP og for Na + og K + -ionene og representerer den katalytiske komponenten til enzymet og den som utøver funksjonen til selve pumpen.

A-underenhetene er store polypeptider, med en molekylvekt på 120 kDa, 10 transmembransegmenter og med deres N- og C-terminaler lokalisert på den cytosoliske siden.

På den intracellulære siden har de bindingssteder for ATP og Na +, så vel som en aspartatrest i stilling 376 som representerer stedet som gjennomgår fosforyleringsprosessen under pumpeaktivering.

Det bindende stedet for K + ser ut til å være på den ekstracellulære siden.

Beta-underenheter

Det ser ikke ut til at β-underenhetene har en direkte deltakelse i pumpefunksjonen, men i deres fravær forekommer ikke denne funksjonen.

P-underenhetene har en molekylvekt på omtrent 55 kDa hver og er glykoproteiner med et enkelt transmembrane domene hvis karbohydratrester settes inn i den ekstracellulære regionen.

De ser ut til å være nødvendige i endoplasmatisk retikulum, hvor de vil bidra til riktig folding av a-underenhetene, og deretter, på membrannivå, for å stabilisere komplekset.

Begge typer underenheter er heterogene, og α1, α2 og α3 isoformer er beskrevet for den ene, og β1, β2 og β3 for den andre. Α1 finnes i membranene til de fleste celler, mens α2 er til stede i muskel, hjerte, fettvev og hjerne, og α3 i hjerte og hjerne.

Ss1-isoformen er den med den mest diffuse distribusjonen, selv om den er fraværende i noen vev, for eksempel de vestibulære cellene i det indre øret og de raskt responderende glykolytiske muskelcellene. Sistnevnte inneholder bare β2.

De forskjellige strukturene til underenhetene som utgjør Na + / K + -pumpen i de forskjellige vevene, kan skyldes funksjonelle spesialiseringer som ennå ikke er belyst.

Kaliumpumpefunksjon

For et hvilket som helst øyeblikk som utgjør, utgjør plasmamembranen en separasjonsgrense mellom kammeret som tilsvarer det indre av en celle og det som representerer den ekstracellulære væsken som den er nedsenket i.

Begge rommene har en sammensetning som kan være kvalitativt forskjellig, siden det er stoffer inne i celler som ikke finnes utenfor dem og den ekstracellulære væsken inneholder stoffer som ikke er til stede intracellulært.

Stoffer som er til stede i begge rom, finnes i forskjellige konsentrasjoner, og disse forskjellene kan ha fysiologisk betydning. Slik er det med mange ioner.

Vedlikehold av homeostase

Na + / K + -pumpen spiller en grunnleggende rolle i å opprettholde intracellulær homeostase ved å kontrollere konsentrasjonene av natrium- og kaliumioner. Dette vedlikeholdet av homeostase oppnås takket være:

• Ionetransport : introduserer natriumioner og kaster ut kaliumioner, en prosess der den også driver bevegelsen av andre molekyler gjennom andre transportører som er avhengig av enten den elektriske ladningen eller den indre konsentrasjonen av disse ionene.
• Kontroll av cellevolum : innføring eller utløp av ioner innebærer også bevegelser av vann i cellen, slik at pumpen deltar i kontrollen av cellevolum.
• Generering av membranpotensial : utvisning av 3 natriumioner for hver 2 kaliumioner som blir introdusert får membranen til å forbli negativt ladet på innsiden, noe som genererer en forskjell i ladninger mellom innsiden og utsiden av cellen. Denne forskjellen er kjent som hvilepotensialet.

Na + har en ekstracellulær konsentrasjon på omtrent 142 mEq / L, mens dens intracellulære konsentrasjon bare er 12 mEq / L; K + er derimot mer konsentrert inne i cellen (140 mEq / L) enn utenfor den (4 mEq / L).

Selv om den elektriske ladningen til disse ionene ikke tillater passering gjennom membranen, er det ionekanaler som tillater det (selektivt), som fremmer bevegelse hvis kreftene som vanligvis beveger disse ionene også er til stede.

Disse konsentrasjonsforskjellene er imidlertid av stor betydning for bevaring av organismenes homeostase og må opprettholdes i en slags balanse som, hvis den går tapt, ville gi viktige organiske endringer.

Sodium kaliumdiffusjon og pumpe (Kilde: BruceBlaus. Når du bruker dette bildet i eksterne kilder, kan det siteres som: Blausen.com staff (2014). «Medical gallery of Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436.Derivative av Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) via Wikimedia Commons)

• Forskjellen i konsentrasjon for Na + mellom innsiden og utsiden av cellen skaper en kjemisk gradient som skyver natrium innover og får dette ionet til å komme inn og har en tendens til å spre den forskjellen, det vil si for å utjevne konsentrasjonene i begge sider.
• Kaliumgradienten opprettholdes i motsatt retning, det vil si fra innsiden og ut, noe som tillater konstant utgang av ionet og dets indre reduksjon og ytre økning.

Funksjonen til Na + / K + -pumpen tillater ekstraksjon av natrium som har kommet inn ved diffusjon gjennom kanaler eller andre transportveier og gjeninnføring av kalium som har diffundert, noe som gjør det mulig å bevare intra og ekstracellulære konsentrasjoner av disse ioner.

Mekanisme (prosess)

Virkemekanismen til Na + / K + ATPase består av en katalytisk syklus som involverer overføringsreaksjoner av en fosforylgruppe (Pi) og konformasjonsendringer av enzymet som går fra en E1-tilstand til en E2-tilstand og omvendt.

Operasjonen krever tilstedeværelse av ATP og Na + inne i cellen og K + i den ekstracellulære væsken.

Binding av natriumioner til transportøren

Syklusen begynner i E1-konformasjonstilstanden til enzymet, der det er 3 cytosoliske steder med binding til Na + og høy affinitet (km på 0,6 mM) som er fullt opptatt fordi intra-ionkonsentrasjonen ( 12 mM) tillater det.

ATP-hydrolyse

I denne tilstanden (El) og med Na + festet til dets bindingsseter, bindes ATP til sitt sted i molekylets cytosoliske sektor, hydrolyseres og en fosfatgruppe overføres til aspartat 376, og danner et høysenergi-acylfosfat. som induserer en konformasjonsendring til E2-tilstanden.

Utvisning av 3 natriumioner og introduksjon av 2 kaliumioner

Konformasjonsendringen til E2-tilstanden innebærer at Na + -bindingsstedene passerer til utsiden, deres affinitet for ionet avtar kraftig og det frigjøres til den ekstracellulære væsken, samtidig som affiniteten til K + -bindingsstedene øker. og disse ionene er festet på utsiden av pumpen.

Under E2-tilstanden frigjøres Na + -ioner til den andre siden av membranen.

I sin tur genererer denne nye tilstanden til pumpen affinitet for binding av K + -ioner

Tilbakeføring fra E2 til E1

Når Na + er frigjort og K + er bundet, skjer hydrolyse av aspartylfosfat og konformasjonsendringen fra E2-tilstand til E1-tilstanden tilbakeføres, med gjeninnføringen av de tomme Na + -bindingsstedene og de for okkuperte K +.

Når denne endringen skjer, gjenoppretter nettstedene for Na + sin tilhørighet, og de for K + mister den, som K + frigjøres til i cellen.

Betydning

I vedlikehold av cellulær osmolaritet

Na + / K + -pumpen er til stede i de fleste, om ikke alle, pattedyrceller, der den er av generell betydning ved å bidra til å opprettholde deres osmolaritet og derav volumet.

Den kontinuerlige inntredenen av natriumioner i cellen fører til en økning i det intracellulære antall osmotisk aktive partikler, noe som induserer inntreden av vann og økningen i volum som vil ende med å forårsake brudd på membranen og cellen kollaps.

I dannelsen av membranpotensialet

Ettersom disse pumpene bare introduserer 2 K + for hver 3 Na + de fjerner, oppfører de seg elektrogenisk, noe som betyr at de "dekompenserer" interne elektriske ladninger, noe som favoriserer produksjonen av membranpotensialet som er karakteristisk for kroppens celler.

Dets betydning er også tydelig i forhold til cellene som utgjør eksiterbare vev, der handlingspotensialene er preget av inntreden av Na + -ionet, som depolariserer cellen, og utgangen av K +, som repolariserer den.

Disse ioniske bevegelsene er mulige takket være driften av Na + / K + -pumpene, som bidrar til produksjonen av de kjemiske gradienter som beveger de involverte ionene.

Uten disse pumpene, som fungerer i motsatt retning, ville konsentrasjonsgradientene til disse ionene forsvinne og den eksiterende aktiviteten ville forsvinne.

Ved nyrefunksjon

Et annet aspekt som fremhever den ekstreme viktigheten av natrium-kaliumpumper er relatert til nyrefunksjon, noe som ville være umulig uten dem.

Nyrefunksjon innebærer daglig filtrering av mer eller mindre 180 liter plasma og store mengder stoffer, noen av dem må skilles ut, men mange må reabsorberes slik at de ikke går tapt i urinen.

Reabsorpsjonen av natrium, vann og mange av de filtrerte stoffene er avhengig av disse pumpene, som er lokalisert i den basolaterale membranen til cellene som utgjør epitel av de forskjellige rørformede segmentene i nyrenefronene.

Epitelcellene som linjer nyretubuliene har den ene siden som er i kontakt med tubulens lumen og kalles den apikale siden, og en annen som er i kontakt med interstitiumet rundt tubulen og kalles den basolaterale siden.

Vannet og stoffene som reabsorberes, må først passere inn i cellen gjennom det apikale og deretter inn i utdannelsen gjennom basolateralt.

Reabsorpsjonen av Na + er nøkkelen både i forhold til den, og i forhold til den til vann og den til andre stoffer som er avhengige av den. Den apikale inntreden av Na + i cellen krever at det er en gradient som beveger den, og som innebærer en veldig lav konsentrasjon av ionet inne i cellen.

Denne lave intracellulære konsentrasjonen av Na + produseres av natriumpumper i den basolaterale membranen som jobber intenst for å fjerne ionet fra cellene inn i interstitium.

referanser

1. Ganong WF: The General & Cellular Base of Medical Physiology, i: Review of Medical Physiology, 25. utg. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Substance Transport Across the Cell Membrane, i: Textbook of Medical Physiology, 13. utg, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport over the Cells Membranes, I: Molecular and Cell Biology, 4. utg.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehninger-prinsippene for biokjemi. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2013). Essensiell cellebiologi. Garland Science.