NATRIUMKALIUMPUMPE: STRUKTUR, FUNKTION, MEKANISME, BETYDNING - BIOLOGI

Den natrium-kalium-pumpen er en proteinstruktur indbefattet i et bredere sæt af molekyler til stede i mange cellemembraner, og som er ansvarlige for den aktive transport af ioner eller andre små molekyler mod deres koncentrationsgradienter. De bruger den energi, der frigøres ved hydrolyse af ATP, og det er derfor, de generisk kaldes ATPaser.

Natriumkaliumpumpen er en Na + / K + ATPase, fordi den frigiver energien indeholdt i ATP-molekylet til at flytte natrium fra indersiden til ydersiden af cellen, mens kalium indføres.

Skematisk af natriumkaliumpumpen. Udvendigt og indvendigt i cellen. (Kilde: Miguelferig, via Wikimedia Commons)

Inde i cellen er natrium mindre koncentreret (12 mEq / l) end udenfor (142 mEq / l), mens kalium er mere koncentreret udenfor (4 mEq / l) end indeni (140 mEq / l).

ATPase-pumper klassificeres i tre store grupper:

Ionpumper af type F og V: de er ret komplekse strukturer, de kan bestå af 3 forskellige typer transmembrane underenheder og op til 5 associerede polypeptider i cytosolen. De fungerer som protontransportører.
Superfamily ABC (A TP- B inding C assette = ATP-bindingskassette): består af mere end 100 proteiner, der kan fungere som transportører af ioner, monosaccharider, polysaccharider, polypeptider og endda andre proteiner.
Ionbomber af P-klassen: dannet af mindst en katalytisk transmembran alfa-underenhed, der har et bindingssted for ATP og en mindre β-underenhed. Under transportprocessen fosforyleres α-underenheden og dermed navnet "P".

Natriumkaliumpumpen (Na + / K + ATPase) hører til gruppen af ioniske pumper i klasse P og blev opdaget i 1957 af Jens Skou, en dansk forsker, da han studerede virkningsmekanismen til anæstetika på en krabbers nerver (Carcinus maenas); arbejde, som han blev tildelt Nobelprisen for kemi i 1997.

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

Struktur af natriumkaliumpumpen

Natriumkaliumpumpen er et enzym, der set ud fra dets kvaternære struktur består af 2 alfa (a) og to beta (β) type proteinunderenheder.

Det er derfor en tetramer af typen α2β2, hvis underenheder er integrerede membranproteiner, dvs. at de krydser lipid-dobbeltlaget og har både intra- og ekstra-cytosoliske domæner.

Alpha- og beta-underenheder af kaliumpumpen. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alfa-underenheder

A-underenhederne er dem, der indeholder bindingsstederne for ATP og for Na + og K + -ionerne og repræsenterer den katalytiske komponent af enzymet og den, der udøver selve pumpens funktion.

A-underenhederne er store polypeptider med en molekylvægt på 120 kDa, 10 transmembrane segmenter og med deres N- og C-terminaler placeret på den cytosoliske side.

På den intracellulære side har de bindingssteder for ATP og Na + såvel som en aspartatrest i position 376, der repræsenterer stedet, der gennemgår phosphoryleringsprocessen under pumpeaktivering.

Det bindende sted for K + ser ud til at være på den ekstracellulære side.

Beta-underenheder

P-underenhederne ser ikke ud til at have en direkte deltagelse i pumpefunktionen, men i deres fravær forekommer denne funktion ikke.

P-underenhederne har en molekylvægt på ca. 55 kDa hver og er glycoproteiner med et enkelt transmembrane domæne, hvis kulhydratrester er indsat i den ekstracellulære region.

De ser ud til at være nødvendige i den endoplasmatiske retikulum, hvor de ville bidrage til korrekt foldning af a-underenhederne og derefter på membranniveau for at stabilisere komplekset.

Begge typer underenheder er heterogene, og α1, α2 og α3 isoformer er beskrevet for den ene og ß1, β2 og β3 for den anden. Is1 findes i membranerne i de fleste celler, mens α2 er til stede i muskler, hjerte, fedtvæv og hjerne og α3 i hjertet og hjernen.

Ss1-isoformen har den mest diffuse fordeling, skønt den er fraværende i nogle væv, såsom det vestibulære celler i det indre øre og de hurtigt responderende glykolytiske muskelceller. Sidstnævnte indeholder kun β2.

De forskellige strukturer af underenhederne, der udgør Na + / K + -pumpen i de forskellige væv, kan skyldes funktionelle specialiseringer, der endnu ikke er belyst.

Kaliumpumpefunktion

For ethvert øjeblik, der overvejes, udgør plasmamembranen en adskillelsesgrænse mellem rummet svarende til det indre af en celle og den der repræsenterer den ekstracellulære væske, hvori den er nedsænket.

Begge rum har en sammensætning, der kan være kvalitativt forskellige, da der er stoffer inde i celler, der ikke findes uden for dem, og den ekstracellulære væske indeholder stoffer, der ikke findes intracellulært.

Stoffer, der er til stede i begge rum, kan findes i forskellige koncentrationer, og disse forskelle kan have fysiologisk betydning. Sådan er tilfældet med mange ioner.

Vedligeholdelse af homeostase

Na + / K + -pumpen spiller en grundlæggende rolle i vedligeholdelsen af intracellulær homeostase ved at kontrollere koncentrationerne af natrium- og kaliumioner. Denne vedligeholdelse af homeostase opnås takket være:

Iontransport: introducerer natriumioner og udsætter kaliumioner, en proces, hvorigennem den også driver bevægelsen af andre molekyler gennem andre transportører, der afhænger af enten den elektriske ladning eller den interne koncentration af disse ioner.
Styring af cellevolumen: introduktion eller udgang af ioner indebærer også bevægelser af vand i cellen, så pumpen deltager i styringen af cellevolumen.
Generering af membranpotentiale: udvisning af 3 natriumioner for hver 2 kaliumioner, der indføres, får membranen til at forblive negativt ladet på indersiden, hvilket genererer en forskel i ladninger mellem indersiden og ydersiden af cellen. Denne forskel er kendt som hvilepotentialet.

Na + har en ekstracellulær koncentration på ca. 142 mEq / l, medens dens intracellulære koncentration kun er 12 mEq / l; K + er på den anden side mere koncentreret inde i cellen (140 mEq / L) end uden for den (4 mEq / L).

Selvom den elektriske ladning af disse ioner ikke tillader deres passage gennem membranen, er der ionkanaler, der tillader det (selektivt), som fremmer bevægelse, hvis de kræfter, der normalt bevæger disse ioner, også er til stede.

Imidlertid er disse forskelle i koncentration meget vigtig for bevarelsen af organismens homeostase og skal opretholdes i en slags ligevægt, som, hvis den går tabt, ville medføre vigtige organiske ændringer.

Natriumkaliumdiffusion og pumpe (Kilde: BruceBlaus. Når du bruger dette billede i eksterne kilder, kan det nævnes: Blausen.com-personale (2014). «Medical gallery of Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436.Derivative af Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) via Wikimedia Commons)

Forskellen i koncentration for Na + mellem indersiden og ydersiden af cellen skaber en kemisk gradient, der skubber natrium indad og får denne ion til konstant at komme ind og har tendens til at sprede denne forskel, det vil sige for at udligne koncentrationerne i begge sider.
Kaliumgradienten holdes i den modsatte retning, det vil sige indefra og ud, hvilket tillader konstant udgang af ion og dens interne reduktion og udvendige stigning.

Funktionen af Na + / K + -pumpen tillader ekstraktion af natrium, der er kommet ind ved diffusion gennem kanaler eller andre transportveje, og genindførelse af kalium, der er diffunderet ud, hvilket tillader bevarelse af intra og ekstracellulære koncentrationer af disse ioner.

Mekanisme (proces)

Virkningsmekanismen for Na + / K + ATPase består af en katalytisk cyklus, der involverer overførselsreaktioner af en phosphorylgruppe (Pi) og konformationelle ændringer af enzymet, der går fra en E1-tilstand til en E2-tilstand og vice versa.

Operationen kræver tilstedeværelse af ATP og Na + inde i cellen og K + i den ekstracellulære væske.

Binding af natriumioner til transportøren

Cyklussen begynder i E1-konformationstilstanden for enzymet, hvor der er 3 cytosoliske steder med binding til Na + og med høj affinitet (km på 0,6 mM), der er fuldt ud optaget på grund af intraionkoncentrationen (12 mM) tillader det.

ATP-hydrolyse

I denne tilstand (El) og med Na + bundet til dets bindingssteder binder ATP til sit sted i molekylets cytosoliske sektor, hydrolyseres, og en phosphatgruppe overføres til aspartat 376, danner et højenergi-acylphosphat der inducerer en konformationel ændring til E2-tilstand.

Udvisning af 3 natriumioner og introduktion af 2 kaliumioner

Den konformationelle ændring til E2-tilstand indebærer, at Na + -bindingsstederne passerer udefra, deres affinitet for ion falder kraftigt, og det frigøres i den ekstracellulære væske, mens samtidig affiniteten af K + -bindingsstederne stiger. og disse ioner er fastgjort til ydersiden af pumpen.

Under E2-tilstand frigøres Na + -ioner til den anden side af membranen.

Til gengæld genererer denne nye tilstand af pumpen affinitet til binding af K + -ioner

Tilbageførsel fra E2 til E1

Når Na + er frigivet og K + bundet, forekommer hydrolyse af aspartylphosphat, og den konformationelle ændring fra E2-tilstand til E1-tilstand tilbageføres med genindførelse af de tomme Na + -bindingssteder og dem fra besat K +.

Når denne ændring forekommer, genvinder siderne for Na + deres affinitet, og de for K + mister den, med hvilken K + frigives i cellen.

Betydning

I opretholdelse af cellulær osmolaritet

Na + / K + -pumpen er til stede i de fleste, hvis ikke alle, pattedyrceller, hvor det er af generel betydning ved at hjælpe med at bevare deres osmolaritet og dermed deres volumen.

Den kontinuerlige indføring af natriumioner i cellen konditionerer en stigning i det intracellulære antal af osmotisk aktive partikler, hvilket inducerer indtræden af vand og den stigning i volumen, der vil ende med at forårsage brud på membranen og cellen kollaps.

I dannelsen af membranpotentialet

Da disse pumper kun indfører 2 K + for hver 3 Na +, de fjerner, opfører de sig elektrogenisk, hvilket betyder, at de "dekompenserer" interne elektriske ladninger, hvilket favoriserer produktionen af membranpotentialet, der er karakteristisk for kropsceller.

Dets betydning er også tydelig i forhold til cellerne, der udgør exciterbare væv, hvor handlingspotentialerne er kendetegnet ved indtræden af Na + -ionen, som depolariserer cellen, og udgangen fra K +, som repolariserer den.

Disse ionbevægelser er mulige takket være driften af Na + / K + -pumperne, som bidrager til produktionen af de kemiske gradienter, der bevæger de involverede ioner.

Uden disse pumper, der arbejder i den modsatte retning, ville koncentrationsgradienterne af disse ioner spredes, og den exciterende aktivitet ville forsvinde.

Ved nyrefunktion

Et andet aspekt, der fremhæver den ekstreme betydning af natrium-kaliumpumper, er relateret til nyrefunktion, hvilket ville være umuligt uden dem.

Nyrefunktion involverer den daglige filtrering af mere eller mindre 180 liter plasma og store mængder stoffer, hvoraf nogle skal udskilles, men mange skal reabsorberes, så de ikke går tabt i urinen.

Genoptagelsen af natrium, vand og mange af de filtrerede stoffer afhænger af disse pumper, som er placeret i den basolaterale membran af cellerne, der udgør epithelen i de forskellige rørformede segmenter af nyrenefronerne.

Epitelcellerne, der linierer nyretubulierne, har den ene side, der er i kontakt med tubulens lumen og kaldes den apikale side, og en anden, der er i kontakt med interstitiet omkring tubulien og kaldes den basolaterale side.

Vand og reabsorberede stoffer skal først passere ind i cellen gennem det apikale og derefter ind i interstitiet gennem basolateralt.

Genoptagelsen af Na + er nøglen både i forhold til den og i forhold til vand og den for andre stoffer, der afhænger af det. Den apikale indgang af Na + i cellen kræver, at der er en gradient, der bevæger den, og det indebærer en meget lav koncentration af ion inde i cellen.

Denne lave intracellulære koncentration af Na + produceres af natriumpumper i den basolaterale membran, der arbejder intensivt for at fjerne ion fra cellerne i interstitium.

Referencer

Ganong WF: General & Cellular Base of Medical Physiology, i: Review of Medical Physiology, 25. udg. New York, McGraw-Hill Uddannelse, 2016.
Guyton AC, Hall JE: Stoftransport over cellemembranen, i: Textbook of Medical Physiology, 13. udg., AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport over cellernes membraner, I: Molecular and Cell Biology, 4. udg.
Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehninger-principper for biokemi. Macmillan.
Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Væsentlig cellebiologi. Garland Science.

NATRIUMKALIUMPUMPE: STRUKTUR, FUNKTION, MEKANISME, BETYDNING - BIOLOGI - 2025