NATRIJEVA KALIJEVA PUMPA: STRUKTURA, FUNKCIJA, MEHANIZAM, VAŽNOST - BIOLOGIJA - 2025

Natrij kalij pumpa je struktura proteina uključene u širem od molekula prisutna u mnogim staničnim membranama, a koji su odgovorni za aktivni transport iona ili drugih malih molekula protiv njihovih koncentracija gradijentima. Koriste energiju oslobođenu hidrolizom ATP-a i zato se generički nazivaju ATPazama.

Natrijeva kalijska pumpa je Na + / K + ATP-aza jer oslobađa energiju sadržanu u molekuli ATP-a za pomicanje natrija iznutra prema van stanice, istovremeno uvodeći kalij.

Shema natrijum-kalijske pumpe. Vanjska i unutrašnjost stanice. (Izvor: Miguelferig, putem Wikimedia Commons)

Unutar stanice natrij je manje koncentriran (12 mEq / L) nego vani (142 mEq / L), dok je kalij vani više koncentriran (4 mEq / L) nego iznutra (140 mEq / L).

ATPase crpke su klasificirane u tri velike skupine:

• Ionske pumpe tipa F i V: prilično su složene strukture, mogu se sastojati od 3 različite vrste transmembranskih podjedinica i do 5 povezanih polipeptida u citosolu. Oni djeluju kao transportni protoni.
• Superfamilije ABC (TP- B inding C assette = ATP veže kasete) sastoji od više od 100 proteini koji mogu funkcionirati kao prijenosnika iona, monosaharide, polisaharide, polipeptide, pa čak i drugih proteina.

• Ionske bombe klase P: formirane od najmanje jedne katalitičke transmembranske alfa podjedinice koja ima mjesto vezanja za ATP i manje β podjedinice. Tijekom procesa transporta α podjedinica se fosforilira i otuda je i naziv "P".

Natrijeva kalijska pumpa (Na + / K + ATPaza) spada u skupinu ionskih pumpi klase P, a otkrio ju je 1957. godine Jens Skou, danski istraživač, kada je proučavao mehanizam djelovanja anestetika na živce rakova. (Carcinus maenas); djelo za koje je 1997. dobio Nobelovu nagradu za kemiju.

Kalijum-natrijska pumpa. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein na fr.wikipediaderivativni rad: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Struktura natrijeve kalijeve pumpe

Natrijeva kalijeva pumpa je enzim koji se, sa stanovišta njegove kvartarne strukture, sastoji od 2 alfa (α) i dvije beta (β) proteinske podjedinice.

Riječ je, dakle, o tetrameru tipa α2β2, čije su podjedinice integralni membranski proteini, odnosno prelaze lipidni dvoslojni i imaju intra i ekstra citosolne domene.

Alfa i beta podjedinice kalijeve pumpe. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alfa podjedinice

A podjedinice su one koje sadrže mjesta vezivanja za ATP i za Na + i K + ione i predstavljaju katalitičku komponentu enzima i onu koja vrši funkciju same pumpe.

A podjedinice su veliki polipeptidi s molekulskom masom od 120 kDa, 10 transmembranskih segmenata i s njihovim N- i C-terminima smještenima na citosolnoj strani.

Na unutarćelijskoj strani imaju mjesta vezanja za ATP i Na +, kao i ostatak aspartata na položaju 376 koji predstavlja mjesto koje je podvrgnuto procesu fosforilacije tijekom aktivacije pumpe.

Čini se da je mjesto vezivanja za K + na izvanstaničnoj strani.

Beta podjedinice

Čini se da β podjedinice nemaju izravno sudjelovanje u funkciji pumpanja, ali u njihovom odsustvu ta se funkcija ne pojavljuje.

P podjedinice imaju molekulsku masu od oko 55 kDa i glikoproteini su s jednom transmembranskom domenom čiji su ugljikohidratni ostaci umetnuti u izvanstanično područje.

Čini se da su potrebni u endoplazmatskom retikuluu, gdje bi pridonijeli pravilnom presavijanju α podjedinica, a zatim na razini membrane stabilizirajući kompleks.

Obje vrste podjedinica su heterogene, a za jednu su opisane α1, α2 i α3 izoforme, a za drugu, β1, β2 i β3. Α1 se nalazi u membrani većine stanica, dok je α2 prisutan u mišićima, srcu, masnom tkivu i mozgu, a α3 u srcu i mozgu.

Β1 izoforma ima najviše difuzne raspodjele, iako je odsutna u nekim tkivima poput vestibularnih stanica unutarnjeg uha i brzo reagirajućih glikolitičkih mišićnih stanica. Potonji sadrže samo β2.

Različite strukture podjedinica koje čine Na + / K + pumpu u različitim tkivima mogu biti posljedica funkcionalnih specijalizacija koje još nisu rasvijetljene.

Funkcija kalijeve pumpe

U bilo kojem trenutku koji se razmatra, plazma membrana predstavlja granicu razdvajanja između odjeljka koji odgovara unutrašnjosti stanice i onoga koji predstavlja vanćelijsku tekućinu u koju je uronjena.

Oba odjeljka imaju sastav koji se može kvalitativno razlikovati, jer se u stanicama nalaze tvari koje se ne nalaze izvan njih, a izvanćelijska tekućina sadrži tvari koje nisu prisutne unutarćelijski.

Tvari koje su prisutne u oba odjeljka mogu se naći u različitim koncentracijama, a te razlike mogu imati fiziološki značaj. Takav je slučaj s mnogim ionima.

Održavanje homeostaze

Na + / K + pumpa igra temeljnu ulogu u održavanju unutarćelijske homeostaze kontrolirajući koncentracije natrijevih i kalijevih iona. Ovo održavanje homeostaze postiže se zahvaljujući:

• Prijenos jona: uvodi natrijeve ione i izbacuje kalijeve ione, proces kojim također pokreće kretanje drugih molekula kroz druge transportere koji ovise ili o električnom naboju ili o unutarnjoj koncentraciji tih iona.
• Kontrola volumena stanice: uvođenje ili izlaz iona također podrazumijeva kretanje vode unutar ćelije, tako da pumpa sudjeluje u kontroli volumena stanice.
• Stvaranje membranskog potencijala: izbacivanje 3 natrijeva iona na svaka dva uvedena iona kalija uzrokuje da membrana ostane nabijena iznutra, što stvara razliku u naboju između unutarnje i vanjske stanice. Ta je razlika poznata kao potencijal odmaranja.

Na + ima izvanćelijsku koncentraciju od oko 142 mEq / L, dok njegova unutarćelijska koncentracija iznosi samo 12 mEq / L; K + je s druge strane koncentriraniji unutar stanice (140 mEq / L) nego izvan nje (4 mEq / L).

Iako električni naboj ovih iona ne dopušta njihov prolazak kroz membranu, postoje ionski kanali koji to dopuštaju (selektivno), koji potiču kretanje ako su prisutne i sile koje obično kreću te ione.

Međutim, ove razlike u koncentraciji od velikog su značaja za očuvanje homeostaze organizma i moraju se održavati u svojevrsnoj ravnoteži koja bi, ako se izgubi, stvorila važne organske promjene.

Difuzija i pumpa natrijuma (Izvor: BruceBlaus. Pri uporabi ove slike u vanjskim izvorima može se navesti kao: osoblje Blausen.com (2014). «Medicinska galerija Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. Derivat Mikaela Häggströma / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) putem Wikimedia Commonsa)

• Razlika u koncentraciji za Na + između unutar i izvan stanice stvara kemijski gradijent koji gura natrij prema unutra i uzrokuje da taj ion stalno ulazi i ima tendenciju rasipanja te razlike, odnosno izjednačavanja koncentracija u obje strane.
• Gradijent kalija održava se u suprotnom smjeru, to jest iznutra prema van, omogućavajući stalan izlaz iona i njegovo unutarnje smanjenje i vanjsko povećanje.

Funkcija Na + / K + pumpe omogućava ekstrakciju natrija koji je ušao difuzijom kroz kanale ili druge transportne puteve i ponovno unošenje kalija koji je difuzno izolirao, omogućujući očuvanje unutar i izvanćelijskih koncentracija ovih kalija. ioni.

Mehanizam (proces)

Mehanizam djelovanja Na + / K + ATPaze sastoji se od katalitičkog ciklusa koji uključuje reakcije prijenosa fosforilne skupine (Pi) i konformacijske promjene enzima koje prelaze iz stanja E1 u stanje E2 i obrnuto.

Za operaciju je potrebna prisutnost ATP i Na + unutar stanice i K + u izvanstaničnoj tekućini.

Vezivanje natrijevih iona na transporter

Ciklus započinje u stanju konformacije E1 enzima u kojem postoje 3 citosolna mjesta vezanja na Na + i visokog afiniteta (Km od 0,6 mM) koja su u potpunosti zauzeta jer je koncentracija unutar iona (12 mM) to dopušta.

ATP hidroliza

U ovom stanju (E1) i s Na + vezanim na svoja mjesta vezanja, ATP se veže za svoje mjesto u citosolnom sektoru molekule, hidrolizira i fosfatna skupina se prebacuje u aspartat 376, tvoreći visokoenergetski acilfosfat što inducira konformacijsku promjenu u stanju E2.

Protjerivanje 3 natrijeva iona i uvođenje 2 kalijeva iona

Konformacijska promjena stanja E2 podrazumijeva da mjesta vezanja za Na + prelaze izvana, njihov afinitet za ion uvelike opada i on se oslobađa u izvanstaničnoj tekućini, dok se istodobno povećava afinitet mjesta vezanja za K +. a ti ioni su pričvršćeni na vanjsku stranu pumpe.

Tijekom stanja E2, Na + ioni oslobađaju se na drugu stranu membrane.

S druge strane, ovo novo stanje pumpe stvara afinitet za vezanje K + iona

Preokret od E2 do E1

Jednom kada se Na + oslobodi i K + veže, dolazi do hidrolize aspartil fosfata i preobražavanje konformacije iz stanja E2 u E1 stanje, ponovno uvođenje praznih mjesta vezanja Na + i onih zauzetih K +.

Kada dođe do ove promjene, mjesta za Na + vraćaju svoj afinitet, a mjesta za K + gube ga, s čime se K + pušta u ćeliju.

Važnost

U održavanju stanične osmolarnosti

Na + / K + pumpa prisutna je u većini, ako ne i u svim sisavskim stanicama, gdje je od općeg značaja pomažući u održavanju njihove osmolarnosti, a time i njihovom volumenu.

Neprekidni unos natrijevih iona u ćeliju određuje porast unutarćelijskog broja osmotski aktivnih čestica, što inducira ulazak vode i povećanje volumena koji bi završio uzrokujući puknuće membrane i stanični kolaps.

U formiranju membranskog potencijala

Kako ove pumpe uvode samo 2 K + na svaka 3 Na + koja se uklanjaju, ponašaju se elektrogenski, što znači da "dekompenziraju" unutarnje električne naboje, pogodujući proizvodnji membranskog potencijala karakterističnog za tjelesne stanice.

Njegova je važnost također vidljiva u odnosu na stanice koje čine uzbudljiva tkiva, u kojima su potencijali djelovanja karakterizirani ulaskom iona Na +, koji depolarizira stanicu, i izlaskom K +, koji je repolarizira.

Ti su ionski pomaci mogući zahvaljujući radu Na + / K + crpki, koji doprinose proizvodnji kemijskih gradijenata koji premještaju uključene ione.

Bez ovih crpki, koje djeluju u suprotnom smjeru, gradijenti koncentracije ovih iona raspršili bi se i pobudna aktivnost nestala.

U funkciji bubrega

Drugi aspekt koji ističe ekstremnu važnost natrijum-kalijevih pumpi povezan je s radom bubrega, što bi bilo nemoguće bez njih.

Bubrežna funkcija uključuje svakodnevno filtriranje više ili manje 180 litara plazme i velike količine tvari, od kojih se neke moraju izlučiti, ali mnoge se moraju ponovo apsorbirati kako se ne bi izgubile u urinu.

Reapsorpcija natrija, vode i mnogih filtriranih tvari ovisi o tim pumpama, koje su smještene u bazolateralnoj membrani stanica koje čine epitel u različitim tubularnim segmentima bubrežnih nefrona.

Stanice epitela koje usmjeravaju bubrežne tubule imaju jednu stranu koja je u kontaktu s lumenom tubula i naziva se apikalnom stranom, a drugu koja je u kontaktu s intersticijom oko tubula i nazivamo bazolateralnom stranom.

Voda i tvari koje se ponovo apsorbiraju moraju prvo proći u stanicu kroz apikalni, a zatim u međuprostorni kroz bazolateral.

Ponovna absorpcija Na + ključna je kako u odnosu na njega, tako i u vodi i u odnosu na druge tvari o kojima ovisi. Apikalni ulazak Na + u stanicu zahtijeva da postoji gradijent koji ga pomiče, što podrazumijeva vrlo nisku koncentraciju iona unutar ćelije.

Ova niska unutarćelijska koncentracija Na + proizvodi se natrijevim pumpama u bazolateralnoj membrani koje intenzivno rade na uklanjanju iona iz stanica u intersticij.

Reference

1. Ganong WF: Opće i stanične osnove medicinske fiziologije, u: Pregled medicinske fiziologije, 25. izd. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, dvorana JE: Transport tvari kroz staničnu membranu, u: Udžbenik medicinske fiziologije, 13. izd., AC Guyton, JE Hall (ur.). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport kroz stanične membrane, U: Molekularna i stanična biologija, 4. izd.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehningerovi principi biokemije. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… i Walter, P. (2013). Bitna stanična biologija. Garland Science.