NÁTRIUM-KÁLIUM-SZIVATTYÚ: SZERKEZET, FUNKCIÓ, MECHANIZMUS, FONTOSSÁG - BIOLÓGIA - 2025

A nátrium-kálium-szivattyú egy olyan proteinszerkezet, amely a sok sejtmembránban lévő molekulák szélesebb készletébe tartozik, és amelyek felelősek az ionok vagy más kis molekulák aktív szállításáért a koncentráció-gradiensükkel szemben. Az ATP hidrolíziséből felszabaduló energiát használják, és ezért általában ATPázoknak nevezik őket.

A nátrium-kálium-szivattyú Na + / K + ATPáz, mert felszabadítja az ATP-molekula energiáját a nátrium mozgatásához a sejt belsejéből és a külső oldalára, miközben káliumot vezet be.

A nátrium-kálium-szivattyú vázlata. A cella külső és belső része. (Forrás: Miguelferig, a Wikimedia Commonson keresztül)

A sejt belsejében a nátrium kevésbé koncentrált (12 mEq / L), mint a külső (142 mEq / L), míg a kálium koncentráltabb kívül (4 mEq / L), mint a belső (140 mEq / L).

Az ATPase szivattyúkat három nagy csoportba sorolják:

• F és V típusú ionszivattyúk: meglehetősen összetett szerkezetűek, 3 különféle típusú transzmembrán alegységből és legfeljebb 5 kapcsolódó polipeptidből állhatnak a citoszolban. Proton transzporterként működnek.
• Főcsalád ABC (angol A TP- B inding C assette = ATP-kötő kazetta): alkotják több mint 100 fehérjék, amelyek funkciója, mint transzporterek ionok, monoszacharidok, poliszacharidok, polipeptidek, és még más fehérjék.

• A P osztály ionbombái: legalább egy katalitikus transzmembrán alfa alegységből állnak, amelynek az ATP kötőhelye van és egy kisebb β alegység. A szállítási folyamat során az α alegység foszforilálódik, és ennek neve "P".

A nátrium-kálium-szivattyú (Na + / K + ATPáz) a P osztályú ionoszivattyúk csoportjába tartozik, és Jens Skou, egy dán kutató 1957-ben fedezte fel, amikor a rák idegeire alkalmazott érzéstelenítők hatásmechanizmusát tanulmányozta. (Carcinus maenas); az a munka, amelyért 1997-ben Nobel-díjat kapott.

Kálium-nátrium-szivattyú. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein a fr.wikipedia származékos munkában: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

A nátrium-kálium-szivattyú felépítése

A nátrium-kálium-szivattyú egy enzim, amely kvaterner szerkezetének szempontjából 2 alfa (α) és két béta (β) típusú fehérje alegységből áll.

Ezért egy α2β2 típusú tetramer, amelynek alegységei integrális membránfehérjék, vagyis áthaladnak a lipid kettős rétegen, és mind intra-, mind extra-citoszolos doménekkel rendelkeznek.

A káliumszivattyú alfa- és béta-alegységei. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alfa alegységek

Az α alegységek azok, amelyek az ATP, valamint a Na + és K + ionok kötési helyeit tartalmazzák, és az enzim katalitikus összetevőjét képviselik, és azt, amely maga a szivattyú funkcióját gyakorolja.

Az α alegységek nagy méretű polipeptidek, 120 kDa molekulatömegű, 10 transzmembrán szegmenstel, N- és C-terminálisuk pedig a citoszolos oldalon helyezkedik el.

Az intracelluláris oldalon vannak kötési helyek az ATP és a Na + számára, valamint egy aszpartát maradék a 376. pozícióban, amely azt a helyet képviseli, amelyen a foszforilációs folyamat megy keresztül a szivattyú aktiválásakor.

A K + kötőhelye az extracelluláris oldalon látszik.

Béta alegységek

A β alegységek úgy tűnik, hogy nem vesznek részt közvetlenül a szivattyúzási funkcióban, de hiányukban ez a funkció nem fordul elő.

A p-alegységek molekulatömege körülbelül 55 kDa, és egyetlen transzmembrán doménjű glikoproteinek, amelyek szénhidrát csoportjai az extracelluláris régióba vannak beillesztve.

Szükségeseknek tűnnek az endoplazmatikus retikulumban, ahol hozzájárulnak az α alegységek megfelelő hajtogatásához, majd a membrán szintjén a komplex stabilizálásához.

Mindkét típusú alegység heterogén, és α1, α2 és α3 izoformákat írtak le az egyiknél, és β1, β2 és β3 a másiknál. Az Α1 megtalálható a legtöbb sejt membránjában, α2 pedig az izomban, a szívben, a zsírszövetben és az agyban, α3 pedig a szívben és az agyban.

A β1 izoformának megoszlása ​​a legelterjedtebb, bár bizonyos szövetekben, például a belső fül vestibularis sejtjeiben és a gyorsan reagáló glikolitikus izomsejtekben hiányzik. Az utóbbi csak β2-t tartalmaz.

A különböző szövetekben a Na + / K + szivattyút alkotó alegységek eltérő struktúrája annak a funkcionális specializációnak köszönhető, amelyet még nem tisztáztak.

Káliumszivattyú funkció

Bármely figyelembe vett pillanatra a plazmamembrán elválasztási határvonalat képez a sejt belsejéhez tartozó rekesz és az extracelluláris folyadékot képviselő elem között, amelybe bemerül.

Mindkét rekesz összetétele minőségileg eltérő lehet, mivel a sejtekben vannak olyan anyagok, amelyeket kívülről nem találnak meg, és az extracelluláris folyadék olyan anyagokat tartalmaz, amelyek nincsenek jelen az intracellulárisan.

Azok a anyagok, amelyek mindkét részben vannak jelen, különböző koncentrációban találhatók, és ezeknek a különbségeknek fiziológiás jelentősége lehet. Ez a helyzet sok ion esetében.

A homeosztázis fenntartása

A Na + / K + szivattyú alapvető szerepet játszik az intracelluláris homeosztázis fenntartásában azáltal, hogy szabályozza a nátrium- és káliumionok koncentrációját. A homeosztázis fenntartását az alábbiaknak köszönhetően érik el:

• Ion-transzport: bevezeti a nátrium-ioneket és kiszabadítja a kálium-ionekat, egy olyan folyamaton keresztül, amely más molekulák mozgását is meghajtja más transzporteren keresztül, amelyek vagy az elektromos töltéstől, vagy ezen ionok belső koncentrációjától függnek.
• A sejtmennyiség ellenőrzése: az ionok bevezetése vagy kilépése szintén magában foglalja a víz mozgását a sejtben, így a szivattyú részt vesz a sejtmennyiség szabályozásában.
• Membránpotenciál generálása: 3 nátriumion kiürítése minden bevezetett 2 káliumion miatt a membrán belsejében negatív töltésű marad, ami különbséget okoz a sejt belseje és külseje között. Ezt a különbséget nyugalmi potenciálnak nevezik.

A Na + extracelluláris koncentrációja körülbelül 142 mEq / L, míg az intracelluláris koncentráció csak 12 mEq / L; A K + viszont inkább a cella belsejében koncentrálódik (140 mEq / L), mint azon kívül (4 mEq / L).

Bár ezeknek az ionoknak az elektromos töltése nem engedi átjutni a membránon, vannak olyan ioncsatornák, amelyek lehetővé teszik (szelektíven), amelyek elősegítik a mozgást, ha azok az erők, amelyek általában ezeket az ionokat mozgatják, szintén jelen vannak.

Ezek a koncentrációbeli különbségek azonban nagy jelentőséggel bírnak a szervezet homeosztázisának megőrzésében, és azokat egyfajta egyensúlyban kell tartani, amely elvesztése esetén fontos szerves változásokat idéz elő.

Nátrium-kálium diffúzió és szivattyú (Forrás: BruceBlaus. Ha ezt a képet külső forrásokban használják, ez a következőképpen idézhető: Blausen.com munkatársai (2014). «A Blausen Medical 2014 orvosi galéria». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436.származék: Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) a Wikimedia Commons segítségével)

• A Na + koncentrációjának különbsége a sejt belseje és külseje között olyan kémiai gradienst hoz létre, amely benyomja a nátriumot, és ezt az iont folyamatosan bejuttatja, és hajlamos arra, hogy eloszlassa ezt a különbséget, vagyis hogy egyenlő legyen a koncentráció mindkét oldalon.
• A káliumgradienst ellentétes irányban tartják, vagyis belülről kifelé tartják, lehetővé téve az ion állandó kilépését, belső redukcióját és külső növekedését.

A Na + / K + szivattyú funkciója lehetővé teszi a csatornákon vagy más szállítási utakon keresztül diffúzióval bejutott nátrium extrahálását és a diffundált kálium újbóli bevezetését, lehetővé téve ezeknek az intracelluláris és extracelluláris koncentrációinak megőrzését. ionok.

Mechanizmus (folyamat)

A Na + / K + ATPáz hatásmechanizmusa egy katalitikus ciklusból áll, amely magában foglalja a foszforilcsoport (Pi) transzferreakcióit és az enzim konformációs változásait, amelyek az E1 állapotból egy E2 állapotba kerülnek, és fordítva.

A művelet megköveteli ATP és Na + jelenlétét a sejtben és a K + jelenlétét az extracelluláris folyadékban.

Nátrium-ionok kötődése a transzporterhez

A ciklus az enzim E1 konformációs állapotában kezdődik, amelyben 3 citoszolikus hely van, amelyek Na + -hoz kötődnek és nagy affinitással rendelkeznek (Km 0,6 mM), amelyek az ionokon belüli koncentráció (12 mM) lehetővé teszi.

ATP hidrolízis

Ebben az állapotban (E1) és kötőhelyeihez kapcsolt Na + -val az ATP a molekulának citoszolos szektorában kötődik a helyéhez, hidrolizálódik, és egy foszfátcsoportot a 376 aszpartátra továbbítanak, nagy energiájú acilfoszfátot képezve amely az E2 állapot konformációs változását idézi elő.

3 nátrium-ion kiürítése és 2 kálium-ion bevezetése

Az E2 állapot konformációs változása azt vonja maga után, hogy a Na + kötőhelyek kívülre mennek, affinitása az ionhoz nagymértékben csökken, és felszabadul az extracelluláris folyadékba, ugyanakkor a K + kötő helyek affinitása növekszik. és ezek az ionok a szivattyú külsejéhez kapcsolódnak.

Az E2 állapot során a Na + -ionok szabadulnak fel a membrán másik oldalára.

A szivattyú ezen új állapota viszont affinitást generál a K + ionok kötődéséhez

Fordulás E2-ről E1-re

Amint a Na + felszabadul és a K + megkötésre kerül, az aszpartil-foszfát hidrolízise megtörténik, és az E2 állapotból az E1 állapotba történő konformációs változás visszatér, az üres Na + kötőhelyek és az elfoglalt K + helyek újbóli bevezetésével.

Amikor ez a változás megtörténik, a Na + helyek visszanyerik affinitását, és a K + helyek elveszítik azt, amellyel a K + felszabadul a cellába.

fontosság

A celluláris ozmolaritás fenntartásában

A Na + / K + szivattyú a legtöbb, ha nem az összes emlős sejtben megtalálható, ahol ez általános jelentőséggel bír az ozmolaritás és ezáltal térfogatának megőrzésében.

A nátrium-ionok folyamatos belépése a sejtbe kondicionálja az ozmotikusan aktív részecskék intracelluláris számának növekedését, ami a víz bejutását és a térfogat növekedését idézheti elő, amely a membrán repedését és a sejt összeomlását okozhatja.

A membránpotenciál kialakításában

Mivel ezek a szivattyúk csak 2 K + -ot vezetnek be minden eltávolított 3 Na + után, elektrogenikusan viselkednek, ami azt jelenti, hogy "dekompenzálják" a belső elektromos töltéseket, elősegítve a testsejtekre jellemző membránpotenciál előállítását.

Fontossága az ingerlékeny szöveteket alkotó sejtek vonatkozásában egyértelmű, amelyekben az akciópotenciálokat a sejtet depolarizáló Na + ion belépése és a repolarizáló K + kilépése jellemzi.

Ezek az ionmozgások a Na + / K + szivattyúk működésének köszönhetően lehetségesek, amelyek hozzájárulnak az érintett ionokat mozgató kémiai gradiensek előállításához.

Ezen ellenkező irányba működő szivattyúk nélkül ezeknek az ionok koncentrációs gradiensei szétszóródnának, és az izgató aktivitás eltűnne.

Vesefunkcióban

Egy másik szempont, amely kiemeli a nátrium-kálium szivattyúk rendkívüli fontosságát, a vesefunkcióval kapcsolatos, ami nélkülük lehetetlen lenne.

A vesefunkció több mint kevesebb, mint 180 liter plazma és nagy mennyiségű anyag napi szűrését foglalja magában, amelyeknek részét ki kell üríteni, de sokat újra felszívni kell, hogy ne kerüljenek el a vizeletben.

A nátrium, a víz és sok szűrt anyag reabszorpciója ezektől a pumpától függ, amelyek a vese nephronok különböző csöves szegmenseinek epitéliáját alkotó sejtek basolateralis membránjában találhatók.

A vese tubulusokat vonalazó epiteliális sejtek egyik oldala, amely érintkezésben áll a tubulus lumenével, és apikális oldalnak nevezik, egy másik oldala, amely érintkezésben áll a tubulus körüli interstitiummal, és amelyet basolaterális oldalnak hívnak.

Az újraabszorbeált víznek és anyagoknak először a csúcson keresztül kell bejutniuk a sejtbe, majd a bazolaterális úton az interstitiumba.

A Na + reabszorpciója kulcsfontosságú mind ehhez kapcsolódóan, mind a víz, mind az attól függő egyéb anyagokéhoz viszonyítva. Az Na + apikális belépése a sejtbe megköveteli, hogy legyen egy gradiens, amely mozgatja azt, és ez a sejt belsejében az ion nagyon alacsony koncentrációját vonja maga után.

A Na + ilyen alacsony intracelluláris koncentrációját a bazolaterális membrán nátriumszivattyúi állítják elő, amelyek intenzíven működnek az ion eltávolításában a sejtekből az interstitiumba.

Irodalom

1. Ganong WF: Az orvosi fiziológia általános és celluláris alapjai, in: Review of Medical Physiology, 25. kiadás. New York, McGraw-Hill oktatás, 2016.
2. Guyton AC, JE hall: Anyagszállítás a sejtmembránon keresztül, in: Orvosi élettani tankönyv, 13. kiadás, AC Guyton, JE Hall (szerk.). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transzport a sejtmembránokon, In: Molecular and Cell Biology, 4. kiadás.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, és Cox, MM (2008). A biokémia Lehninger alapelvei. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… és Walter, P. (2013). Alapvető sejtbiológia. Garland Science.