NATRIUMKALIUMPUMPPU: RAKENNE, TOIMINTA, MEKANISMI, MERKITYS - BIOLOGIA - 2025

Natrium kalium Pumppu on proteiini rakenne on laajemman joukon molekyylien esittää monia solukalvojen, ja jotka ovat vastuussa aktiivisen kuljetuksen ionien ja muiden pienten molekyylien vastaan konsentraatiogradientteja. He käyttävät energiaa, joka vapautuu ATP: n hydrolyysistä, ja siksi niitä kutsutaan yleisesti ATPaaseiksi.

Natriumkaliumpumppu on Na + / K + ATPaasi, koska se vapauttaa ATP-molekyylin sisältämän energian natriumin siirtämiseksi solun sisäpuolelta ja lisäämällä samalla kaliumia.

Natriumkaliumpumpun kaavio. Kennon ulkopinta ja sisäpuoli. (Lähde: Miguelferig, Wikimedia Commonsin kautta)

Solun sisällä natrium on vähemmän konsentroitunut (12 mekv / l) kuin ulkopuolella (142 mekv / l), kun taas kalium on konsentroituneempi ulkopuolella (4 mekv / l) kuin sisällä (140 mekv / l).

ATPase-pumput luokitellaan kolmeen suureen ryhmään:

• Tyypin F ja V ionipumput: ne ovat melko monimutkaisia ​​rakenteita, ne voivat koostua 3 erityyppisestä kalvon läpäisevästä alayksiköstä ja korkeintaan 5 liittyneestä polypeptidistä sytosolissa. Ne toimivat protonin kuljettajina.
• Yläperheen ABC (englanninkielisestä A TP- B inding C assette = ATP-sitovasta kasetista): koostuu yli 100 proteiinista, jotka voivat toimia ionien, monosakkaridien, polysakkaridien, polypeptidien ja jopa muiden proteiinien kuljettajina.

• P-luokan ionipommit: muodostettu ainakin yhdestä katalyyttisestä transmembraanisesta alfa-alayksiköstä, jolla on sitoutumiskohta ATP: lle ja ala-P-alayksikölle. Kuljetusprosessin aikana a-alayksikkö fosforyloituu ja tästä syystä sen nimi "P".

Natriumkaliumpumppu (Na + / K + ATPaasi) kuuluu luokan P ionipumppujen ryhmään, ja tanskalainen tutkija Jens Skou löysi sen vuonna 1957 tutkiessaan anestesian vaikutustapaa rapuhermoille. (Carcinus maenas); työ, josta hän sai Nobelin kemian palkinnon vuonna 1997.

Kaliumnatriumpumppu. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein fr.wikipediaderivaattorityössä: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Natriumkaliumpumpun rakenne

Natriumkaliumpumppu on entsyymi, joka sen kvaternäärisen rakenteen kannalta koostuu 2 alfa (a) ja kahdesta beeta (β) tyypin proteiinien alayksiköistä.

Siksi se on a2p2-tyypin tetrameeri, jonka alayksiköt ovat kiinteitä membraaniproteiineja, ts. Ne ylittävät lipidikaksoiskerroksen ja niillä on sekä intra- että extra-sytosoliset domeenit.

Kaliumpumpun alfa- ja beeta-alayksiköt. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alfa-alayksiköt

A-alayksiköitä ovat ne, jotka sisältävät ATP: n sekä Na +- ja K + -ionien sitoutumiskohdat ja edustavat entsyymin katalyyttistä komponenttia ja sellaista, joka suorittaa pumpun itsensä toiminnan.

A-alayksiköt ovat suuria polypeptidejä, joiden molekyylipaino on 120 kDa, 10 läpäisevää segmenttiä ja joiden N- ja C-terminaaliset päät sijaitsevat sytosolipuolella.

Solunsisäisellä puolella niillä on sitoutumiskohdat ATP: lle ja Na +: lle, samoin kuin aspartaattijäännös asemassa 376, joka edustaa kohtaa, jossa fosforyloitumisprosessi käy läpi pumpun aktivoinnin aikana.

K +: n sitoutumiskohta näyttää olevan solunulkoisella puolella.

Beta-alayksiköt

P-alayksiköillä ei näytä olevan suoraa osallistumista pumppausfunktioon, mutta niiden puuttuessa tätä toimintoa ei esiinny.

P-alayksiköiden molekyylipaino on noin 55 kDa, ja ne ovat glykoproteiineja, joissa on yksi kalvon läpäisevä domeeni, jonka hiilihydraattitähteet insertoidaan solunulkoiseen alueeseen.

Ne näyttävät olevan tarpeellisia endoplasmisessa retikulumissa, missä ne edistäisivät a-alayksiköiden asianmukaista taittoa ja sitten membraanitasolla stabiloimaan kompleksi.

Molemmat tyyppiset alayksiköt ovat heterogeenisiä ja a1-, a2- ja a3-isomuodot on kuvattu yhdelle ja β1, p2 ja p3 toiselle. Α1 löytyy useimpien solujen kalvoista, kun taas α2: ta on läsnä lihaksissa, sydämessä, rasvakudoksessa ja aivoissa ja α3 sydämessä ja aivoissa.

P1-isoformi on jakautunut diffuusiimmin, vaikka sitä puuttuu joissakin kudoksissa, kuten sisäkorvan vestibulaarisoluissa ja nopeasti reagoivissa glykolyyttisissä lihassoluissa. Viimeksi mainitut sisältävät vain p2.

Na + / K + -pumpun muodostavien alayksiköiden erilaiset rakenteet eri kudoksissa voivat johtua toiminnallisista erikoistumisista, joita ei ole vielä selvitetty.

Kaliumpumputoiminto

Missä tahansa tarkasteltavana olevana ajankohtana plasmamembraani muodostaa erotusrajan osaston, joka vastaa solun sisäosaa, ja sen osan välillä, joka edustaa solunulkoista nestettä, johon se on upotettu.

Molemmilla osastoilla on koostumus, joka voi olla laadullisesti erilainen, koska solujen sisällä on aineita, joita ei löydy niiden ulkopuolelta, ja solunulkoinen neste sisältää aineita, joita ei ole solunsisäisesti.

Aineita, joita on läsnä molemmissa osastoissa, voidaan löytää eri pitoisuuksina, ja näillä eroilla voi olla fysiologinen merkitys. Näin on monien ionien tapauksessa.

Homeostaasin ylläpito

Na + / K + -pumpulla on keskeinen rooli solunsisäisen homeostaasin ylläpidossa säätelemällä natrium- ja kaliumionien pitoisuuksia. Tämä homeostaasin ylläpitäminen saavutetaan seuraavilla keinoilla:

• Ionikuljetus: tuo esiin natriumioneja ja poistaa kaliumioneja, prosessin, jonka kautta se myös ohjaa muiden molekyylien liikettä muiden kuljettimien läpi, jotka riippuvat joko näiden ionien sähkövarauksesta tai sisäisestä pitoisuudesta.
• Solun tilavuuden hallinta: ionien syöttäminen tai poistuminen merkitsee myös veden liikettä solun sisällä, niin että pumppu osallistuu solun tilavuuden säätelyyn.
• Kalvopotentiaalin luominen: kolmen natriumionin karkottaminen jokaiselle johdetulle 2 kaliumionille aiheuttaa sen, että membraani pysyy negatiivisesti varautuneena sisäpuolelta, mikä aiheuttaa varauksen eron solun sisä- ja ulkopuolella. Tämä ero tunnetaan lepopotentiaalina.

Na +: n solunulkoinen pitoisuus on noin 142 mekv / l, kun taas sen solunsisäinen pitoisuus on vain 12 mekv / l; K +, toisaalta, on keskittynyt enemmän solun sisään (140 mekv / l) kuin sen ulkopuolella (4 mekv / l).

Vaikka näiden ionien sähkövaraus ei salli niiden kulkua kalvon läpi, on olemassa ionikanavia, jotka sallivat sen (selektiivisesti), jotka edistävät liikettä, jos myös nämä ionit yleensä liikuttavat voimat ovat läsnä.

Nämä pitoisuuserot ovat kuitenkin erittäin tärkeitä organismin homeostaasin säilymiselle, ja ne on ylläpidettävä sellaisessa tasapainossa, joka menettäessä aiheuttaisi merkittäviä orgaanisia muutoksia.

Natriumkaliumdiffuusio ja -pumppu (Lähde: BruceBlaus. Kun tätä kuvaa käytetään ulkoisissa lähteissä, siihen voidaan viitata nimellä: Blausen.com-henkilökunta (2014). «Blausen Medicalin lääketieteellinen galleria 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. Johdannainen Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) Wikimedia Commonsin kautta)

• Na +: n pitoisuusero solun sisä- ja ulkopuolella luo kemiallisen gradientin, joka työntää natriumia sisäänpäin ja saa tämän ionin jatkuvasti sisään ja pyrkii hävittämään eron, toisin sanoen tasoittamaan pitoisuudet molemmissa puolin.
• Kaliumgradienttia ylläpidetään vastakkaiseen suuntaan, toisin sanoen sisältäpäin, joka sallii ionin jatkuvan poistumisen ja sen sisäisen pelkistymisen ja ulkoisen lisääntymisen.

Na + / K + -pumpun toiminta mahdollistaa uuton natriumista, joka on kulkeutunut diffuusion kautta kanavien tai muiden kuljetusreittien kautta, ja palautetun kaliumin lisäämisen uudelleen, mikä mahdollistaa näiden solujen sisäisen ja solunulkoisen pitoisuuden säilymisen. ioneja.

Mekanismi (prosessi)

Na + / K + ATPaasin vaikutusmekanismi koostuu katalyyttisestä syklissä, johon sisältyy fosforyyliryhmän (Pi) siirtoreaktiot ja entsyymin konformaatiomuutokset, jotka siirtyvät E1-tilasta E2-tilaan ja päinvastoin.

Operaatio vaatii ATP: n ja Na +: n läsnäolon solun sisällä ja K +: n solunulkoisessa nesteessä.

Natriumionien sitominen kuljettajaan

Jakso alkaa entsyymin E1-konformaatiotilassa, jossa on 3 sytosolista kohtaa, jotka sitoutuvat Na +: iin ja joilla on korkea affiniteetti (Km 0,6 mM), jotka ovat täysin varattuja, koska ionien sisäinen pitoisuus (12 mM) sallii sen.

ATP-hydrolyysi

Tässä tilassa (E1) ja Na +: n ollessa sitoutuneena sitoutumiskohtiinsa, ATP sitoutuu paikkoihinsa molekyylin sytosolisektorissa, hydrolysoituu ja fosfaattiryhmä siirretään aspartaattiin 376, muodostaen korkeaenergisen asyylifosfaatin joka indusoi konformaatiomuutoksen E2-tilaan.

3 natriumionin karkottaminen ja 2 kaliumionin lisääminen

Konformaatiovaihtelu E2-tilaan merkitsee, että Na +: n sitoutumiskohdat siirtyvät ulkopuolelle, niiden affiniteetti ioniin vähenee huomattavasti ja se vapautuu solunulkoiseen nesteeseen, samalla kun K + -sitoutumiskohtien affiniteetti kasvaa. ja nämä ionit on kiinnitetty pumpun ulkopuolelle.

E2-tilan aikana Na + -ionit vapautuvat kalvon toiselle puolelle.

Tämä pumpun uusi tila puolestaan ​​luo affiniteetin K + -ionien sitoutumiseen

Käännös E2: sta E1: een

Kun Na + on vapautunut ja K + sitoutunut, tapahtuu aspartyylifosfaatin hydrolyysia ja konformaatiovaihtelu E2-tilasta E1-tilaan palautetaan palauttamalla tyhjät Na + -sitoutumiskohdat ja miehitetyn K +: n kohdat uudelleen.

Kun tämä muutos tapahtuu, Na +: n kohdat saavuttavat affiniteettinsa ja K +: n kohdat menettävät sen, jolla K + vapautuu soluun.

Merkitys

Solujen osmolaarisuuden ylläpitämisessä

Na + / K + -pumppu on läsnä useimmissa, ellei kaikissa, nisäkässoluissa, joissa sillä on yleistä merkitystä auttamalla ylläpitämään niiden osmolaarisuutta ja siten niiden tilavuutta.

Natriumionien jatkuva pääsy soluun määrittää osmoottisesti aktiivisten hiukkasten solunsisäisen määrän kasvun, mikä indusoi veden pääsyn ja tilavuuden lisääntymisen, joka lopulta aiheuttaisi kalvon repeämän ja solun romahtamisen.

Kalvopotentiaalin muodostumisessa

Koska nämä pumput tuovat vain 2 K + jokaisesta 3 poistettavasta Na +: sta, ne käyttäytyvät elektrogeenisesti, mikä tarkoittaa, että "dekompensoivat" sisäiset sähkövaraukset suosimalla kehosoluille ominaisen membraanipotentiaalin tuottamista.

Sen merkitys on ilmeinen myös suhteessa soluihin, jotka muodostavat herättäviä kudoksia, joissa toimintapotentiaalille on tunnusomaista solua depolarisoivan Na + -ionin pääsy ja sitä repolarisoivan K +: n poistuminen.

Nämä ioniset liikkeet ovat mahdollisia Na + / K + -pumppujen toiminnan ansiosta, jotka myötävaikuttavat kemiallisten gradienttien tuottamiseen, jotka liikuttavat mukana olevia ioneja.

Ilman näitä pumppuja, jotka toimivat vastakkaiseen suuntaan, näiden ionien pitoisuusgradientit häviäisivät ja viritysaktiivisuus katoaisi.

Munuaisten toiminnassa

Toinen näkökohta, joka korostaa natrium-kaliumpumppujen äärimmäistä merkitystä, liittyy munuaisten toimintaan, mikä olisi mahdotonta ilman niitä.

Munuaistoimintaan sisältyy päivittäinen suodatus noin 180 litraa plasmaa ja suuria määriä aineita, joista osa on erittyvä, mutta monet on absorboitava uudelleen, jotta ne eivät mene virtsaan.

Natriumin, veden ja monien suodatettujen aineiden imeytyminen riippuu näistä pumpuista, jotka sijaitsevat solujen basolateraalisessa kalvossa, jotka muodostavat munuaisnefronien eri putkimaisten segmenttien epiteelit.

Epiteelisoluilla, jotka linjaavat munuaistiehyitä, on toinen puoli, joka on kosketuksessa tubuluksen onteloon ja jota kutsutaan apikaaliseksi puoleksi, ja toinen, joka on kosketuksessa putken ympärillä olevan interstitiumin kanssa ja jota kutsutaan basolateraaliseksi puoleksi.

Veden ja absorboituneiden aineiden on ensin päästävä soluun huipun läpi ja sitten interstitiumiin peräsuolen läpi.

Na +: n imeytyminen on avainta sekä suhteessa siihen että veteen ja muihin siitä riippuvaisiin aineisiin. Na +: n apikaalinen tunkeutuminen soluun edellyttää, että siinä on gradienti, joka sitä liikuttaa, ja se merkitsee hyvin alhaista ionin konsentraatiota solun sisällä.

Tämän alhaisen solunsisäisen Na + -pitoisuuden tuottavat basolateraalisessa kalvossa olevat natriumpumput, jotka toimivat intensiivisesti poistamaan ioni soluista interstitiumiin.

Viitteet

1. Ganong WF: Lääketieteellisen fysiologian yleinen ja sellulaarinen perusta, julkaisussa: Review of Medical Physiology, 25. painos. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Aineen kuljetus solukalvon läpi, julkaisussa: Medical füsiology Textbook, 13. painos, AC Guyton, JE Hall (toim.). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Kuljetus solumembraanien läpi, julkaisussa: Molecular and Cell Biology, 4. painos.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Biokemian Lehninger-periaatteet. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… ja Walter, P. (2013). Oleellinen solubiologia. Garland Science.