НАТРИЕВА КАЛИЕВА ПОМПА: СТРУКТУРА, ФУНКЦИЯ, МЕХАНИЗЪМ, ЗНАЧЕНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

На натриев калиев помпата е структура протеин, включен в по-широк набор от молекули, присъстващи в много клетъчни мембрани, и които са отговорни за активен транспорт на йони или други малки молекули срещу своите концентрационни градиенти. Те използват енергията, отделена от хидролизата на АТФ и затова ги наричат ​​общо АТФази.

Натриевата калиева помпа е Na + / K + ATPase, защото освобождава енергията, съдържаща се в молекулата на АТФ, за да се движи натрий от вътрешната страна към външната страна на клетката, като същевременно въвежда калий.

Схема на натриевата калиева помпа. Екстериор и интериор на клетката. (Източник: Miguelferig, чрез Wikimedia Commons)

Вътре в клетката натрият е по-малко концентриран (12 mEq / L), отколкото навън (142 mEq / L), докато калият е по-концентриран отвън (4 mEq / L), отколкото вътре (140 mEq / L).

ATPase помпите са класифицирани в три големи групи:

• Йонни помпи тип F и V: те са доста сложни структури, могат да бъдат съставени от 3 различни типа трансмембранни субединици и до 5 свързани полипептиди в цитозола. Те функционират като преносители на протони.
• Суперсемейство ABC (А TP- B inding С assette = АТР свързваща касета): съставен от повече от 100 протеини, които могат да действат като преносители на йони, монозахариди, полизахариди, полипептиди и дори други протеини.

• Йонни помпи от Р клас: образувани от поне една каталитична трансмембранна алфа субединица, която има свързващо място за АТФ и незначителна β субединица. По време на процеса на транспорт α субединицата се фосфорилира и оттам идва и името й „P“.

Натриевата калиева помпа (Na + / K + ATPase) принадлежи към групата на йонните помпи от клас P и е открита през 1957 г. от Йенс Скуу, датски изследовател, когато изучава механизма на действие на анестетиците върху нервите на раците. (Carcinus maenas); работа, за която през 1997 г. е носител на Нобелова награда по химия.

Калиева натриева помпа. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein при fr.wikipediaderivative работа: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Структура на натриевата калиева помпа

Натриевата калиева помпа е ензим, който от гледна точка на кватернерната си структура се състои от 2 алфа (α) и две бета (β) протеинови субединици.

Следователно това е тетрамер от тип α2β2, чиито субединици са интегрални мембранни протеини, тоест те кръстосват липидния двуслоен и имат както вътре-, така и екстрацитозолни домени.

Алфа и бета субединици на калиевата помпа. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Алфа субединици

А субединиците са тези, които съдържат свързващите места за ATP и за Na + и K + йони и представляват каталитичния компонент на ензима и този, който упражнява функцията на самата помпа.

А субединиците са големи полипептиди с молекулно тегло от 120 kDa, 10 трансмембранни сегмента и с техните N- и C-крайни краища, разположени от цитозолната страна.

Те имат места за свързване на ATP и Na + от вътреклетъчната страна, както и остатък от аспартат в позиция 376, която представлява мястото, което се подлага на процеса на фосфорилиране по време на активиране на помпата.

Мястото за свързване на K + изглежда е на извънклетъчната страна.

Бета субединици

Изглежда, че β субединиците нямат пряко участие във функцията за изпомпване, но при липсата им тази функция не се проявява.

Β субединиците имат молекулно тегло около 55 kDa всяка и са гликопротеини с единичен трансмембранен домен, чиито въглехидратни остатъци са вмъкнати в извънклетъчната област.

Изглежда, че те са необходими в ендоплазмения ретикулум, където биха допринесли за правилното сгъване на α субединици и след това на ниво мембрана за стабилизиране на комплекса.

И двата типа субединици са хетерогенни и за едната са описани α1, α2 и α3 изоформи, а за другата β1, β2 и β3. Α1 се намира в мембраните на повечето клетки, докато α2 присъства в мускулите, сърцето, мастната тъкан и мозъка, а α3 в сърцето и мозъка.

Β1 изоформата е тази с най-дифузно разпределение, въпреки че липсва в някои тъкани като вестибуларните клетки на вътрешното ухо и бързо реагиращите гликолитични мускулни клетки. Последните съдържат само β2.

Различните структури на субединиците, които изграждат Na + / K + помпата в различните тъкани, могат да се дължат на функционални специализации, които все още не са изяснени.

Функция на калиевата помпа

За всеки разглеждан момент плазмената мембрана представлява разделителна граница между отделението, съответстващо на вътрешността на клетката, и тази, която представлява извънклетъчната течност, в която е потопена.

И двете отделения имат състав, който може да бъде качествено различен, тъй като има вещества вътре в клетките, които не се намират извън тях, а извънклетъчната течност съдържа вещества, които не присъстват вътреклетъчно.

Веществата, които се намират в двете отделения, могат да бъдат намерени в различни концентрации и тези различия могат да имат физиологично значение. Такъв е случаят с много йони.

Поддържане на хомеостазата

Помпата Na + / K + играе основна роля за поддържането на вътреклетъчната хомеостаза, като контролира концентрациите на натриеви и калиеви йони. Това поддържане на хомеостазата се постига благодарение на:

• Транспортиране на йони: въвежда натриеви йони и изхвърля калиеви йони, процес, чрез който също така задвижва движението на други молекули през други транспортери, които зависят или от електрическия заряд, или от вътрешната концентрация на тези йони.
• Контрол на обема на клетката: въвеждането или излизането на йони също предполага движение на вода в клетката, така че помпата участва в контрола на обема на клетката.
• Генериране на мембранен потенциал: експулсирането на 3 натриеви йона на всеки 2 калиеви йона, които се въвеждат, кара мембраната да остане отрицателно заредена отвътре, което генерира разлика в зарядите между вътрешната и външната страна на клетката. Тази разлика е известна като потенциал за почивка.

Na + има извънклетъчна концентрация от около 142 mEq / L, докато вътреклетъчната му концентрация е само 12 mEq / L; K +, от друга страна, е по-концентриран вътре в клетката (140 mEq / L), отколкото извън нея (4 mEq / L).

Въпреки че електрическият заряд на тези йони не позволява преминаването им през мембраната, има йонни канали, които го позволяват (избирателно), които насърчават движението, ако присъстват и силите, които обикновено движат тези йони.

Тези разлики в концентрацията обаче имат голямо значение за запазването на хомеостазата на организма и трябва да се поддържат в един вид баланс, който, ако се загуби, би довел до важни органични изменения.

Дифузия и помпа на натрий (Източник: BruceBlaus. Когато използвате това изображение във външни източници, той може да бъде цитиран като: служители на Blausen.com (2014). «Медицинска галерия на Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. Производни от Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) чрез Wikimedia Commons)

• Разликата в концентрацията на Na + между вътрешната и външната страна на клетката създава химичен градиент, който изтласква натрия навътре и кара този йон непрекъснато да влиза и има тенденция да разсейва тази разлика, тоест да изравнява концентрациите и в двете страни.
• Калиевият градиент се поддържа в обратна посока, тоест отвътре навън, което позволява постоянният изход на йона и неговото вътрешно намаляване и външно увеличение.

Функцията на помпата Na + / K + позволява извличането на натрий, който е влязъл чрез дифузия по канали или други транспортни пътища, и повторното въвеждане на калий, който е дифундирал, което позволява запазването на вътрешно и извънклетъчните концентрации на тези йони.

Механизъм (процес)

Механизмът на действие на Na + / K + ATPase се състои от каталитичен цикъл, който включва реакции на трансфер на фосфорилна група (Pi) и конформационни промени на ензима, които преминават от състояние E1 в състояние E2 и обратно.

Операцията изисква присъствието на ATP и Na + вътре в клетката и K + в извънклетъчната течност.

Свързване на натриеви йони с транспортера

Цикълът започва в състояние на конформация Е1 на ензима, в което има 3 цитозолни места на свързване с Na + и с висок афинитет (Km от 0,6 mM), които са напълно заети, тъй като вътрешно йонната концентрация (12 mM) позволява.

ATP хидролиза

В това състояние (Е1) и с Na +, прикрепен към своите свързващи места, АТФ се свързва със своя сайт в цитозолния сектор на молекулата, хидролизира и фосфатна група се прехвърля в аспартат 376, образувайки високоенергиен ацилфосфат което индуцира конформационна промяна в състояние Е2.

Изгонване на 3 натриеви йона и въвеждане на 2 калиеви йона

Конформационната промяна в състояние E2 предполага, че Na + свързващите места преминават навън, афинитетът им към йона намалява значително и той се отделя в извънклетъчната течност, докато в същото време афинитетът на K + свързващите места се увеличава. и тези йони са прикрепени към външната страна на помпата.

По време на състояние E2, Na + йони се отделят от другата страна на мембраната.

От своя страна това ново състояние на помпата генерира афинитет към свързването на K + йони

Обръщане от E2 до E1

След като Na + се освободи и К + се свърже, настъпва хидролизата на аспартилфосфат и конформационната промяна от състояние Е2 към състояние Е1 се връща с повторното въвеждане на празните Na + свързващи места и тези на заетите К +.

Когато настъпи тази промяна, сайтовете за Na + възвръщат афинитета си, а тези за K + го губят, с което K + се освобождава в клетката.

важност

При поддържането на клетъчната осмоларност

Na + / K + помпата присъства в повечето, ако не във всички клетки на бозайници, където е от общо значение, като помага за поддържането на осмоларността и оттам и обема им.

Непрекъснатото навлизане на натриеви йони в клетката определя увеличаване на вътреклетъчния брой на осмотично активни частици, което индуцира навлизането на вода и увеличаването на обема, което би свършило, причинявайки разрушаване на мембраната и клетъчния колапс.

При формирането на мембранния потенциал

Тъй като тези помпи въвеждат само 2 К + за всеки 3 Na +, които те отстраняват, те се държат електрогенно, което означава, че "декомпенсират" вътрешните електрически заряди, благоприятствайки производството на мембранен потенциал, характерен за телесните клетки.

Неговото значение е очевидно и по отношение на клетките, които изграждат възбудими тъкани, при които потенциалите на действие се характеризират с навлизането на Na + йона, който деполяризира клетката, и изхода на К +, който го реполяризира.

Тези йонни движения са възможни благодарение на работата на помпите Na + / K +, които допринасят за производството на химичните градиенти, които движат участващите йони.

Без тези помпи, които работят в обратна посока, концентрационните градиенти на тези йони биха се разсейвали и възбудителната активност би изчезнала.

При бъбречна функция

Друг аспект, който подчертава изключително важността на натриево-калиевите помпи, е свързан с работата на бъбреците, което би било невъзможно без тях.

Бъбречната функция включва ежедневната филтрация на повече или по-малко 180 литра плазма и големи количества вещества, някои от които трябва да се отделят, но много от тях трябва да бъдат реабсорбирани, за да не се загубят с урината.

Реабсорбцията на натрий, вода и много от филтрираните вещества зависи от тези помпи, които са разположени в базолатералната мембрана на клетките, съставляващи епитела на различните тръбни сегменти на бъбречните нефрони.

Епителните клетки, които оформят бъбречните тубули, имат една страна, която е в контакт с лумена на тръбата и се нарича апикална страна, и друга, която е в контакт с интерстициума около тръбата и се нарича базолатерална страна.

Водата и веществата, които се резорбират, първо трябва да преминат в клетката през апикалния и след това в интерстициума през базолатералната.

Реабсорбцията на Na + е ключова както по отношение на него, така и по отношение на водата и тази на други вещества, които зависят от него. Апикалното влизане на Na + в клетката изисква да има градиент, който го движи и това предполага много ниска концентрация на йона вътре в клетката.

Тази ниска вътреклетъчна концентрация на Na + се произвежда от натриеви помпи в базолатералната мембрана, които работят интензивно за отстраняване на йона от клетките в интерстициума.

Препратки

1. Ganong WF: Общи и клетъчни основи на медицинската физиология, в: Преглед на медицинската физиология, 25 изд. Ню Йорк, Образование McGraw-Hill, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Транспорт на вещества през клетъчната мембрана, в: Учебник по медицинска физиология, 13-то издание, AC Guyton, JE Hall (eds). Филаделфия, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Транспорт през мембраните на клетките, В: Молекулярна и клетъчна биология, 4-то изд.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Принципите на Ленингер в биохимията. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Съществена клетъчна биология. Garland Science.