NATRIUMKALIUMPUMP: STRUKTUR, FUNKTION, MEKANISM, VIKT - BIOLOGI - 2025

Den natriumkaliumpumpen är en proteinstruktur som ingår i en bredare uppsättning av molekyler närvarande i många cellmembran, och som är ansvariga för aktiv transport av joner eller andra små molekyler mot deras koncentrationsgradienter. De använder den energi som frigörs genom hydrolysen av ATP och det är därför de generiskt kallas ATPaser.

Natriumkaliumpumpen är en Na + / K + ATPas eftersom den frigör energin i ATP-molekylen för att flytta natrium från insidan till utsidan av cellen, samtidigt som kalium införs.

Schematisk över natriumkaliumpumpen. Exteriör och inre av cellen. (Källa: Miguelferig, via Wikimedia Commons)

Inuti cellen är natrium mindre koncentrerad (12 mEq / L) än utanför (142 mEq / L), medan kalium är mer koncentrerad utanför (4 mEq / L) än inuti (140 mEq / L).

ATPase-pumpar klassificeras i tre stora grupper:

• Jonpumpar av typ F och V : de är ganska komplexa strukturer, de kan bestå av 3 olika typer av transmembranunderenheter och upp till 5 associerade polypeptider i cytosolen. De fungerar som protontransporter.
• Superfamily ABC (från engelska A TP- B inding C assette = ATP-bindningskassett): består av mer än 100 proteiner som kan fungera som transportörer av joner, monosackarider, polysackarider, polypeptider och till och med andra proteiner.
  
• Jonpumpar av P-klassen : bildad av minst en katalytisk transmembran alfa-subenhet som har ett bindningsställe för ATP och en mindre p-underenhet. Under transportprocessen fosforyleras a-underenheten och därmed namnet "P".

Natriumkaliumpumpen (Na + / K + ATPase) tillhör gruppen av jonpumpar i P-klassen och upptäcktes 1957 av Jens Skou, en dansk forskare, när han studerade anestesimedelens verkan på en krabbs nerver (Carcinus maenor); arbete för vilket han tilldelades Nobelpriset i kemi 1997.

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

Strukturen för natriumkaliumpumpen

Natriumkaliumpumpen är ett enzym som, med tanke på dess kvartära struktur, består av 2-alfa- (a) och två beta- (β) -proteinsubenheter.

Det är därför en tetramer av typen α2p2, vars underenheter är integrerade membranproteiner, det vill säga de korsar lipid-tvåskiktet och har både intra- och extra-cytosoliska domäner.

Alfa- och beta-underenheter för kaliumpumpen. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alpha-underenheter

A-subenheterna är de som innehåller bindningsställena för ATP och för Na + och K + -jonerna och representerar den katalytiska komponenten i enzymet och den som utövar själva pumpens funktion.

A-subenheterna är stora polypeptider med en molekylvikt av 120 kDa, 10 transmembransegment och med deras N- och C-terminaler belägna på den cytosoliska sidan.

På den intracellulära sidan har de bindningsställen för ATP och Na +, samt en aspartatrest i position 376 som representerar platsen som genomgår fosforyleringsprocessen under pumpaktivering.

Bindningsstället för K + verkar vara på den extracellulära sidan.

Beta-underenheter

P-underenheterna verkar inte ha ett direkt deltagande i pumpfunktionen, men i deras frånvaro förekommer inte denna funktion.

P-subenheterna har en molekylvikt av vardera 55 kDa vardera och är glykoproteiner med ett enda transmembrandomän vars kolhydratrester införs i den extracellulära regionen.

De verkar vara nödvändiga i det endoplasmatiska retikulummet, där de skulle bidra till korrekt vikning av a-subenheterna och sedan på membrannivå för att stabilisera komplexet.

Båda typerna av subenheter är heterogena och a1, a2 och a3 isoformer har beskrivits för den ena och ß1, ß2 och 3 för den andra. Α1 finns i membranen i de flesta celler, medan α2 finns i muskel, hjärta, fettvävnad och hjärna och α3 i hjärtat och hjärnan.

P1-isoformen har den mest diffusa fördelningen, även om den är frånvarande i vissa vävnader, såsom de vestibulära cellerna i det inre örat och de snabbt svarande glykolytiska muskelcellerna. Den senare innehåller endast ß2.

De olika strukturerna hos subenheterna som utgör Na + / K + -pumpen i de olika vävnaderna kan bero på funktionella specialiseringar som ännu inte har klargjorts.

Kaliumpumpfunktion

För varje övervägande ögonblick utgör plasmamembranet en separationsgräns mellan facket motsvarande det inre av en cell och det som representerar den extracellulära vätskan i vilken den är nedsänkt.

Båda avdelningarna har en komposition som kan vara kvalitativt annorlunda, eftersom det finns ämnen i celler som inte finns utanför dem och den extracellulära vätskan innehåller ämnen som inte förekommer intracellulärt.

Ämnen som finns i båda avdelningarna kan hittas i olika koncentrationer, och dessa skillnader kan ha fysiologisk betydelse. Så är fallet med många joner.

Underhåll av homeostas

Na + / K + -pumpen spelar en grundläggande roll i upprätthållandet av intracellulär homeostas genom att kontrollera koncentrationerna av natrium- och kaliumjoner. Detta underhåll av homeostas uppnås tack vare:

• Jontransport : introducerar natriumjoner och utvisar kaliumjoner, en process genom vilken den också driver rörelsen av andra molekyler genom andra transportörer som är beroende av antingen den elektriska laddningen eller den interna koncentrationen av dessa joner.
• Kontroll av cellvolym : införande eller utträde av joner innebär också rörelser av vatten i cellen, så att pumpen deltar i kontrollen av cellvolym.
• Generering av membranpotential : utdrivning av 3 natriumjoner för varje 2 kaliumjoner som införs får membranet att förbli negativt laddat på insidan, vilket genererar en skillnad i laddningar mellan insidan och utsidan av cellen. Denna skillnad är känd som vilopotentialen.

Na + har en extracellulär koncentration av cirka 142 mEq / L, medan dess intracellulära koncentration endast är 12 mEq / L; K + är å andra sidan mer koncentrerad inuti cellen (140 mEq / L) än utanför den (4 mEq / L).

Även om den elektriska laddningen av dessa joner inte tillåter deras passering genom membranet, finns det jonkanaler som tillåter det (selektivt), som främjar rörelse om krafterna som vanligtvis rör sig dessa joner också finns.

Dessa skillnader i koncentration är emellertid av stor betydelse för bevarandet av organismens homeostas och måste upprätthållas i en slags balans som, om den går förlorad, skulle ge viktiga organiska förändringar.

Natriumkaliumdiffusion och pump (Källa: BruceBlaus. När man använder denna bild i externa källor kan den citeras som: Blausen.com personal (2014). «Medical gallery of Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436.Derivative av Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) via Wikimedia Commons)

• Skillnaden i koncentration för Na + mellan insidan och utsidan av cellen skapar en kemisk gradient som trycker natrium inåt och får denna jon att ständigt komma in och tenderar att sprida den skillnaden, det vill säga att jämföra koncentrationerna i båda sidor.
• Kaliumgradienten bibehålls i motsatt riktning, det vill säga inifrån och ut, vilket tillåter konstant utträde av jonen och dess inre reduktion och yttre ökning.

Funktionen av Na + / K + -pumpen tillåter extraktion av natrium som har trängt in genom diffusion genom kanaler eller andra transportvägar och återintroduktion av kalium som har diffunderat ut, vilket möjliggör bevarande av intra- och extracellulära koncentrationer av dessa joner.

Mekanism (process)

Verkningsmekanismen för Na + / K + ATPas består av en katalytisk cykel som involverar överföringsreaktioner av en fosforylgrupp (Pi) och konformationella förändringar av enzymet som går från ett El-tillstånd till ett E2-tillstånd och vice versa.

Operationen kräver närvaro av ATP och Na + inuti cellen och K + i den extracellulära vätskan.

Bindning av natriumjoner till transportören

Cykeln börjar i E1-konformationstillståndet hos enzymet, i vilket det finns 3 cytosoliska platser som binder till Na + och med hög affinitet (km på 0,6 mM) som är fullständigt upptagna på grund av intrajonkoncentrationen ( 12 mM) tillåter det.

ATP-hydrolys

I detta tillstånd (El) och med Na + fäst vid sina bindningsställen binder ATP till sitt ställe i molekylens cytosoliska sektor, hydrolyseras och en fosfatgrupp överförs till aspartat 376, bildar ett högenergi-acylfosfat som inducerar en konformationell förändring till E2-tillståndet.

Utdrivning av 3 natriumjoner och introduktion av 2 kaliumjoner

Den konformationella förändringen till E2-tillståndet innebär att Na + -bindningsställena passerar till utsidan, deras affinitet för jon minskar kraftigt och det frigörs i den extracellulära vätskan, samtidigt som affiniteten för K + -bindningsställena ökar. och dessa joner är fästa på pumpens utsida.

Under E2-tillståndet frigörs Na + -joner till den andra sidan av membranet.

I sin tur genererar detta nya tillstånd hos pumpen affinitet för bindning av K + -joner

Återföring från E2 till E1

När Na + frisläppts och K + är bundet, sker hydrolysen av aspartylfosfat och den konformationella förändringen från E2-tillståndet till E1-tillståndet återförs, med återintroduktion av de tomma Na + -bindningsställena och de för ockuperade K +.

När denna förändring inträffar återfår Na + -platserna sin affinitet och K + -platserna förlorar den, med vilken K + släpps in i cellen.

Betydelse

Vid upprätthållande av cellulär osmolaritet

Na + / K + -pumpen finns i de flesta, om inte alla, däggdjursceller, där det är av allmän betydelse genom att hjälpa till att upprätthålla deras osmolaritet och därmed deras volym.

Den kontinuerliga inträde av natriumjoner i cellen bestämmer en ökning i det intracellulära antalet osmotiskt aktiva partiklar, vilket inducerar inträde av vatten och den ökade volymen som skulle hamna orsakar bristning av membranet och cellens kollaps.

Vid bildandet av membranpotentialen

Eftersom dessa pumpar bara introducerar 2 K + för varje 3 Na + som de tar bort, uppför sig de elektrogeniskt, vilket innebär att de "dekompenseras" interna elektriska laddningar, vilket gynnar produktionen av membranpotentialen som är karakteristisk för kroppsceller.

Dess betydelse är också uppenbar i förhållande till cellerna som utgör exciterbara vävnader, i vilka handlingspotentialen kännetecknas av inträde av Na + jonen, som depolariserar cellen, och utgången från K +, som repolariserar den.

Dessa joniska rörelser är möjliga tack vare driften av Na + / K + -pumparna, som bidrar till produktionen av de kemiska gradienterna som rör de involverade jonerna.

Utan dessa pumpar, som arbetar i motsatt riktning, skulle koncentrationsgradienterna för dessa joner försvinna och den exciterande aktiviteten försvann.

Vid njurfunktion

En annan aspekt som framhäver den enorma vikten av natrium-kaliumpumpar är relaterad till njurfunktion, vilket skulle vara omöjligt utan dem.

Njurfunktionen innefattar den dagliga filtreringen av mer eller mindre 180 liter plasma och stora mängder ämnen, av vilka några måste utsöndras, men många måste reabsorberas så att de inte går förlorade i urinen.

Reabsorptionen av natrium, vatten och många av de filtrerade substanserna beror på dessa pumpar, som är belägna i det basolaterala membranet i cellerna som utgör epiteln i de olika rörformiga segmenten i njurnefronerna.

Epitelcellerna som linjer njurens tubuli har en sida som är i kontakt med tubulens lumen och kallas den apikala sidan, och en annan som är i kontakt med interstitiet runt tubulan och kallas basolateral sida.

Vattnet och ämnena som reabsorberas måste först passera in i cellen genom apikalen och sedan in i interstitium genom basolateralt.

Reabsorptionen av Na + är nyckeln både i förhållande till den och i förhållande till den för vatten och den för andra ämnen som är beroende av den. Den apikala inträde av Na + i cellen kräver att det finns en lutning som rör sig och det innebär en mycket låg koncentration av jonen inuti cellen.

Denna låga intracellulära koncentration av Na + produceras av natriumpumparna i det basolaterala membranet som arbetar intensivt för att avlägsna jonen från cellerna i interstitium.

referenser

1. Ganong WF: The General & Cellular Base of Medical Physiology, in: Review of Medical Physiology, 25th ed. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Substanstransport över cellmembranet, i: Textbook of Medical Physiology, 13th ed, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport over the Cells Membranes, In: Molecular and Cell Biology, 4th ed.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehninger-principerna för biokemi. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2013). Väsentlig cellbiologi. Garland Science.