POMPA SODOWO-POTASOWA: BUDOWA, FUNKCJA, MECHANIZM, ZNACZENIE - BIOLOGIA - 2026

Pompa sodowo-potasowego jest struktura białka zawarte w szerszej cząsteczek obecnych w wielu błon komórkowych, i które są odpowiedzialne za transport aktywny jonów lub innych małych cząsteczek przed ich gradientów stężeń. Wykorzystują energię uwolnioną podczas hydrolizy ATP i dlatego ogólnie nazywane są ATPazami.

Pompa sodowo-potasowa to ATPaza Na + / K +, ponieważ uwalnia energię zawartą w cząsteczce ATP, aby przenieść sód z wnętrza komórki na zewnątrz, jednocześnie wprowadzając potas.

Schemat pompy sodowo-potasowej. Zewnętrzne i wewnętrzne ogniwo. (Źródło: Miguelferig, za Wikimedia Commons)

Wewnątrz ogniwa sód jest mniej stężony (12 mEq / l) niż na zewnątrz (142 mEq / l), podczas gdy potas jest bardziej stężony na zewnątrz (4 mEq / l) niż wewnątrz (140 mEq / l).

Pompy ATPase są podzielone na trzy duże grupy:

• Pompy jonowe typu F i V : są to dość złożone struktury, mogą składać się z 3 różnych typów podjednostek transbłonowych i do 5 powiązanych polipeptydów w cytozolu. Działają jako transportery protonów.
• Nadrodzina ABC ( TP- B inding C assette = kaseta wiążąca ATP) składa się z ponad 100 białek funkcji można jako przenośniki jonów monosacharydy, polisacharydy, polipeptydy, a nawet z innymi białkami.
  
• Bomby jonowe klasy P : utworzone przez co najmniej jedną katalityczną podjednostkę transbłonową alfa, która ma miejsce wiązania dla ATP i mniejszą podjednostkę β. Podczas transportu podjednostka α ulega fosforylacji i stąd jej nazwa „P”.

Pompa sodowo-potasowa (Na + / K + ATPaza) należy do grupy pomp jonowych klasy P i została odkryta w 1957 roku przez duńskiego badacza Jensa Skou, gdy badał mechanizm działania środków znieczulających na nerwy kraba (Carcinus maenas); praca, za którą otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1997 roku.

Pompa sodowo-potasowa. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein at fr.wikipedia praca pochodna: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Budowa pompy sodowo-potasowej

Pompa sodowo-potasowa jest enzymem, który z punktu widzenia swojej czwartorzędowej struktury składa się z 2 podjednostek białka typu alfa (α) i dwóch beta (β).

Jest to zatem tetramer typu α2β2, którego podjednostki są integralnymi białkami błonowymi, to znaczy przechodzą przez dwuwarstwę lipidową i mają zarówno domeny wewnątrz-, jak i poza-cytozolowe.

Podjednostki alfa i beta pompy potasowej. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Podjednostki alfa

Podjednostki α to te, które zawierają miejsca wiązania dla ATP oraz jonów Na + i K + i reprezentują katalityczny składnik enzymu oraz ten, który pełni funkcję samej pompy.

Podjednostki α to duże polipeptydy o masie cząsteczkowej 120 kDa, 10 segmentów transbłonowych, których N- i C-końce znajdują się po stronie cytozolowej.

Po stronie wewnątrzkomórkowej mają miejsca wiązania dla ATP i Na +, a także resztę asparaginianu w pozycji 376, która reprezentuje miejsce, które podlega procesowi fosforylacji podczas aktywacji pompy.

Wydaje się, że miejsce wiązania dla K + znajduje się po stronie zewnątrzkomórkowej.

Podjednostki beta

Wydaje się, że podjednostki β nie mają bezpośredniego udziału w funkcji pompowania, ale w przypadku ich braku funkcja ta nie występuje.

Podjednostki β mają masę cząsteczkową około 55 kDa każda i są glikoproteinami z pojedynczą domeną transbłonową, której reszty węglowodanowe są wstawione do regionu zewnątrzkomórkowego.

Wydają się być niezbędne w retikulum endoplazmatycznym, gdzie przyczyniałyby się do prawidłowego fałdowania podjednostek α, a następnie na poziomie błony do stabilizacji kompleksu.

Oba typy podjednostek są heterogeniczne i dla jednej opisano izoformy α1, α2 i α3, a dla drugiej β1, β2 i β3. 1 znajduje się w błonach większości komórek, podczas gdy α2 występuje w mięśniach, sercu, tkance tłuszczowej i mózgu, a α3 w sercu i mózgu.

Izoforma β1 jest izoformą o najbardziej rozproszonym rozkładzie, chociaż nie występuje w niektórych tkankach, takich jak komórki przedsionkowe ucha wewnętrznego i szybko reagujące glikolityczne komórki mięśniowe. Te ostatnie zawierają tylko β2.

Różne struktury podjednostek, które tworzą pompę Na + / K + w różnych tkankach, mogą wynikać z funkcjonalnych specjalizacji, które nie zostały jeszcze wyjaśnione.

Funkcja pompy potasowej

W każdym rozważanym momencie błona plazmatyczna stanowi granicę oddzielającą między przedziałem odpowiadającym wnętrzu komórki a tym, który reprezentuje płyn pozakomórkowy, w którym jest zanurzona.

Skład obu przedziałów może się różnić jakościowo, ponieważ wewnątrz komórek znajdują się substancje, których nie ma na zewnątrz, a płyn pozakomórkowy zawiera substancje, które nie są obecne wewnątrzkomórkowo.

Substancje obecne w obu przedziałach można znaleźć w różnych stężeniach, a różnice te mogą mieć znaczenie fizjologiczne. Tak jest w przypadku wielu jonów.

Utrzymanie homeostazy

Pompa Na + / K + odgrywa fundamentalną rolę w utrzymaniu homeostazy wewnątrzkomórkowej poprzez kontrolowanie stężenia jonów sodu i potasu. To utrzymanie homeostazy uzyskuje się dzięki:

• Transport jonów : wprowadza jony sodu i wyrzuca jony potasu, proces, w którym kieruje również ruchem innych cząsteczek przez inne transportery, które zależą od ładunku elektrycznego lub wewnętrznego stężenia tych jonów.
• Kontrola objętości komórki : wprowadzanie lub wychodzenie jonów wiąże się również z ruchem wody w komórce, tak że pompa uczestniczy w regulacji objętości komórki.
• Wytwarzanie potencjału błonowego : wyrzucenie 3 jonów sodu na każde 2 wprowadzone jony potasu powoduje, że membrana pozostaje naładowana ujemnie wewnątrz, co generuje różnicę ładunków między wnętrzem i na zewnątrz komórki. Ta różnica jest znana jako potencjał spoczynkowy.

Na + ma zewnątrzkomórkowe stężenie około 142 mEq / l, podczas gdy jego wewnątrzkomórkowe stężenie wynosi tylko 12 mEq / l; Z drugiej strony K + jest bardziej skoncentrowany wewnątrz komórki (140 mEq / l) niż na zewnątrz (4 mEq / l).

Chociaż ładunek elektryczny tych jonów nie pozwala na ich przejście przez membranę, istnieją kanały jonowe, które na to pozwalają (selektywnie), które sprzyjają ruchowi, jeśli siły, które normalnie poruszają te jony, są również obecne.

Jednak te różnice w koncentracji mają ogromne znaczenie dla zachowania homeostazy organizmu i muszą być utrzymywane w takiej równowadze, która, jeśli zostanie utracona, spowoduje istotne zmiany organiczne.

Dyfuzja i pompa sodowo-potasowa (źródło: BruceBlaus. Używając tego obrazu w źródłach zewnętrznych, można go zacytować jako: personel Blausen.com (2014). «Galeria medyczna Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. Pochodne autorstwa Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) przez Wikimedia Commons)

• Różnica w stężeniu Na + między wnętrzem i na zewnątrz komórki tworzy gradient chemiczny, który wypycha sód do wewnątrz i powoduje, że ten jon stale wchodzi i ma tendencję do rozpraszania tej różnicy, to znaczy wyrównania stężeń w obu boki.
• Gradient potasu jest utrzymywany w odwrotnym kierunku, to znaczy od wewnątrz na zewnątrz, umożliwiając ciągłe wychodzenie jonu i jego wewnętrzną redukcję oraz zewnętrzny wzrost.

Funkcja pompy Na + / K + umożliwia ekstrakcję sodu, który dostał się na drodze dyfuzji kanałami lub innymi drogami transportowymi, oraz ponowne wprowadzenie potasu, który wydyfundował, umożliwiając zachowanie wewnątrz i zewnątrzkomórkowych stężeń tego sodu. jony.

Mechanizm (proces)

Mechanizm działania ATPazy Na + / K + składa się z cyklu katalitycznego, który obejmuje reakcje przeniesienia grupy fosforylowej (Pi) oraz zmiany konformacyjne enzymu, które przechodzą ze stanu E1 do stanu E2 i odwrotnie.

Operacja wymaga obecności ATP i Na + w komórce oraz K + w płynie zewnątrzkomórkowym.

Wiązanie jonów sodu do transportera

Cykl rozpoczyna się w stanie konformacji E1 enzymu, w którym znajdują się 3 cytozolowe miejsca wiązania Na + i o wysokim powinowactwie (Km 0,6 mM), które są w pełni zajęte ze względu na stężenie jonów wewnętrznych ( 12 mM) na to pozwala.

Hydroliza ATP

W tym stanie (E1) iz Na + przyłączonym do jego miejsc wiązania, ATP wiąże się ze swoim miejscem w sektorze cytozolowym cząsteczki, hydrolizuje i grupa fosforanowa jest przenoszona do asparaginianu 376, tworząc wysokoenergetyczny acylofosforan co wywołuje zmianę konformacyjną w stanie E2.

Wydalenie 3 jonów sodu i wprowadzenie 2 jonów potasu

Zmiana konformacyjna do stanu E2 oznacza, że ​​miejsca wiązania Na + przechodzą na zewnątrz, ich powinowactwo do jonu znacznie się zmniejsza i jest on uwalniany do płynu zewnątrzkomórkowego, podczas gdy w tym samym czasie wzrasta powinowactwo miejsc wiązania K +. i te jony są przymocowane do zewnętrznej strony pompy.

W stanie E2 jony Na + są uwalniane na drugą stronę membrany.

Z kolei ten nowy stan pompy generuje powinowactwo do wiązania jonów K +

Odwrócenie z E2 do E1

Po uwolnieniu Na + i związaniu K + następuje hydroliza fosforanu aspartylu i zmiana konformacyjna ze stanu E2 do stanu E1 zostaje cofnięta, z ponownym wprowadzeniem pustych miejsc wiązania Na + i zajętych miejsc K +.

Kiedy następuje ta zmiana, miejsca dla Na + odzyskują swoje powinowactwo, a te z K + tracą je, przez co K + jest uwalniane do komórki.

Znaczenie

W utrzymaniu osmolarności komórkowej

Pompa Na + / K + jest obecna w większości, jeśli nie we wszystkich, komórkach ssaków, gdzie ma ogólne znaczenie, ponieważ pomaga utrzymać ich osmolarność, a tym samym ich objętość.

Ciągłe wchodzenie jonów sodu do komórki determinuje wzrost wewnątrzkomórkowej liczby cząstek aktywnych osmotycznie, co indukuje przedostawanie się wody i wzrost objętości, który w końcu doprowadziłby do pęknięcia błony i zapadnięcia się komórki.

W tworzeniu potencjału błonowego

Ponieważ pompy te wprowadzają tylko 2 K + na każde 3 Na +, które usuwają, zachowują się elektrogenicznie, co oznacza, że ​​„dekompensują” wewnętrzne ładunki elektryczne, sprzyjając wytwarzaniu potencjału błonowego charakterystycznego dla komórek ciała.

Jego znaczenie jest również widoczne w odniesieniu do komórek tworzących tkanki pobudliwe, w których potencjały czynnościowe charakteryzują się wejściem jonu Na +, który depolaryzuje komórkę, oraz wyjściem K +, który ją repolaryzuje.

Te ruchy jonowe są możliwe dzięki działaniu pomp Na + / K +, które przyczyniają się do wytwarzania gradientów chemicznych, które poruszają zaangażowane jony.

Bez tych pomp, które działają w przeciwnym kierunku, gradienty stężeń tych jonów rozproszyłyby się, a aktywność pobudzająca zanikłaby.

W czynności nerek

Kolejny aspekt, który podkreśla ogromne znaczenie pomp sodowo-potasowych, dotyczy funkcji nerek, która bez nich byłaby niemożliwa.

Czynność nerek polega na codziennym filtrowaniu mniej więcej 180 litrów osocza i dużych ilości substancji, z których część musi zostać wydalona, ​​ale wiele z nich musi zostać ponownie wchłoniętych, aby nie wydostały się z moczem.

Ponowne wchłanianie sodu, wody i wielu przefiltrowanych substancji zależy od tych pomp, które znajdują się w błonie podstawno-bocznej komórek tworzących nabłonki różnych odcinków rurkowych nefronów nerkowych.

Komórki nabłonkowe wyściełające kanaliki nerkowe mają jedną stronę, która styka się ze światłem kanalika i nazywa się stroną wierzchołkową, a drugą, która styka się ze śródmiąższem wokół kanalika i nazywa się stroną podstawno-boczną.

Woda i substancje, które są ponownie wchłaniane, muszą najpierw przedostać się do komórki przez wierzchołek, a następnie do śródmiąższu przez podstawno-boczną.

Ponowna absorpcja Na + jest kluczowa zarówno w odniesieniu do niego, jak iw stosunku do wody i innych zależnych od niej substancji. Wierzchołkowe wejście Na + do komórki wymaga, aby istniał gradient, który ją porusza, a to oznacza bardzo niskie stężenie jonu wewnątrz komórki.

To niskie wewnątrzkomórkowe stężenie Na + jest wytwarzane przez pompy sodowe w błonie podstawno-bocznej, które działają intensywnie w celu usunięcia jonów z komórek do śródmiąższu.

Bibliografia

1. Ganong WF: The General & Cellular Basis of Medical Physiology, w: Review of Medical Physiology, 25th ed. Nowy Jork, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Substance Transport Across the Cell Membrane, w: Textbook of Medical Physiology, wyd. 13, AC Guyton, JE Hall (red.). Filadelfia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport through the Cells Membranes, In: Molecular and Cell Biology, 4th ed.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL i Cox, MM (2008). Zasady Lehningera biochemii. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Niezbędna biologia komórki. Garland Science.