NATRIUM-KALIUM-PUMPE: STRUKTUR, FUNKTION, MECHANISMUS, BEDEUTUNG - BIOLOGIE - 2025

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist eine Proteinstruktur, die in einem breiteren Satz von Molekülen enthalten ist, die in vielen Zellmembranen vorhanden sind und für den aktiven Transport von Ionen oder anderen kleinen Molekülen gegen ihre Konzentrationsgradienten verantwortlich sind. Sie nutzen die durch die Hydrolyse von ATP freigesetzte Energie und werden deshalb allgemein als ATPasen bezeichnet.

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist eine Na + / K + -ATPase, da sie die im ATP-Molekül enthaltene Energie freisetzt, um Natrium von innen nach außen zu bewegen und gleichzeitig Kalium einzuführen.

Schema der Natrium-Kalium-Pumpe. Außen- und Innenbereich der Zelle. (Quelle: Miguelferig, über Wikimedia Commons)

Innerhalb der Zelle ist Natrium weniger konzentriert (12 mÄq / l) als außen (142 mÄq / l), während Kalium außen (4 mÄq / l) stärker konzentriert ist als innen (140 mÄq / l).

ATPase-Pumpen werden in drei große Gruppen eingeteilt:

• Ionenpumpen vom Typ F und V : Sie sind recht komplexe Strukturen und können aus 3 verschiedenen Arten von Transmembranuntereinheiten und bis zu 5 assoziierten Polypeptiden im Cytosol bestehen. Sie fungieren als Protonentransporter.
• Superfamilie ABC ( A TP- B Inding C- Assette = ATP-Bindungskassette): besteht aus mehr als 100 Proteinen, die als Transporter von Ionen, Monosacchariden, Polysacchariden, Polypeptiden und sogar anderen Proteinen fungieren können.
  
• Ionenpumpen der P-Klasse : gebildet durch mindestens eine katalytische Transmembran-Alpha-Untereinheit, die eine Bindungsstelle für ATP und eine kleine β-Untereinheit aufweist. Während des Transportprozesses wird die α-Untereinheit phosphoryliert und daher ihr Name "P".

Die Natrium-Kalium-Pumpe (Na + / K + ATPase) gehört zur Gruppe der Ionenpumpen der P-Klasse und wurde 1957 von Jens Skou, einem dänischen Forscher, entdeckt, als er den Wirkungsmechanismus von Anästhetika auf die Nerven einer Krabbe untersuchte (Carcinus maenas); Arbeit, für die er 1997 den Nobelpreis für Chemie erhielt.

Kalium-Natrium-Pumpe. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein bei fr.wikipediaderivative Arbeit: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Aufbau der Natrium-Kalium-Pumpe

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Enzym, das unter dem Gesichtspunkt seiner quaternären Struktur aus 2 Protein (α) - und zwei Beta (β) -Proteinuntereinheiten besteht.

Es handelt sich daher um ein Tetramer vom Typ α2β2, dessen Untereinheiten integrale Membranproteine ​​sind, dh sie kreuzen die Lipiddoppelschicht und weisen sowohl intra- als auch extrazytosolische Domänen auf.

Alpha- und Beta-Untereinheiten der Kaliumpumpe. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alpha-Untereinheiten

Die α-Untereinheiten sind diejenigen, die die Bindungsstellen für ATP und für die Na + - und K + -Ionen enthalten und die katalytische Komponente des Enzyms darstellen und diejenige, die die Funktion der Pumpe selbst ausübt.

Die α-Untereinheiten sind große Polypeptide mit einem Molekulargewicht von 120 kDa, 10 Transmembransegmenten und deren N- und C-terminalen Enden auf der cytosolischen Seite angeordnet sind.

Sie haben Bindungsstellen für ATP und Na + auf der intrazellulären Seite sowie einen Aspartatrest an Position 376, der die Stelle darstellt, die während der Pumpaktivierung den Phosphorylierungsprozess durchläuft.

Die Bindungsstelle für K + scheint auf der extrazellulären Seite zu liegen.

Beta-Untereinheiten

Die β-Untereinheiten scheinen keine direkte Beteiligung an der Pumpfunktion zu haben, aber in ihrer Abwesenheit tritt diese Funktion nicht auf.

Die β-Untereinheiten haben ein Molekulargewicht von jeweils etwa 55 kDa und sind Glykoproteine ​​mit einer einzelnen Transmembrandomäne, deren Kohlenhydratreste in die extrazelluläre Region eingefügt sind.

Sie scheinen im endoplasmatischen Retikulum notwendig zu sein, wo sie zur ordnungsgemäßen Faltung der α-Untereinheiten und dann auf Membranebene zur Stabilisierung des Komplexes beitragen würden.

Beide Arten von Untereinheiten sind heterogen und α1-, α2- und α3-Isoformen wurden für die eine und β1, β2 und β3 für die andere beschrieben. Α1 befindet sich in den Membranen der meisten Zellen, während α2 in Muskel, Herz, Fettgewebe und Gehirn und α3 in Herz und Gehirn vorhanden ist.

Die β1-Isoform weist die diffuseste Verteilung auf, obwohl sie in einigen Geweben wie den vestibulären Zellen des Innenohrs und den schnell reagierenden glykolytischen Muskelzellen fehlt. Letztere enthalten nur β2.

Die unterschiedlichen Strukturen der Untereinheiten, aus denen die Na + / K + -Pumpe in den verschiedenen Geweben besteht, können auf funktionelle Spezialisierungen zurückzuführen sein, die noch nicht aufgeklärt wurden.

Kaliumpumpenfunktion

Für jeden betrachteten Moment bildet die Plasmamembran eine Trenngrenze zwischen dem Kompartiment, das dem Inneren einer Zelle entspricht, und dem, das die extrazelluläre Flüssigkeit darstellt, in die sie eingetaucht ist.

Beide Kompartimente haben eine Zusammensetzung, die qualitativ unterschiedlich sein kann, da es Substanzen in Zellen gibt, die nicht außerhalb von ihnen gefunden werden, und die extrazelluläre Flüssigkeit Substanzen enthält, die intrazellulär nicht vorhanden sind.

Substanzen, die in beiden Kompartimenten vorhanden sind, können in unterschiedlichen Konzentrationen gefunden werden, und diese Unterschiede können physiologische Bedeutung haben. Dies ist bei vielen Ionen der Fall.

Aufrechterhaltung der Homöostase

Die Na + / K + -Pumpe spielt eine grundlegende Rolle bei der Aufrechterhaltung der intrazellulären Homöostase durch Kontrolle der Konzentrationen von Natrium- und Kaliumionen. Diese Aufrechterhaltung der Homöostase wird erreicht durch:

• Ionentransport : führt Natriumionen ein und stößt Kaliumionen aus, ein Prozess, durch den auch die Bewegung anderer Moleküle durch andere Transporter gesteuert wird, die entweder von der elektrischen Ladung oder der inneren Konzentration dieser Ionen abhängen.
• Kontrolle des Zellvolumens : Das Einbringen oder Austreten von Ionen impliziert auch Bewegungen von Wasser innerhalb der Zelle, so dass die Pumpe an der Kontrolle des Zellvolumens beteiligt ist.
• Erzeugung des Membranpotentials : Durch das Ausstoßen von 3 Natriumionen pro 2 eingebrachten Kaliumionen bleibt die Membran im Inneren negativ geladen, was zu Ladungsunterschieden zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle führt. Dieser Unterschied wird als Ruhepotential bezeichnet.

Na + hat eine extrazelluläre Konzentration von etwa 142 mÄq / l, während seine intrazelluläre Konzentration nur 12 mÄq / l beträgt; K + ist dagegen innerhalb der Zelle (140 mEq / L) stärker konzentriert als außerhalb (4 mEq / L).

Obwohl die elektrische Ladung dieser Ionen ihren Durchgang durch die Membran nicht zulässt, gibt es Ionenkanäle, die dies (selektiv) ermöglichen und die Bewegung fördern, wenn auch die Kräfte vorhanden sind, die diese Ionen normalerweise bewegen.

Diese Konzentrationsunterschiede sind jedoch von großer Bedeutung für die Erhaltung der Homöostase des Organismus und müssen in einer Art Gleichgewicht gehalten werden, das bei Verlust wichtige organische Veränderungen hervorrufen würde.

Natrium-Kalium-Diffusion und -Pumpe (Quelle: BruceBlaus. Wenn dieses Bild in externen Quellen verwendet wird, kann es wie folgt zitiert werden: Mitarbeiter von Blausen.com (2014). «Medizinische Galerie von Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436.Derivativ von Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) über Wikimedia Commons)

• Der Konzentrationsunterschied für Na + zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle erzeugt einen chemischen Gradienten, der Natrium nach innen drückt und bewirkt, dass dieses Ion ständig eintritt und dazu neigt, diesen Unterschied zu zerstreuen, dh die Konzentrationen in beiden auszugleichen Seiten.
• Der Kaliumgradient wird in die entgegengesetzte Richtung gehalten, dh von innen nach außen, was den konstanten Austritt des Ions und dessen interne Reduktion und externe Zunahme ermöglicht.

Die Funktion der Na + / K + -Pumpe ermöglicht die Extraktion von Natrium, das durch Diffusion über Kanäle oder andere Transportwege eingedrungen ist, und die Wiedereinführung von Kalium, das diffundiert ist, wodurch die intra- und extrazellulären Konzentrationen dieser erhalten bleiben Ionen.

Mechanismus (Prozess)

Der Wirkungsmechanismus der Na + / K + ATPase besteht aus einem Katalysezyklus, der Transferreaktionen einer Phosphorylgruppe (Pi) und Konformationsänderungen des Enzyms beinhaltet, die von einem E1-Zustand in einen E2-Zustand und umgekehrt übergehen.

Die Operation erfordert das Vorhandensein von ATP und Na + in der Zelle und K + in der extrazellulären Flüssigkeit.

Bindung von Natriumionen an den Transporter

Der Zyklus beginnt im E1-Konformationszustand des Enzyms, in dem 3 zytosolische Bindungsstellen an Na + und eine hohe Affinität (km von 0,6 mM) vorhanden sind, die aufgrund der Intraionenkonzentration vollständig besetzt sind ( 12 mM) erlaubt es.

ATP-Hydrolyse

In diesem Zustand (E1) und mit an seine Bindungsstellen gebundenem Na + bindet ATP an seine Stelle im cytosolischen Sektor des Moleküls, hydrolysiert und eine Phosphatgruppe wird auf Aspartat 376 übertragen, wobei ein hochenergetisches Acylphosphat gebildet wird das induziert eine Konformationsänderung des E2-Zustands.

Ausstoß von 3 Natriumionen und Einführung von 2 Kaliumionen

Die Konformationsänderung in den E2-Zustand impliziert, dass die Na + -Bindungsstellen nach außen verlaufen, ihre Affinität für das Ion stark abnimmt und es in die extrazelluläre Flüssigkeit freigesetzt wird, während gleichzeitig die Affinität der K + -Bindungsstellen zunimmt. und diese Ionen sind an der Außenseite der Pumpe angebracht.

Während des E2-Zustands werden Na + -Ionen auf die andere Seite der Membran freigesetzt.

Dieser neue Zustand der Pumpe erzeugt wiederum eine Affinität für die Bindung von K + -Ionen

Umkehrung von E2 nach E1

Sobald das Na + freigesetzt und das K + gebunden ist, findet die Hydrolyse von Aspartylphosphat statt und die Konformationsänderung vom E2-Zustand in den E1-Zustand wird rückgängig gemacht, wobei die leeren Na + -Bindungsstellen und die von besetztem K + wieder eingeführt werden.

Wenn diese Änderung auftritt, gewinnen die Stellen für Na + ihre Affinität zurück und diejenigen für K + verlieren sie, wodurch das K + in die Zelle freigesetzt wird.

Bedeutung

Bei der Aufrechterhaltung der zellulären Osmolarität

Die Na + / K + -Pumpe ist in den meisten, wenn nicht allen Säugetierzellen vorhanden, in denen sie von allgemeiner Bedeutung ist, indem sie zur Aufrechterhaltung ihrer Osmolarität und damit ihres Volumens beiträgt.

Der kontinuierliche Eintritt von Natriumionen in die Zelle bestimmt eine Zunahme der intrazellulären Anzahl von osmotisch aktiven Partikeln, was den Eintritt von Wasser und die Zunahme des Volumens induziert, die zum Bruch der Membran und zum Zusammenbruch der Zellen führen würde.

Bei der Bildung des Membranpotentials

Da diese Pumpen nur 2 K + pro 3 Na + einbringen, die sie entfernen, verhalten sie sich elektrogen, was bedeutet, dass sie interne elektrische Ladungen "dekompensieren", was die Erzeugung des für Körperzellen charakteristischen Membranpotentials begünstigt.

Seine Bedeutung zeigt sich auch in Bezug auf die Zellen, aus denen erregbare Gewebe bestehen, in denen die Aktionspotentiale durch den Eintritt des Na + -Ions, das die Zelle depolarisiert, und den Austritt von K +, das sie repolarisiert, gekennzeichnet sind.

Diese Ionenbewegungen sind dank des Betriebs der Na + / K + -Pumpen möglich, die zur Erzeugung der chemischen Gradienten beitragen, die die beteiligten Ionen bewegen.

Ohne diese Pumpen, die in die entgegengesetzte Richtung arbeiten, würden sich die Konzentrationsgradienten dieser Ionen auflösen und die Erregungsaktivität würde verschwinden.

In der Nierenfunktion

Ein weiterer Aspekt, der die extreme Bedeutung von Natrium-Kalium-Pumpen hervorhebt, betrifft die Nierenfunktion, die ohne sie nicht möglich wäre.

Die Nierenfunktion umfasst die tägliche Filtration von mehr oder weniger 180 Litern Plasma und großen Mengen an Substanzen, von denen einige ausgeschieden werden müssen, viele jedoch wieder resorbiert werden müssen, damit sie nicht im Urin verloren gehen.

Die Reabsorption von Natrium, Wasser und vielen der gefilterten Substanzen hängt von diesen Pumpen ab, die sich in der basolateralen Membran der Zellen befinden, aus denen die Epithelien der verschiedenen röhrenförmigen Segmente der Nierennephrone bestehen.

Die Epithelzellen, die die Nierentubuli auskleiden, haben eine Seite, die mit dem Lumen des Tubulus in Kontakt steht und als apikale Seite bezeichnet wird, und eine andere Seite, die mit dem Interstitium um den Tubulus in Kontakt steht und als basolaterale Seite bezeichnet wird.

Das Wasser und die Substanzen, die resorbiert werden, müssen zuerst über die Apikalis in die Zelle und dann über das Basolateral in das Interstitium gelangen.

Die Reabsorption von Na + ist sowohl in Bezug darauf als auch in Bezug auf die von Wasser und die von anderen Substanzen, die davon abhängen, von entscheidender Bedeutung. Der apikale Eintritt von Na + in die Zelle erfordert einen Gradienten, der es bewegt und eine sehr geringe Konzentration des Ions in der Zelle impliziert.

Diese niedrige intrazelluläre Konzentration von Na + wird durch Natriumpumpen in der basolateralen Membran erzeugt, die intensiv daran arbeiten, das Ion aus den Zellen in das Interstitium zu entfernen.

Verweise

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