NĀTRIJA KĀLIJA PUMPIS: STRUKTŪRA, FUNKCIJA, MEHĀNISMS, NOZĪME - BIOLOĢIJA - 2025

Nātrija kālija sūknis ir proteīns struktūra iekļaut plašākā komplektā no molekulas, kas ir daudzu šūnu membrānas, un kas ir atbildīgs par aktīvo pārvadāšanai jonu vai citu mazu molekulu pret to koncentrācijas gradientu. Viņi izmanto enerģiju, ko atbrīvo ATP hidrolīze, un tāpēc tos vispārīgi sauc par ATPāzēm.

Nātrija kālija pumpis ir Na + / K + ATPāze, jo tas atbrīvo enerģiju, kas atrodas ATP molekulā, lai pārvietotu nātriju no šūnas iekšpuses uz ārpusi, vienlaikus ievadot kāliju.

Nātrija kālija sūkņa shēma. Šūnas ārpuse un iekšpuse. (Avots: Miguelferig, izmantojot Wikimedia Commons)

Šūnā nātrijs ir mazāk koncentrēts (12 mekv / l) nekā ārpusē (142 mekv / l), bet kālijs ir vairāk koncentrēts ārpusē (4 mekv / l) nekā iekšpusē (140 mekv / l).

ATPase sūkņus iedala trīs lielās grupās:

• F un V tipa jonu sūkņi : tie ir diezgan sarežģītas struktūras, tos var veidot no 3 dažādu veidu transmembrānas apakšvienībām un līdz 5 saistītiem polipeptīdiem citosolā. Tie darbojas kā protonu pārvadātāji.
• Virsdzimtas ABC ( TP- B INDING C assette = ATP saistošs kasete): sastāv no vairāk nekā 100 proteīniem, kas var darboties kā transportētāju joniem, monosaharīdus, polisaharīdus, polipeptīdus un pat citu proteīnu.
  
• P klases jonu bumbas : ko veido vismaz viena katalītiski transmembrāna alfa subvienība, kurai ir ATP saistīšanas vieta un maza β subvienība. Pārvadāšanas laikā α apakšvienība tiek fosforilēta, un tāpēc tā nosaukums ir "P".

Nātrija kālija pumpis (Na + / K + ATPāze) pieder P klases jonu sūkņu grupai, un to 1957. gadā atklāja Dānijas pētnieks Jens Skou, pētot anestēzijas līdzekļu darbības mehānismu krabja nerviem. (Carcinus maenas); darbs, par kuru 1997. gadā viņam tika piešķirta Nobela prēmija ķīmijā.

Kālija nātrija sūknis. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein fr.wikipediaderideri darbā: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Nātrija kālija sūkņa struktūra

Nātrija kālija pumpis ir enzīms, kuru no tā ceturtējās struktūras viedokļa veido 2 alfa (α) un divas beta (β) tipa olbaltumvielu apakšvienības.

Tāpēc tas ir α2β2 tipa tetramers, kura subvienības ir neatņemami membrānas proteīni, tas ir, tie šķērso lipīdu divslāni un tiem ir gan iekšējie, gan ārpuscitozolīdi domēni.

Kālija sūkņa alfa un beta vienības. Robs Kovijs / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alfa apakšvienības

Α apakšvienības ir tās, kas satur ATP un Na + un K + jonu saistīšanas vietas un pārstāv enzīma katalītisko komponentu un to, kas pilda paša sūkņa funkcijas.

Α subvienības ir lieli polipeptīdi ar molekulmasu 120 kDa, 10 transmembrānas segmentiem un ar to N- un C-galiem, kas atrodas citosola pusē.

Starpšūnu pusē tiem ir saistošas ​​vietas ATP un Na +, kā arī aspartāta atlikums 376. pozīcijā, kas apzīmē vietu, kur notiek fosforilēšanās process sūkņa aktivizēšanas laikā.

Šķiet, ka K + saistīšanās vieta atrodas ārpusšūnu pusē.

Beta apakšvienības

Liekas, ka β apakšvienībām nav tiešas līdzdalības sūknēšanas funkcijā, taču to neesamības gadījumā šī funkcija nenotiek.

Β subvienību molekulmasa ir aptuveni 55 kDa, un tie ir glikoproteīni ar vienu transmembranālo domēnu, kura ogļhidrātu atlikumi ir ievietoti ārpusšūnu reģionā.

Šķiet, ka tie ir nepieciešami endoplazmatiskajā retikulumā, kur tie veicinātu pareizu α apakšvienību salocīšanu un pēc tam membrānas līmenī stabilizētu kompleksu.

Abu veidu apakšvienības ir neviendabīgas, un vienai ir aprakstītas α1, α2 un α3 izoformas, bet otrai β1, β2 un β3. Α1 ir atrodams vairumā šūnu membrānās, savukārt α2 atrodas muskuļos, sirdī, taukaudos un smadzenēs, bet α3 - sirdī un smadzenēs.

Β1 izoforma ir visizplatītākā, lai arī dažos audos, piemēram, iekšējās auss vestibulārā aparāta šūnās un ātri reaģējošās glikolītisko muskuļu šūnās, tās nav. Pēdējie satur tikai β2.

Atšķirīgās apakšvienību struktūras, kas veido Na + / K + sūkni dažādos audos, var būt saistītas ar funkcionālām specializācijām, kas vēl nav noskaidrotas.

Kālija sūkņa funkcija

Jebkurā aplūkotajā brīdī plazmas membrāna veido atdalīšanas robežu starp nodalījumu, kas atbilst šūnas iekšienei, un to, kas apzīmē ārpusšūnu šķidrumu, kurā tā ir iegremdēta.

Abiem nodalījumiem ir sastāvs, kas var būt kvalitatīvi atšķirīgs, jo šūnās ir vielas, kuras ārpus tām neatrodas, un ārpusšūnu šķidrums satur vielas, kas neatrodas šūnās.

Vielas, kas atrodas abos nodalījumos, var atrast dažādās koncentrācijās, un šīm atšķirībām var būt fizioloģiska nozīme. Tā tas ir daudzu jonu gadījumā.

Homeostāzes uzturēšana

Na + / K + pumpim ir būtiska loma intracelulāras homeostāzes uzturēšanā, kontrolējot nātrija un kālija jonu koncentrāciju. Šī homeostāzes uzturēšana tiek panākta, pateicoties:

• Jonu transportēšana : ievada nātrija jonus un izvada kālija jonus - procesu, kura laikā tas arī virza citu molekulu kustību caur citiem transporteriem, kas ir atkarīgi no šo jonu elektriskā lādiņa vai iekšējās koncentrācijas.
• Šūnu tilpuma kontrole : jonu ievadīšana vai izvadīšana nozīmē arī ūdens kustību šūnā, tāpēc sūknis piedalās šūnas tilpuma kontrolē.
• Membrānas potenciāla ģenerēšana : 3 nātrija jonu izraidīšana uz katriem 2 ievadītajiem kālija joniem izraisa membrānas negatīvu uzlādi iekšpusē, kas rada atšķirības lādiņos starp šūnas iekšpusi un ārpusi. Šī atšķirība ir zināma kā atpūtas potenciāls.

Na + ārpusšūnu koncentrācija ir aptuveni 142 mekv / l, kamēr tā starpšūnu koncentrācija ir tikai 12 mekv / l; No otras puses, K + ir vairāk koncentrēts šūnā (140 mEq / L) nekā ārpus tās (4 mEq / L).

Kaut arī šo jonu elektriskais lādiņš neļauj tiem iziet cauri membrānai, ir jonu kanāli, kas to (selektīvi) atļauj, un tas veicina kustību, ja ir arī spēki, kas parasti pārvieto šos jonus.

Tomēr šīm koncentrācijas atšķirībām ir liela nozīme organisma homeostāzes saglabāšanā, un tās jāuztur tāda veida līdzsvarā, kas, ja to zaudētu, radītu svarīgas organiskas izmaiņas.

Nātrija kālija difūzija un pumpis (Avots: BruceBlaus. Izmantojot šo attēlu ārējos avotos, to var citēt kā: Blausen.com darbinieki (2014). «Blausen Medical 2014 medicīnas galerija». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436.Atvasinājums: Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0), izmantojot Wikimedia Commons)

• Na + koncentrācijas atšķirība starp šūnas iekšpusi un ārpusi rada ķīmisku gradientu, kas nospiež nātriju uz iekšu un liek šim jonam pastāvīgi iekļūt un mēdz izkliedēt šo atšķirību, tas ir, izlīdzināt koncentrācijas abos sānos.
• Kālija gradients tiek uzturēts pretējā virzienā, tas ir, no iekšpuses uz āru, nodrošinot pastāvīgu jonu izeju un tā iekšējo samazinājumu un palielinājumu.

Na + / K + sūkņa funkcija ļauj ekstrahēt nātriju, kas iekļuvis difūzijas ceļā pa kanāliem vai citiem transporta ceļiem, un atkal ievadīt izkliedēto kāliju, ļaujot saglabāt šo vielu iekšējo un ārpusšūnu koncentrāciju. joni.

Mehānisms (process)

Na + / K + ATPāzes darbības mehānisms sastāv no katalītiskā cikla, kas ietver fosforilgrupas (Pi) pārnešanas reakcijas un fermenta konformācijas izmaiņas, kas pāriet no E1 stāvokļa uz E2 stāvokli un otrādi.

Operācija prasa ATP un Na + klātbūtni šūnā un K + ārpusšūnu šķidrumā.

Nātrija jonu saistīšana ar transportētāju

Cikls sākas fermenta E1 konformācijas stāvoklī, kurā ir 3 citozoliskas vietas, kur saistīties ar Na + un ar augstu afinitāti (Km 0,6 mM), kuras ir pilnībā aizņemtas, jo iekšējā jonu koncentrācija ( 12 mM) to atļauj.

ATP hidrolīze

Šajā stāvoklī (E1) un ar Na +, kas piesaistīts tās saistošajām vietām, ATP saistās ar savu vietu molekulas citosola sektorā, hidrolizējas un fosfātu grupa tiek pārnesta uz aspartātu 376, veidojot augstas enerģijas acilfosfātu kas izraisa konformācijas izmaiņas E2 stāvoklī.

3 nātrija jonu izvadīšana un 2 kālija jonu ievadīšana

Konformācijas izmaiņas E2 stāvoklī nozīmē, ka Na + saistīšanās vietas pāriet uz ārpusi, to afinitāte pret jonu ievērojami samazinās un tas izdalās ārpusšūnu šķidrumā, tajā pašā laikā palielinās K + saistīšanās vietu afinitāte. un šie joni ir piestiprināti pie sūkņa ārpuses.

E2 stāvokļa laikā Na + joni izdalās uz otru membrānas pusi.

Savukārt šis jaunais sūkņa stāvoklis rada afinitāti K + jonu saistīšanai

Apgriezieni no E2 uz E1

Tiklīdz Na + ir atbrīvots un K + ir saistīts, notiek aspartilfosfāta hidrolīze un tiek mainītas konformācijas no E2 stāvokļa uz E1 stāvokli, atjaunojot tukšās Na + un saistītā vietas ar aizņemto K +.

Kad notiek šīs izmaiņas, Na + vietas atgūst savu afinitāti un K + vietas to zaudē, līdz ar to K + tiek izlaists šūnā.

Svarīgums

Šūnu osmolaritātes uzturēšanā

Na + / K + pumpis atrodas lielākajā daļā, ja pat ne visās zīdītāju šūnās, kur tam ir vispārēja nozīme, palīdzot saglabāt to osmolaritāti un līdz ar to arī apjomu.

Nepārtraukta nātrija jonu iekļūšana šūnā nosaka osmotiski aktīvo daļiņu intracelulārā skaita palielināšanos, kas izraisa ūdens iekļūšanu un apjoma palielināšanos, kas galu galā izraisa membrānas plīsumu un šūnu sabrukumu.

Veidojot membrānas potenciālu

Tā kā šie sūkņi ievada tikai 2 K + uz katriem 3 Na +, kurus tie noņem, tie rīkojas elektroģenētiski, kas nozīmē, ka tie "dekompensē" iekšējos elektriskos lādiņus, dodot priekšroku ķermeņa šūnām raksturīgā membrānas potenciāla veidošanai.

Tā nozīme ir acīmredzama arī attiecībā uz šūnām, kas veido uzbudināmos audus, kurās darbības potenciālus raksturo Na + jonu ievadīšana, kas depolarizē šūnu, un K + izeja, kas to repolarizē.

Šīs jonu kustības ir iespējamas, pateicoties Na + / K + sūkņu darbībai, kas veicina ķīmisko gradientu veidošanos, kas pārvieto iesaistītos jonus.

Bez šiem sūkņiem, kas darbojas pretējā virzienā, šo jonu koncentrācijas gradienti izkliedēsies un uzbudinājuma aktivitāte izzudīs.

Nieru darbībā

Vēl viens aspekts, kas uzsver nātrija-kālija sūkņu ārkārtējo nozīmi, ir saistīts ar nieru darbību, kas bez tiem nebūtu iespējams.

Nieru darbība ir saistīta ar ikdienas filtrēšanu vairāk vai mazāk 180 litriem plazmas un lielu daudzumu vielu, no kuriem daži ir jāizvada, bet daudzi ir jāabsorbē tā, lai tie netiktu zaudēti urīnā.

Nātrija, ūdens un daudzu filtrēto vielu reabsorbcija ir atkarīga no šiem pumpiem, kas atrodas šūnu bazolaterālajā membrānā, kas veido nieru nefronu dažādu cauruļveida segmentu epitēliju.

Epitēlija šūnām, kas izkliedē nieru kanāliņus, ir viena seja, kas atrodas saskarē ar kanāliņa lūmenu un tiek saukta par apikālo seju, un otra, kas atrodas saskarē ar starpdzemdīti ap kanāliņu un tiek saukta par bazolaterālo.

Ūdenim un reabsorbētām vielām vispirms jānokļūst šūnā caur virsotni un pēc tam caur bazolaterālo starpsienu.

Na + reabsorbcija ir būtiska gan attiecībā uz to, gan attiecībā uz ūdeni, gan citām vielām, kas no tā atkarīgas. Na + tipiska ievadīšana šūnā prasa, lai būtu gradients, kas to pārvieto, un tas nozīmē, ka šūnā ir ļoti maza jonu koncentrācija.

Šo zemo Na + intracelulāro koncentrāciju rada bazolaterālajā membrānā esošie nātrija sūkņi, kas intensīvi strādā, lai jonu no šūnām izvadītu intersticijā.

Atsauces

1. Ganongs WF: Medicīniskās fizioloģijas vispārīgais un šūnu pamats, publikācijā: Medicīniskās fizioloģijas pārskats, 25. ed. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, JE zāle: Vielu transportēšana pāri šūnu membrānai, in: Medicīniskās fizioloģijas mācību grāmata, 13. izdevums, AC Guyton, JE Hall (red.). Filadelfija, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transports caur šūnu membrānām, In: Molecular and Cell Biology, 4. ed.
4. Nelsons, DL, Lehingers, AL, & Cox, MM (2008). Lehingera bioķīmijas principi. Makmillans.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Būtiskā šūnu bioloģija. Garland zinātne.