НАТРИЈУМ КАЛИЈУМ ПУМПА: СТРУКТУРА, ФУНКЦИЈА, МЕХАНИЗАМ, ВАЖНОСТ - БИОЛОГИЈА - 2025

Содиум потассиум Пумпа је структура протеина укључен у ширем сету од молекула присутних у многим ћелијским мембранама, а које су одговорне за активни транспорт јона или других малих молекула против својих градијента концентрације. Користе енергију ослобођену хидролизом АТП-а и зато се генерички називају АТПазама.

Натријум-калијум пумпа је На + / К + АТП-аза, јер ослобађа енергију садржану у молекули АТП-а за премештање натријума изнутра у спољашњу ћелију, истовремено уводећи калијум.

Схема натријум калијумске пумпе. Спољашњост и унутрашњост ћелије. (Извор: Мигуелфериг, путем Викимедиа Цоммонс)

У унутрашњости ћелије натријум је мање концентрисан (12 мЕк / Л) него споља (142 мЕк / Л), док је калијум вани више концентрисан (4 мЕк / Л) него унутра (140 мЕк / Л).

АТПасе пумпе су класификоване у три велике групе:

• Јонске пумпе типа Ф и В : прилично су сложене структуре, могу се састојати од 3 различите врсте трансмембранских подјединица и до 5 повезаних полипептида у цитосолу. Они функционишу као превозници протона.
• Суперфамилија АБЦ (из енглеског А ТП- Б означавајући Ц имовину = касета за везање АТП-а): састављена од више од 100 протеина који могу функционисати као преносиоци јона, моносахарида, полисахарида, полипептида, па чак и других протеина.
  
• Јонске бомбе П класе : формиране од најмање једне каталитичке трансмембранске алфа подјединице која има место везивања за АТП и мању β подјединицу. Током процеса транспорта α подјединица се фосфорилира и отуда носи назив „П“.

Натријум калијум пумпа (На + / К + АТПасе) спада у групу јонских пумпи класе П, а открио га је 1957. године Јенс Скоу, дански истраживач, када је проучавао механизам деловања анестетика на живце ракова. (Царцинус маенас); дело за које је 1997. добио Нобелову награду за хемију.

Калијум-натријска пумпа. НаКпомпе2.јпг: Пхи-Гастреин на фр.википедиадеривативни рад: сониа / ЦЦ БИ-СА (хттп://цреативецоммонс.орг/лиценсес/би-са/3.0/)

Структура пумпе натријум калијума

Натријум калијум пумпа је ензим који се, са аспекта његове кватернарне структуре, састоји од 2 алфа (α) и две бета (β) протеинске подјединице.

То је, дакле, тетрамер типа α2β2, чије су подјединице интегрални мембрански протеини, односно прелазе липидни двослојни и имају интра и екстра цитосолне домене.

Алфа и бета подјединице калијумске пумпе. Роб Цовие / ЦЦ БИ-СА (хттп://цреативецоммонс.орг/лиценсес/би-са/3.0/)

Алфа подјединице

А подјединице су оне које садрже места везивања за АТП и за На + и К + јоне и представљају каталитичку компоненту ензима и ону која врши функцију саме пумпе.

А подјединице су велики полипептиди, молекулске масе 120 кДа, 10 трансмембранских сегмената и њихових Н- и Ц-терминија који су смештени на цитосолној страни.

На интрацелуларној страни, они имају места везивања за АТП и На +, као и остатак аспартата на положају 376 који представља место које пролази процес фосфорилације током активације пумпе.

Чини се да је везивно место за К + на ванћелијској страни.

Бета подјединице

Чини се да β подјединице немају директно учешће у функцији пумпања, али у њиховом одсуству та се функција не појављује.

П подјединице имају молекулску масу од око 55 кДа и представљају гликопротеине са једним трансмембранским доменом чији су угљени хидратни остаци убачени у ванћелијску регију.

Чини се да су потребни у ендоплазматском ретикулуу, где би допринели правилном пресавијању α подјединица, а затим на нивоу мембране стабилизовању комплекса.

Обе врсте подјединица су хетерогене, а за једну су описане изо1 форме α1, α2 и α3, а за другу, β1, β2 и β3. Α1 се налази у мембранама већине ћелија, док је α2 присутан у мишићима, срцу, масном ткиву и мозгу, а α3 у срцу и мозгу.

Β1 изоформа има најдифузнију дистрибуцију, мада је одсутна у неким ткивима као што су вестибуларне ћелије унутрашњег уха и брзо реагирајуће гликолитичке ћелије мишића. Последњи садрже само β2.

Различите структуре подјединица које чине На + / К + пумпу у различитим ткивима могу бити последица функционалних специјализација које још нису расветљене.

Функција калијумске пумпе

За сваки разматрани тренутак, плазма мембрана представља границу раздвајања између предела који одговара унутрашњости ћелије и онога који представља ванћелијску течност у коју је уроњена.

Оба одељења имају састав који се може квалитативно разликовати, јер се у ћелијама налазе супстанце које се не налазе изван њих, а ванћелијска течност садржи супстанце које нису присутне унутарћелијски.

Супстанце које постоје у оба дела могу се наћи у различитим концентрацијама, а ове разлике могу имати физиолошки значај. Такав је случај са многим јонима.

Одржавање хомеостазе

На + / К + пумпа игра основну улогу у одржавању интрацелуларне хомеостазе контролом концентрација јона натријума и калијума. Ово одржавање хомеостазе постиже се захваљујући:

• Транспорт јона: уводи јоне натријума и избацује калијум јоне, процес којим се такође креће кретање других молекула кроз друге транспортере, који зависе или од електричног набоја или од унутрашње концентрације ових јона.
• Контрола запремине ћелије : увођење или излаз јона такође подразумева кретања воде унутар ћелије, тако да пумпа учествује у контроли запремине ћелије.
• Стварање мембранског потенцијала : избацивање 3 натријумова јона на свака 2 уведена јона калијума узрокује да мембрана остане набијена са унутрашње стране, што ствара разлику у набоју између унутрашње и спољашње ћелије. Ова разлика је позната као потенцијал одмора.

На + има ванћелијску концентрацију од око 142 мЕк / Л, док његова унутарћелијска концентрација износи само 12 мЕк / Л; К + је с друге стране концентрисанији унутар ћелије (140 мЕк / Л) него ван ње (4 мЕк / Л).

Иако електрични набој ових јона не омогућава њихов пролазак кроз мембрану, постоје јонски канали који то омогућавају (селективно), који подстичу кретање ако су присутне и силе које обично крећу ове јоне.

Међутим, ове разлике у концентрацији су од велике важности за очување хомеостазе организма и морају се одржавати у својеврсној равнотежи која би, ако се изгуби, створила важне органске промене.

Дифузија и пумпа калијума натријума (Извор: БруцеБлаус. Када се ова слика користи у спољним изворима, она се може навести као: особље Блаусен.цом (2014). «Медицинска галерија Блаусен Медицал 2014». ВикиЈоурнал оф Медицине 1 (2). ДОИ: 10.15347 / вјм / 2014.010. ИССН 2002-4436. Дериват Микаела Хаггстрома / ЦЦ БИ (хттпс://цреативецоммонс.орг/лиценсес/би/3.0) виа Викимедиа Цоммонс)

• Разлика у концентрацији за На + између унутрашње и спољашње ћелије ствара хемијски градијент који гура натријум унутра и узрокује да овај јони стално улазе и имају тенденцију да расипа ту разлику, односно да изједначи концентрације у обема стране.
• Градијент калијума се одржава у супротном смеру, односно изнутра, омогућавајући константан излаз јона и његово унутрашње смањење и спољашње повећање.

Функција На + / К + пумпе омогућава екстракцију натријума који је ушао дифузијом кроз канале или друге транспортне путеве и поновно уношење калијума који је дифундирао, омогућавајући очување интра и ванћелијских концентрација ових. јони.

Механизам (процес)

Механизам деловања На + / К + АТПазе састоји се од каталитичког циклуса који укључује реакције преноса фосфорилне групе (Пи) и конформацијске промене ензима који прелазе из стања Е1 у Е2 и обрнуто.

Операција захтева присуство АТП и На + унутар ћелије и К + у ванћелијској течности.

Везивање натријум јона са транспортером

Циклус започиње у стању конформације Е1 ензима, у којем постоје 3 цитосолна места везивања за На + и високог афинитета (Км од 0,6 мМ) која су у потпуности заузета због интра концентрације јона ( 12 мМ) то дозвољава.

АТП хидролиза

У овом стању (Е1) и са На + везаним за своја места везивања, АТП се веже за своје место у цитосолном сектору молекула, хидролизује и фосфатна група се преноси у аспартат 376, формирајући високоенергетски ацилфосфат што индукује конформациону промену у стању Е2.

Избацивање 3 натријум јона и увођење 2 калијум јона

Конформациона промена стања Е2 подразумева да места везивања за На + прелазе споља, њихов афинитет за јон знатно се смањује и он се ослобађа у ванћелијску течност, док се истовремено повећава афинитет места К + везивања. и ови јони су причвршћени са спољашње стране пумпе.

За време Е2, На + јони се ослобађају на другу страну мембране.

С друге стране, ово ново стање пумпе ствара афинитет за везивање К + јона

Преокрет од Е2 до Е1

Једном када се На + ослободи и К + се веже, долази до хидролизе аспартил фосфата и повраћа конформациона промена из стања Е2 у Е1, уз поновно увођење празних места везивања На + и оних заузетих К +.

Када дође до ове промене, места за На + враћају свој афинитет, а места за К + губе га, са чиме се К + ослобађа у ћелији.

Значај

У одржавању ћелијске осмоларности

На + / К + пумпа присутна је у већини, ако не и у свим ћелијама сисара, у којима је од општег значаја помажући у одржавању њихове осмоларности, а самим тим и обима.

Континуирани унос натријум јона у ћелију условљава пораст интрацелуларног броја осмотски активних честица, што индукује улазак воде и повећање волумена који би завршио проузрокујући пукнуће мембране и колапс ћелије.

У формирању мембранског потенцијала

Како ове пумпе уносе само 2 К + на свака 3 На + која се уклањају, понашају се електрогенски, што значи да "декомпензују" унутрашње електричне набоје, погодујући производњи мембранског потенцијала карактеристичног за ћелије тела.

Његов значај је такође видљив у односу на ћелије које чине узбудљива ткива, у којима су потенцијали деловања карактерисани уласком На + јона, који деполарише ћелију, и изласком К +, који је реполарише.

Ова јонска кретања могућа су захваљујући раду На + / К + пумпи, који доприносе производњи хемијских градијената који померају укључене јоне.

Без ових пумпи, које делују у супротном смеру, градијенти концентрације ових јона би се распршили и побудна активност би нестала.

У функцији бубрега

Други аспект који истиче екстремни значај натријум-калијум пумпи је повезан са функцијом бубрега, што би било немогуће без њих.

Бубрежна функција укључује свакодневно филтрирање више или мање 180 литара плазме и велике количине супстанци, од којих се неке морају излучити, али многе се морају поново апсорбовати како се не би изгубиле у урину.

Реапсорпција натријума, воде и многих филтрираних супстанци зависи од ових пумпи које се налазе у базолатералној мембрани ћелија које чине епител различитих цевастих сегмената бубрежних нефрона.

Епителне ћелије које линију бубрежне тубуле имају једну страну која је у контакту са луменом тубула и назива се апикална страна, а другу која је у контакту са интерстицијом око тубула и назива се базолатерална страна.

Вода и супстанце које се поново апсорбују морају прво да прођу у ћелију кроз апикални, а затим у интерстицијум кроз базолатерал.

Реапсорпција На + је кључна како у односу на њега, тако и у води и у вези са другим супстанцама које зависе од ње. Апикални улазак На + у ћелију захтева да постоји градијент који га помера и који подразумева веома ниску концентрацију јона унутар ћелије.

Ова ниска унутарћелијска концентрација На + настаје помоћу натријум пумпи у базолатералној мембрани која интензивно раде на уклањању јона из ћелија у интерстицију.

Референце

1. Ганонг ВФ: Опште и ћелијске основе медицинске физиологије, у: Преглед медицинске физиологије, 25. изд. Нев Иорк, МцГрав-Хилл Едуцатион, 2016.
2. Гуитон АЦ, Халл ЈЕ: Транспорт супстанци кроз ћелијску мембрану, у: Уџбеник медицинске физиологије, 13. изд., АЦ Гуитон, ЈЕ Халл (ур.). Пхиладелпхиа, Елсевиер Инц., 2016.
3. Лодисх Х, Берк А, Зипурски СЛ, Матсудаира П, Балтиморе Д, Дарнелл Ј: Транспорт кроз ћелијске мембране, у: Молекуларна и ћелијска биологија, 4. изд.
4. Нелсон, ДЛ, Лехнингер, АЛ и Цок, ММ (2008). Лехнингерови принципи биохемије. Мацмиллан.
5. Албертс, Б., Браи, Д., Хопкин, К., Јохнсон, АД, Левис, Ј., Рафф, М.,… и Валтер, П. (2013). Битна ћелијска биологија. Гарланд Сциенце.