НАТРІЄВО-КАЛІЄВИЙ НАСОС: БУДОВА, ФУНКЦІЯ, МЕХАНІЗМ, ЗНАЧЕННЯ - БІОЛОГІЯ

Насос калію натрію являє собою структуру білків , включена в більш широкому наборі молекули , присутні в багатьох клітинних мембранах, і які відповідають за активний транспорт іонів або інших невеликих молекул проти їх градієнтів концентрації. Вони використовують енергію, що виділяється при гідролізі АТФ, і тому їх загалом називають АТФазами.

Натрієвий калійний насос - це Na + / K + АТФаза, оскільки він вивільняє енергію, що міститься в молекулі АТФ, для переміщення натрію зсередини назовні клітини, вводячи при цьому калій.

Схема натрієво-калієвої помпи. Зовнішній вигляд та інтер’єр клітини. (Джерело: Miguelferig, через Wikimedia Commons)

Усередині клітини натрій менш концентрований (12 мекв / л), ніж зовні (142 мекв / л), тоді як калій зовні зосереджений (4 мекв / л), ніж всередині (140 мекв / л).

Насоси ATPase класифікуються на три великі групи:

Іонні насоси типу F і V : вони є досить складними структурами, вони можуть складатися з 3 різних типів трансмембранних субодиниць і до 5 пов'язаних поліпептидів у цитозолі. Вони функціонують як переносники протонів.
Суперсімейства АВС (від англ A tp- B inding C assette = АТФ зв'язує касети): з більш ніж 100 білків , які , як функція можуть транспортери іонів, моносахариди, полісахариди, поліпептиди і навіть інші білки.
Іонні бомби класу Р : утворені щонайменше однією каталітичною трансмембранною альфа-субодиницею, яка має місце зв'язування для АТФ та другорядну β-субодиницю. Під час транспортування субодиниця α фосфорилюється і звідси і її назва "P".

Натрієвий калійний насос (Na + / K + АТФаза) відноситься до групи іонних насосів класу Р і був відкритий у 1957 році датським дослідником Єнсом Скуу, коли він вивчав механізм дії анестетиків на нерви краба. (Carcinus maenas); робота, за яку він був удостоєний Нобелівської премії з хімії в 1997 році.

Калійно-натрієвий насос. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein на fr.wikipediaderivative work: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Структура калійного насоса

Натрієво-калієвий насос - це фермент, який з точки зору його четвертинної структури складається з 2-х альфа (α) і двох бета (β) білкових субодиниць.

Отже, це тетрамер типу α2β2, субодиниці якого є інтегральними мембранними білками, тобто вони перетинають ліпідний двошаровий і мають як внутрішньо-, так і позацитозольний домени.

Альфа та бета-субодиниці калійного насоса. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Альфа-субодиниці

Субодиниці α - це ті, які містять сайти зв'язування для АТФ і для іонів Na + і K + і являють собою каталітичний компонент ферменту і той, що виконує функцію самого насоса.

Субодиниці α - це великі поліпептиди, молекулярна маса яких становить 120 кДа, 10 трансмембранних сегментів та їх N- та C-кінці, розташовані на цитозольній стороні.

На внутрішньоклітинній стороні вони мають ділянки зв'язування для АТФ і Na +, а також залишок аспартату в положенні 376, який являє собою ділянку, що проходить процес фосфорилювання під час активації насоса.

Місце зв'язування для K +, схоже, знаходиться на позаклітинній стороні.

Бета-субодиниці

Схоже, β-субодиниці не беруть безпосередньої участі у функції накачування, але за їх відсутності ця функція не відбувається.

Β-субодиниці мають молекулярну масу близько 55 кДа кожна і являють собою глікопротеїни з єдиним трансмембранним доменом, залишки вуглеводів яких вставлені в позаклітинні області.

Вони здаються необхідними в ендоплазматичному ретикулумі, де вони сприяли б правильному складенню α-субодиниць, а потім на рівні мембрани стабілізують комплекс.

Обидва типи субодиниць неоднорідні, а для однієї описані ізоформи α1, α2 та α3, а для другої - β1, β2 та β3. Α1 знаходиться в мембранах більшості клітин, тоді як α2 присутній у м’язах, серці, жировій тканині та мозку, а α3 - у серці та мозку.

Ізоформа β1 має найбільш дифузне розподіл, хоча вона відсутня в деяких тканинах, таких як вестибулярні клітини внутрішнього вуха та швидко реагуючі гліколітичні м’язові клітини. Останні містять лише β2.

Різні структури субодиниць, що складають насос Na + / K + в різних тканинах, можуть бути обумовлені функціональними спеціалізаціями, які ще не з'ясовані.

Функція калійного насоса

У будь-який момент, що розглядається, плазматична мембрана являє собою межу поділу між відділенням, що відповідає внутрішній клітці, і тією, що представляє позаклітинна рідина, в яку вона занурена.

Обидва відділення мають склад, який може бути якісно різним, оскільки всередині клітин є речовини, які не знаходяться поза ними, а позаклітинна рідина містить речовини, які не знаходяться внутрішньоклітинно.

Речовини, які є в обох відділеннях, можуть знаходитися в різних концентраціях, і ці відмінності можуть мати фізіологічне значення. Так відбувається з багатьма іонами.

Підтримання гомеостазу

Напруга Na + / K + відіграє основну роль у підтримці внутрішньоклітинного гомеостазу, контролюючи концентрації іонів натрію та калію. Таке забезпечення гомеостазу досягається завдяки:

Транспорт іонів : вводять іони натрію та викидають іони калію - процес, завдяки якому він також рухає рух інших молекул через інші транспортери, які залежать або від електричного заряду, або від внутрішньої концентрації цих іонів.
Контроль об’єму клітини : введення або вихід йонів також передбачає переміщення води всередині клітини, так що насос бере участь у контролі об’єму клітини.
Генерування мембранного потенціалу : вигнання 3-х іонів натрію на кожні 2 іони калію, які вводяться, призводить до того, що мембрана залишається негативно зарядженою зсередини, що створює різницю в зарядах між внутрішньою і зовнішньою клітиною. Ця різниця відома як потенціал спокою.

Na + має позаклітинну концентрацію приблизно 142 мЕкв / л, тоді як його внутрішньоклітинна концентрація становить лише 12 мЕкв / л; К +, з іншого боку, більше сконцентрований всередині клітини (140 мЕкв / л), ніж поза нею (4 мекв / л).

Хоча електричний заряд цих іонів не дозволяє їх проходженню через мембрану, існують іонні канали, які дозволяють (вибірково), які сприяють руху, якщо сили, які зазвичай рухають ці іони, також присутні.

Однак ці відмінності в концентрації мають велике значення для збереження гомеостазу організму і повинні підтримуватися у вигляді балансу, який у разі втрати може призвести до важливих органічних змін.

Дифузія та насос натрію калію (Джерело: BruceBlaus. При використанні цього зображення у зовнішніх джерелах його можна навести як: персонал Blausen.com (2014). «Медична галерея Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. Похідне від Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) через Wikimedia Commons)

Різниця концентрації Na + між внутрішньою і зовнішньою клітиною створює хімічний градієнт, який штовхає натрій всередину і змушує цей іон постійно входити і, як правило, розсіювати цю різницю, тобто вирівнювати концентрації в обох сторони.
Градієнт калію підтримується у зворотному напрямку, тобто зсередини назовні, що забезпечує постійний вихід іона та його внутрішнє зменшення та зовнішнє збільшення.

Функція насоса Na + / K + дозволяє витягувати натрій, що потрапив шляхом дифузії каналами або іншими транспортними шляхами, і повторне введення калію, який дифундував, що дозволяє зберегти внутрішньо- і позаклітинні концентрації цих речовин іони.

Механізм (процес)

Механізм дії Na + / K + АТФази складається з каталітичного циклу, який передбачає реакції переносу фосфорильної групи (Pi) та конформаційні зміни ферменту, які переходять із стану Е1 в стан Е2 і навпаки.

Операція вимагає наявності АТФ і Na + всередині клітини та К + у позаклітинній рідині.

Зв'язування іонів натрію з транспортером

Цикл починається в стані конформації Е1 ферменту, в якому є 3 цитозольних ділянки зв'язування з Na + та високої спорідненості (Км 0,6 мМ), які повністю зайняті через внутрішньоіонну концентрацію ( 12 мМ) дозволяє.

Гідроліз АТФ

У такому стані (E1) і з Na +, приєднаним до своїх ділянок зв'язування, АТФ зв'язується зі своїм сайтом в цитозольному секторі молекули, гідролізується і фосфатна група переноситься в аспартат 376, утворюючи високоенергетичний ацилфосфат що викликає конформаційну зміну стану E2.

Вигнання 3-х іонів натрію та введення 2-х іонів калію

Конформаційна зміна стану E2 передбачає, що сайти зв'язування Na + переходять назовні, їх спорідненість до іона сильно зменшується і він вивільняється у позаклітинну рідину, в той же час спорідненість сайтів зв'язування K + збільшується. і ці іони прикріплені до зовнішньої частини насоса.

Під час стану Е2 іони Na + вивільняються на іншу сторону мембрани.

У свою чергу, цей новий стан насоса породжує спорідненість до зв'язування іонів К +

Поворот від Е2 до Е1

Після вивільнення Na + та зв’язування K + відбувається гідроліз аспартилфосфату і конформаційна зміна зі стану Е2 в стан Е1 повертається з повторним введенням порожніх ділянок зв'язування Na + та зайнятих К +.

Коли ця зміна відбувається, сайти Na + повертають свою спорідненість і сайти K + втрачають її, завдяки чому K + вивільняється в клітинку.

Важливість

У підтримці клітинної осмолярності

Насос Na + / K + присутній у більшості, якщо не у всіх клітинах ссавців, де він має загальне значення, допомагаючи підтримувати їх осмолярність і, отже, їх обсяг.

Постійний вхід іонів натрію в клітину обумовлює збільшення внутрішньоклітинної кількості осмотично активних частинок, що індукує потрапляння води та збільшення об’єму, яке в кінцевому підсумку спричинить розрив мембрани та колапс клітин.

У формуванні мембранного потенціалу

Оскільки ці насоси вводять лише 2 К + на кожні 3 Na +, які вони видаляють, вони поводяться електрогенно, це означає, що вони «декомпенсують» внутрішні електричні заряди, сприяючи виробленню мембранного потенціалу, характерного для клітин організму.

Його важливість також очевидна по відношенню до клітин, що складають збудливі тканини, в яких потенціали дії характеризуються входом іона Na +, який деполяризує клітину, та виходом К +, який реполяризує її.

Ці іонні рухи можливі завдяки роботі насосів Na + / K +, які сприяють виробленню хімічних градієнтів, які переміщують задіяні іони.

Без цих насосів, які працюють у зворотному напрямку, градієнти концентрації цих іонів розсіюються, а збуджуюча активність зникає.

У функції нирок

Інший аспект, який підкреслює надзвичайну важливість натрієво-калієвих насосів, пов'язаний з функцією нирок, що без них було б неможливо.

Функція нирок передбачає щоденну фільтрацію більш-менш 180 літрів плазми та великої кількості речовин, деякі з яких мають бути виведені, але багато з них повинні бути реабсорбовані, щоб вони не втрачалися з сечею.

Реабсорбція натрію, води та багатьох відфільтрованих речовин залежить від цих насосів, які розташовані в базолатеральній мембрані клітин, що складають епітелій різних трубчастих сегментів нирок нефронів.

Клітини епітелію, які вирівнюють ниркові канальці, мають одну сторону, яка контактує з просвітом канальця і називається апікальною стороною, і іншу, яка контактує з інтерстиціалом навколо канальця і називається базотеральною стороною.

Вода та речовини, які реабсорбуються, спочатку повинні потрапляти в клітину через апікальний, а потім у інтерстицій через базолатеральний.

Реабсорбція Na + є ключовою як по відношенню до нього, так і по відношенню до води та інших речовин, які від неї залежать. Апікальне введення Na + в клітину вимагає наявності градієнта, який переміщує її, і що передбачає дуже низьку концентрацію іона всередині клітини.

Ця низька внутрішньоклітинна концентрація Na + виробляється натрієвими насосами в базолатеральній мембрані, які інтенсивно працюють над виведенням іона з клітин в інтерстицій.

Список літератури

Ganong WF: Загальні та клітинні основи медичної фізіології, в: Огляд медичної фізіології, 25-е видання. Нью-Йорк, освіта McGraw-Hill, 2016.
Guyton AC, Hall JE: Транспорт речовини через мембрану клітин, у: Підручник з медичної фізіології, 13-е видання, AC Guyton, JE Hall (ред.). Філадельфія, Elsevier Inc., 2016.
Лодіш Н, Берк А, Зіпурський С.Л., Мацудайра Р, Балтімор Д, Дарнелл Дж: Транспорт по мембранах клітин, У: Молекулярна та клітинна біологія, 4-е видання.
Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Принципи біохімії Ленінгера. Макміллан.
Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Основна клітинна біологія. Гарленд Наука.

НАТРІЄВО-КАЛІЄВИЙ НАСОС: БУДОВА, ФУНКЦІЯ, МЕХАНІЗМ, ЗНАЧЕННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025