SODNÁ DRASELNÁ PUMPA: ŠTRUKTÚRA, FUNKCIA, MECHANIZMUS, VÝZNAM - BIOLÓGIE - 2025

Čerpadlo sodný, draselný je štruktúra proteínu súčasťou širšieho súboru molekuly prítomné v mnohých bunkových membránach, a ktoré sú zodpovedné za aktívny transport iónov alebo iných malých molekúl proti ich koncentračných gradientov. Využívajú energiu uvoľnenú hydrolýzou ATP, a preto sa všeobecne nazývajú ATPázy.

Sodná draselná pumpa je Na + / K + ATPáza, pretože uvoľňuje energiu obsiahnutú v molekule ATP na presun sodíka zvnútra do vonkajšej strany bunky, zatiaľ čo zavádza draslík.

Schéma sodíkovej draselnej pumpy. Exteriér a interiér bunky. (Zdroj: Miguelferig, prostredníctvom Wikimedia Commons)

Vo vnútri bunky je sodík menej koncentrovaný (12 mekv / l) ako vonku (142 mekv / l), zatiaľ čo draslík je koncentrovanejší mimo (4 mekv / l) ako vo vnútri (140 mekv / l).

Čerpadlá ATPase sú rozdelené do troch veľkých skupín:

• Iónové pumpy typu F a V : sú to docela zložité štruktúry, môžu sa skladať z 3 rôznych typov transmembránových podjednotiek a až 5 asociovaných polypeptidov v cytosole. Fungujú ako transportéry protónov.
• Nadčeľade ABC ( TP- B inding C Asset = ATP väzbové kazety): skladá z viac ako 100 proteínov, ktoré môžu pôsobiť ako transportéry iónov, monosacharidov, polysacharidy, polypeptidy a dokonca aj iných proteínov.
  
• Iónové pumpy triedy P : tvorené najmenej jednou katalytickou transmembránovou alfa podjednotkou, ktorá má väzobné miesto pre ATP a minoritnú p podjednotku. Počas transportného procesu sa a podjednotka fosforyluje, a preto sa nazýva „P“.

Sodná draselná pumpa (Na + / K + ATPáza) patrí do skupiny iónových čerpadiel triedy P a bola objavená v roku 1957 dánskym výskumníkom Jensom Skou, keď študoval mechanizmus pôsobenia anestetík na nervy kraba (Carcinus maenas); v roku 1997 získal Nobelovu cenu za chémiu.

Sodná sodíková pumpa. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein na fr.wikipediaderivatívne práce: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Štruktúra sodíkového draselného čerpadla

Sodná draselná pumpa je enzým, ktorý je z hľadiska svojej kvartérnej štruktúry tvorený proteínovými podjednotkami typu alfa (a) a dvoch beta (P).

Ide teda o tetramér typu a2p2, ktorého podjednotky sú integrálnymi membránovými proteínmi, to znamená, že prechádzajú cez lipidovú dvojvrstvu a majú intra- aj extracytosolické domény.

Alfa a beta podjednotky draselnej pumpy. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alfa podjednotky

Podjednotky a sú tie, ktoré obsahujú väzobné miesta pre ATP a pre Na + a K + ióny a predstavujú katalytickú zložku enzýmu a tú, ktorá vykonáva funkciu samotnej pumpy.

Podjednotky a sú veľké polypeptidy s molekulovou hmotnosťou 120 kDa, 10 transmembránových segmentov a ich N- a C-konce umiestnené na cytosolickej strane.

Na intracelulárnej strane majú väzbové miesta pre ATP a Na +, ako aj aspartátový zvyšok v polohe 376, čo predstavuje miesto, ktoré prechádza procesom fosforylácie počas aktivácie pumpy.

Zdá sa, že väzobné miesto pre K + je na extracelulárnej strane.

Beta podjednotky

Zdá sa, že podjednotky P nemajú priamu účasť na čerpacej funkcii, ale v prípade ich neprítomnosti sa táto funkcia nevyskytuje.

P-podjednotky majú molekulovú hmotnosť asi 55 kDa a sú to glykoproteíny s jednou transmembránovou doménou, ktorej uhľovodíkové zvyšky sú vložené do extracelulárnej oblasti.

Zdá sa, že sú potrebné v endoplazmatickom retikule, kde by prispievali k správnemu skladaniu podjednotiek a a potom na úrovni membrány stabilizovali komplex.

Obidva typy podjednotiek sú heterogénne a al, a2 a a3 izoformy boli opísané pre jednu a pre p1, p2 a p3 pre druhú. Α1 sa nachádza v membránach väčšiny buniek, zatiaľ čo α2 je prítomný vo svaloch, srdci, tukovom tkanive a mozgu a α3 v srdci a mozgu.

Izoforma pi je najrozšírenejšou distribúciou, hoci v niektorých tkanivách, ako sú vestibulárne bunky vnútorného ucha a rýchlo reagujúce glykolytické svalové bunky, chýba. Tieto obsahujú iba p2.

Rôzne štruktúry podjednotiek, ktoré tvoria pumpu Na + / K + v rôznych tkanivách, môžu byť dôsledkom funkčných špecializácií, ktoré ešte neboli objasnené.

Funkcia draslíkového čerpadla

Plazmatická membrána predstavuje v každom okamihu deliacu hranicu medzi kompartmentom zodpovedajúcim vnútrajšku bunky a bunkou, ktorá predstavuje extracelulárnu tekutinu, do ktorej je ponorená.

Obidve kompartmenty majú zloženie, ktoré sa môže kvalitatívne odlišovať, pretože vo vnútri buniek sa nachádzajú látky, ktoré sa nenachádzajú mimo nich, a extracelulárna tekutina obsahuje látky, ktoré nie sú prítomné intracelulárne.

Látky, ktoré sa nachádzajú v oboch kompartmentoch, sa nachádzajú v rôznych koncentráciách a tieto rozdiely môžu mať fyziologický význam. To je prípad mnohých iónov.

Údržba homeostázy

Pumpa Na + / K + hrá zásadnú úlohu pri udržiavaní intracelulárnej homeostázy regulovaním koncentrácií sodíkových a draslíkových iónov. Táto údržba homeostázy sa dosahuje vďaka:

• Transport iónov : zavádza ióny sodíka a vylučuje draselné ióny, proces, prostredníctvom ktorého riadi aj pohyb iných molekúl inými transportérmi, ktoré závisia od elektrického náboja alebo vnútornej koncentrácie týchto iónov.
• Kontrola objemu bunky : zavedenie alebo výstup iónov tiež znamená pohyby vody v bunke, takže čerpadlo sa zúčastňuje kontroly objemu bunky.
• Generovanie membránového potenciálu : vylúčenie 3 sodíkových iónov za každé 2 zavedené ióny draslíka spôsobuje, že membrána zostane záporne nabitá vo vnútri, čo vytvára rozdiel v poplatkoch medzi vnútornou a vonkajšou časťou bunky. Tento rozdiel sa nazýva pokojový potenciál.

Na + má extracelulárnu koncentráciu asi 142 mEq / l, zatiaľ čo jeho intracelulárna koncentrácia je iba 12 mEq / L; Na druhej strane K + je vo vnútri bunky koncentrovanejšia (140 mekv / l) ako mimo nej (4 mekv / l).

Aj keď elektrický náboj týchto iónov neumožňuje ich priechod cez membránu, existujú iónové kanály, ktoré mu to umožňujú (selektívne), ktoré podporujú pohyb, ak sú prítomné aj sily, ktoré tieto ióny bežne pohybujú.

Tieto rozdiely v koncentrácii sú však veľmi dôležité pri zachovaní homeostázy organizmu a musia sa udržiavať v takej rovnováhe, ktorá, ak sa stratí, by spôsobila dôležité organické zmeny.

Difúzia a pumpa sodíka draslíka (Zdroj: BruceBlaus. Keď sa tento obrázok používa v externých zdrojoch, možno ho citovať ako: pracovníci Blausen.com (2014). «Lekárska galéria Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436.Derivative by Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0), prostredníctvom Wikimedia Commons)

• Rozdiel v koncentrácii Na + medzi vnútornou a vonkajšou časťou bunky vytvára chemický gradient, ktorý tlačí sodík dovnútra a spôsobuje, že tento ión neustále vstupuje a má tendenciu rozptyľovať tento rozdiel, to znamená vyrovnávať koncentrácie v oboch boky.
• Draselný gradient je udržiavaný v opačnom smere, to znamená zvnútra von, čo umožňuje konštantný výstup iónu a jeho vnútornú redukciu a externý nárast.

Funkcia pumpy Na + / K + umožňuje extrakciu sodíka, ktorý vstúpil difúziou kanálmi alebo inými transportnými cestami, a znovuzavedenie draslíka, ktorý sa rozptýli, čo umožňuje zachovanie intra a extracelulárnych koncentrácií týchto ióny.

Mechanizmus (proces)

Mechanizmus účinku Na + / K + ATPázy pozostáva z katalytického cyklu, ktorý zahŕňa transferové reakcie fosforylovej skupiny (Pi) a konformačné zmeny enzýmu, ktoré prechádzajú zo stavu El do stavu E2 a naopak.

Táto operácia vyžaduje prítomnosť ATP a Na + vo vnútri bunky a K + v extracelulárnej tekutine.

Viazanie sodných iónov k transportéru

Cyklus začína v stave konformácie E1 enzýmu, v ktorom sú 3 cytosolické miesta väzby na Na + a vysokej afinity (Km 0,6 mM), ktoré sú úplne obsadené, pretože koncentrácia intra iónov ( 12 mM) to umožňuje.

Hydrolýza ATP

V tomto stave (El) as naviazaným Na + na svoje väzobné miesta sa ATP viaže na svoje miesto v cytosolovom sektore molekuly, hydrolyzuje a fosfátová skupina sa prenesie na aspartát 376, čím sa vytvorí vysoko energetický acylfosfát. ktoré vyvolávajú konformačnú zmenu stavu E2.

Vyhostenie 3 sodných iónov a zavedenie 2 draselných iónov

Konformačná zmena stavu E2 znamená, že väzobné miesta Na + prechádzajú von, ich afinita k iónu sa výrazne znižuje a uvoľňuje sa do extracelulárnej tekutiny, zatiaľ čo sa súčasne zvyšuje afinita väzobných miest K +. a tieto ióny sú pripevnené k vonkajšej strane čerpadla.

Počas stavu E2 sa ióny Na + uvoľňujú na druhú stranu membrány.

Tento nový stav pumpy zase vytvára afinitu k väzbe iónov K +

Reverzia z E2 na E1

Akonáhle sa Na + uvoľní a K + sa naviaže, nastane hydrolýza aspartylfosfátu a konformačná zmena zo stavu E2 do stavu El sa vráti s opätovným zavedením prázdnych väzbových miest Na + a obsadených K +.

Keď nastane táto zmena, miesta Na + znovu získajú svoju afinitu a miesta K + ju stratia, čím sa K + uvoľní do bunky.

dôležitosť

V udržiavaní bunkovej osmolarity

Pumpa Na + / K + je prítomná vo väčšine, ak nie vo všetkých, cicavčích bunkách, kde má všeobecný význam tým, že pomáha udržiavať ich osmolaritu a tým aj ich objem.

Nepretržitý vstup iónov sodíka do bunky určuje zvýšenie intracelulárneho počtu osmoticky aktívnych častíc, ktoré indukuje vstup vody a zväčšenie objemu, ktoré by nakoniec spôsobilo roztrhnutie membrány a kolaps buniek.

Pri tvorbe membránového potenciálu

Pretože tieto pumpy zavádzajú iba 2 K + na každé 3 Na +, ktoré odstraňujú, správajú sa elektrogenicky, čo znamená, že „dekompenzujú“ vnútorné elektrické náboje, čím podporujú produkciu membránového potenciálu charakteristického pre bunky tela.

Jeho význam je tiež zrejmý vo vzťahu k bunkám, ktoré tvoria excitabilné tkanivá, v ktorých sú akčné potenciály charakterizované vstupom iónu Na +, ktorý depolarizuje bunku, a výstupom K +, ktorý ho repolarizuje.

Tieto iónové pohyby sú možné vďaka činnosti čerpadiel Na + / K +, ktoré prispievajú k výrobe chemických gradientov, ktoré pohybujú obsiahnutými iónmi.

Bez týchto čerpadiel, ktoré pracujú opačným smerom, by sa koncentračné gradienty týchto iónov rozptýlili a excitačná aktivita by zmizla.

Pri funkcii obličiek

Ďalší aspekt, ktorý zdôrazňuje extrémny význam sodíkovo-draselných čerpadiel, súvisí s funkciou obličiek, čo by bez nich nebolo možné.

Funkcia obličiek zahŕňa dennú filtráciu viac alebo menej 180 litrov plazmy a veľkých množstiev látok, z ktorých niektoré sa musia vylúčiť, ale mnohé z nich sa musia znova absorbovať, aby sa nestratili močom.

Reaktsorpcia sodíka, vody a mnohých filtrovaných látok závisí od týchto púmp, ktoré sú umiestnené v bazolaterálnej membráne buniek, ktoré tvoria epitel rôznych tubulárnych segmentov obličkových nefronov.

Epitelové bunky, ktoré lemujú obličkové tubuly, majú jednu stranu, ktorá je v kontakte s lúmenom tubulu a nazýva sa apikálna strana, a ďalšiu, ktorá je v kontakte s intersticiiom okolo tubulu a nazýva sa bazolaterálna strana.

Voda a látky, ktoré sa reabsorbujú, musia najprv prejsť do bunky cez apikálne a potom do interstícia cez bazolaterál.

Znovu reabsorpcia Na + je kľúčom tak vo vzťahu k nemu, ako aj vo vzťahu k vode a iným látkam, ktoré od neho závisia. Apikálny vstup Na + do bunky vyžaduje, aby existoval gradient, ktorý ju pohybuje a ktorý znamená veľmi nízku koncentráciu iónu vo vnútri bunky.

Táto nízka intracelulárna koncentrácia Na + je produkovaná sodíkovými pumpami v bazolaterálnej membráne, ktoré intenzívne pracujú na odstránení iónu z buniek do interstícia.

Referencie

1. Ganong WF: Všeobecná a bunková základňa lekárskej fyziológie, v: Review of Medical Physiology, 25. vydanie. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Transport látky cez bunkovú membránu, v: Učebnica lekárskej fyziológie, 13. vydanie, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport cez bunkové membrány, In: Molecular and Cell Biology, 4. vydanie.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerove princípy biochémie. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Základná bunková biológia. Garland Science.