НАТРИЙ-КАЛИЕВЫЙ НАСОС: УСТРОЙСТВО, ФУНКЦИИ, МЕХАНИЗМ, ЗНАЧЕНИЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

Насос калия натрия представляет собой структуру белков , включенная в более широком наборе молекулы , присутствующие во многих клеточных мембранах, и которые отвечают за активный транспорт ионов или других небольших молекул против их градиентов концентрации. Они используют энергию, выделяемую при гидролизе АТФ, и поэтому их обычно называют АТФазами.

Натрий-калиевый насос представляет собой Na + / K + АТФазу, потому что он высвобождает энергию, содержащуюся в молекуле АТФ, для перемещения натрия изнутри наружу клетки, одновременно вводя калий.

Схема натрий-калиевого насоса. Внешний вид и интерьер камеры. (Источник: Мигельфериг, через Wikimedia Commons)

Внутри клетки натрий менее концентрирован (12 мг-экв / л), чем снаружи (142 мг-экв / л), а калий более концентрирован снаружи (4 мг-экв / л), чем внутри (140 мг-экв / л).

Насосы АТФазы делятся на три большие группы:

• Ионные насосы типов F и V : это довольно сложные структуры, они могут состоять из 3 различных типов трансмембранных субъединиц и до 5 ассоциированных полипептидов в цитозоле. Они действуют как переносчики протонов.
• Суперсемейства АВС ( TP- В inding С assette = АТФ связывания кассета): из более чем 100 белков , которые функция может как переносчиков ионов, моносахариды, полисахариды, полипептиды и даже других белков.
  
• Ионные насосы класса P : образованы по крайней мере одной каталитической трансмембранной альфа-субъединицей, которая имеет сайт связывания для АТФ и минорной β-субъединицы. Во время транспортного процесса субъединица α фосфорилируется, отсюда и название «P».

Натрий-калиевый насос (Na + / K + АТФаза) принадлежит к группе ионных насосов класса P и был открыт в 1957 году датским исследователем Йенсом Скоу, когда он изучал механизм действия анестетиков на нервы краба. (Carcinus maenas); работа, за которую он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1997 году.

Калийно-натриевый насос. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein на fr.wikipedia, производная работа: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Устройство натрий-калиевого насоса

Натрий-калиевый насос - это фермент, который с точки зрения его четвертичной структуры состоит из 2 субъединиц альфа (α) и двух субъединиц бета (β) типа.

Следовательно, это тетрамер типа α2β2, субъединицы которого являются интегральными мембранными белками, то есть они пересекают липидный бислой и имеют как внутри-, так и внецитозольные домены.

Альфа и бета субъединицы калиевого насоса. Роб Коуи / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Альфа-субъединицы

Субъединицы α - это те, которые содержат сайты связывания для АТФ и для ионов Na + и K + и представляют собой каталитический компонент фермента и тот, который выполняет функцию самого насоса.

Субъединицы α представляют собой большие полипептиды с молекулярной массой 120 кДа, 10 трансмембранных сегментов и их N- и C-концы, расположенные на цитозольной стороне.

На внутриклеточной стороне они имеют сайты связывания для АТФ и Na +, а также остаток аспартата в положении 376, который представляет сайт, который подвергается процессу фосфорилирования во время активации насоса.

Сайт связывания K +, по-видимому, находится на внеклеточной стороне.

Бета-субъединицы

Субъединицы β, по-видимому, не принимают прямого участия в насосной функции, но в их отсутствие эта функция не выполняется.

Субъединицы β имеют молекулярную массу около 55 кДа каждая и представляют собой гликопротеины с одним трансмембранным доменом, углеводные остатки которого встроены во внеклеточную область.

Они, по-видимому, необходимы в эндоплазматическом ретикулуме, где они вносят вклад в правильную укладку α субъединиц, а затем, на уровне мембраны, для стабилизации комплекса.

Оба типа субъединиц являются гетерогенными, и изоформы α1, α2 и α3 описаны для одной, а β1, β2 и β3 - для другой. 1 находится в мембранах большинства клеток, α2 присутствует в мышцах, сердце, жировой ткани и мозге, а α3 - в сердце и мозге.

Изоформа β1 имеет наиболее диффузное распределение, хотя она отсутствует в некоторых тканях, таких как вестибулярные клетки внутреннего уха и быстро реагирующие гликолитические мышечные клетки. Последние содержат только β2.

Различные структуры субъединиц, составляющих насос Na + / K + в разных тканях, могут быть связаны с функциональной специализацией, которая еще не выяснена.

Функция калиевого насоса

В любой рассматриваемый момент плазматическая мембрана представляет собой разделительную границу между отделением, соответствующим внутренней части клетки, и тем, которое представляет собой внеклеточную жидкость, в которую она погружена.

Оба компартмента имеют состав, который может быть качественно различным, поскольку внутри клеток есть вещества, которых нет вне их, а внеклеточная жидкость содержит вещества, которых нет внутри клетки.

Вещества, которые присутствуют в обоих отделах, могут быть обнаружены в разных концентрациях, и эти различия могут иметь физиологическое значение. Так обстоит дело со многими ионами.

Поддержание гомеостаза

Насос Na + / K + играет фундаментальную роль в поддержании внутриклеточного гомеостаза, контролируя концентрацию ионов натрия и калия. Такое поддержание гомеостаза достигается благодаря:

• Перенос ионов : вводит ионы натрия и выбрасывает ионы калия, процесс, посредством которого он также управляет движением других молекул через другие переносчики, которые зависят либо от электрического заряда, либо от внутренней концентрации этих ионов.
• Контроль объема клетки : введение или выход ионов также подразумевает движение воды внутри клетки, так что насос участвует в регулировании объема клетки.
• Создание мембранного потенциала : изгнание 3 ионов натрия на каждые 2 введенных иона калия приводит к тому, что мембрана остается отрицательно заряженной внутри, что создает разницу в зарядах между внутренней и внешней частью клетки. Эта разница известна как потенциал покоя.

Na + имеет внеклеточную концентрацию около 142 мэкв / л, в то время как его внутриклеточная концентрация составляет всего 12 мэкв / л; K +, с другой стороны, больше сконцентрирован внутри клетки (140 мэкв / л), чем вне ее (4 мэкв / л).

Хотя электрический заряд этих ионов не позволяет им проходить через мембрану, существуют ионные каналы, которые позволяют это (выборочно), которые способствуют перемещению, если также присутствуют силы, которые обычно перемещают эти ионы.

Однако эти различия в концентрации имеют большое значение для сохранения гомеостаза организма и должны поддерживаться в некотором роде равновесия, которое в случае его потери привело бы к важным органическим изменениям.

Распространение натрия и калия и насос (Источник: BruceBlaus. При использовании этого изображения во внешних источниках его можно цитировать как: Blausen.com staff (2014). «Медицинская галерея Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436, производное от Микаэля Хэггстрёма / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) через Wikimedia Commons)

• Разница в концентрации Na + внутри и снаружи клетки создает химический градиент, который толкает натрий внутрь и заставляет этот ион постоянно поступать и стремиться рассеивать эту разницу, то есть выравнивать концентрации в обоих стороны.
• Градиент калия поддерживается в обратном направлении, то есть изнутри наружу, обеспечивая постоянный выход иона и его внутреннее восстановление и внешнее увеличение.

Функция насоса Na + / K + позволяет извлекать натрий, который поступил путем диффузии по каналам или другим транспортным путям, и повторно вводить калий, который диффундировал наружу, что позволяет сохранять внутри- и внеклеточные концентрации этих веществ. ионов.

Механизм (процесс)

Механизм действия Na + / K + АТФазы состоит из каталитического цикла, который включает реакции переноса фосфорильной группы (Pi) и конформационные изменения фермента, которые переходят из состояния E1 в состояние E2 и наоборот.

Операция требует наличия АТФ и Na + внутри клетки и K + во внеклеточной жидкости.

Связывание ионов натрия с транспортером

Цикл начинается в состоянии конформации E1 фермента, в котором есть 3 цитозольных сайта связывания с Na + с высоким сродством (Km 0,6 мМ), которые полностью заняты, поскольку внутриионная концентрация ( 12 мМ) позволяет это.

Гидролиз АТФ

В этом состоянии (E1) и с Na +, присоединенным к его сайтам связывания, АТФ связывается со своим сайтом в цитозольном секторе молекулы, гидролизуется, и фосфатная группа переносится на аспартат 376, образуя высокоэнергетический ацилфосфат что вызывает конформационное изменение состояния E2.

Удаление 3 ионов натрия и введение 2 ионов калия

Конформационное изменение в состояние E2 означает, что сайты связывания Na + переходят наружу, их сродство к иону сильно уменьшается, и он высвобождается во внеклеточную жидкость, в то же время сродство сайтов связывания K + увеличивается. и эти ионы прикреплены к внешней стороне насоса.

В состоянии E2 ионы Na + высвобождаются на другую сторону мембраны.

В свою очередь, это новое состояние насоса создает сродство к связыванию ионов K +.

Разворот с E2 на E1

После высвобождения Na + и связывания K + происходит гидролиз аспартилфосфата и происходит возврат конформационного изменения из состояния E2 в состояние E1 с повторным введением пустых сайтов связывания Na + и занятых участков K +.

Когда происходит это изменение, сайты для Na + восстанавливают свое сродство, а сайты для K + теряют его, с которым K + высвобождается в клетку.

значение

В поддержании осмолярности клеток

Насос Na + / K + присутствует в большинстве, если не во всех, клетках млекопитающих, где он имеет общее значение, помогая поддерживать их осмолярность и, следовательно, их объем.

Непрерывное поступление ионов натрия в клетку определяет увеличение внутриклеточного количества осмотически активных частиц, что вызывает проникновение воды и увеличение объема, что в конечном итоге приводит к разрыву мембраны и коллапсу клетки.

В формировании мембранного потенциала

Поскольку эти насосы вводят только 2 K + на каждые 3 удаляемых Na +, они ведут себя электрогенно, что означает, что они «декомпенсируют» внутренние электрические заряды, способствуя выработке мембранного потенциала, характерного для клеток организма.

Его важность также очевидна в отношении клеток, составляющих возбудимые ткани, в которых потенциалы действия характеризуются входом иона Na +, который деполяризует клетку, и выходом K +, который реполяризует ее.

Эти ионные движения возможны благодаря работе насосов Na + / K +, которые способствуют созданию химических градиентов, которые перемещают вовлеченные ионы.

Без этих насосов, которые работают в противоположном направлении, градиенты концентрации этих ионов рассеялись бы, и возбуждающая активность исчезла бы.

В функции почек

Другой аспект, который подчеркивает чрезвычайную важность натриево-калиевых насосов, связан с функцией почек, что было бы невозможно без них.

Функция почек включает ежедневную фильтрацию более или менее 180 литров плазмы и большого количества веществ, некоторые из которых должны выводиться, но многие должны реабсорбироваться, чтобы они не терялись с мочой.

Реабсорбция натрия, воды и многих фильтруемых веществ зависит от этих насосов, которые расположены в базолатеральной мембране клеток, составляющих эпителий различных канальцевых сегментов нефронов почек.

Эпителиальные клетки, выстилающие почечные канальцы, имеют одну сторону, которая контактирует с просветом канальца и называется апикальной стороной, а другая сторона, которая контактирует с интерстицией вокруг канальца и называется базолатеральной стороной.

Вода и вещества, которые реабсорбируются, должны сначала пройти в клетку через апикальный, а затем в интерстиций через базолатеральный.

Реабсорбция Na + является ключевой как по отношению к нему, так и по отношению к реабсорбции воды и других веществ, которые от нее зависят. Апикальное проникновение Na + в клетку требует наличия градиента, который его перемещает, а это подразумевает очень низкую концентрацию иона внутри клетки.

Эта низкая внутриклеточная концентрация Na + вырабатывается натриевыми насосами в базолатеральной мембране, которые интенсивно работают для удаления иона из клеток в интерстиций.

Ссылки

1. Ganong WF: Общие и клеточные основы медицинской физиологии, в: Обзор медицинской физиологии, 25-е изд. Нью-Йорк, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Транспорт веществ через клеточную мембрану, в: Учебник медицинской физиологии, 13-е изд., AC Guyton, JE Hall (ред.). Филадельфия, Elsevier Inc., 2016 г.
3. Лодиш Х, Берк А., Зипурски С.Л., Мацудаира П., Балтимор Д., Дарнелл Дж.: Транспорт через клеточные мембраны, В: Молекулярная и клеточная биология, 4-е изд.
4. Нельсон, Д.Л., Ленингер, А.Л., и Кокс, М.М. (2008). Принципы биохимии Ленингера. Macmillan.
5. Альбертс, Б., Брей, Д., Хопкин, К., Джонсон, А.Д., Льюис, Дж., Рафф, М.,… и Уолтер, П. (2013). Существенная клеточная биология. Наука о гирляндах.