NATRIJEVA KALIJEVA ČRPALKA: ZGRADBA, DELOVANJE, MEHANIZEM, POMEN - BIOLOGIJA - 2026

Natrijev kalijev črpalka je struktura proteina vključena v širši krog molekule prisotna v mnogih celičnih membran, in ki so odgovorni za aktivno transport ionov in drugih majhnih molekul glede na njihovo koncentracijo gradientov. Uporabljajo energijo, ki jo sprošča hidroliza ATP, zato jih v splošnem imenujemo ATPaze.

Natrijeva kalijeva črpalka je Na + / K + ATPaza, ker sprošča energijo, ki jo vsebuje molekula ATP, da se natrij premika od znotraj proti zunanji strani celice, hkrati pa vnaša kalij.

Shema natrijeve kalijeve črpalke. Zunanjost in notranjost celice. (Vir: Miguelferig, prek Wikimedia Commons)

V notranjosti celice je natrij manj koncentriran (12 mEq / L) kot zunaj (142 mEq / L), medtem ko je kalij zunaj bolj koncentriran (4 mEq / L) kot znotraj (140 mEq / L).

Črpalke ATPase so razvrščene v tri velike skupine:

• Ionske črpalke tipa F in V : so precej zapletene strukture, lahko jih sestavljajo 3 različne vrste transmembranskih podenot in do 5 povezanih polipeptidov v citosolu. Delujejo kot protonski prevozniki.
• Superdružine ABC (od nemški A tp- B INDING C assette = ATP vezavna kaseta), sestavljen iz več kot 100 proteinov, ki funkcijo lahko, kot transporterji ionov, monosaharidi, polisaharidi, polipeptidov in celo drugih proteinov.
  
• Ionske črpalke razreda P : tvorijo jih vsaj ena katalitična transmembranska alfa podenota, ki ima vezavno mesto za ATP in manjšo β podenoto. Med transportnim procesom se podenota α fosforilira in od tod tudi njeno ime "P".

Natrijeva kalijeva črpalka (Na + / K + ATPaza) spada v skupino ionskih črpalk razreda P, odkril jo je leta 1957 Jens Skou, danski raziskovalec, ko je preučeval mehanizem delovanja anestetikov na živce rakovice (Carcinus maenas); delo, za katero je leta 1997 prejel Nobelovo nagrado za kemijo.

Kalijeva natrijeva črpalka. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein pri fr.wikipediaderivative work: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Struktura natrijeve kalijeve črpalke

Natrijeva kalijeva črpalka je encim, ki je z vidika njegove kvaternarne strukture sestavljen iz 2 beljakovinskih podenot tipa beta (α) in dveh beta (β).

Gre torej za tetramer tipa α2β2, katerega podenote so integralne membranske beljakovine, to je, da prečkajo lipidni dvoslojni in imajo tako intra- kot zunaj citosolne domene.

Alfa in beta podenota kalijeve črpalke. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alfa podenote

Podenote α so tiste, ki vsebujejo vezna mesta za ATP ter za Na + in K + ione in predstavljajo katalitično komponento encima in tisto, ki izvaja funkcijo same črpalke.

Podenote α so veliki polipeptidi z molekulsko maso 120 kDa, 10 transmembranskih segmentov in s svojimi N- in C-končnimi konci, nameščenimi na citosolni strani.

Na medcelični strani imajo mesta vezave za ATP in Na +, pa tudi ostanek aspartata na položaju 376, ki predstavlja mesto, ki se med aktivacijo črpalke podvrže procesu fosforilacije.

Zdi se, da je vezavno mesto za K + na zunajcelični strani.

Beta podenote

Zdi se, da β podenote nimajo neposredne udeležbe v črpalni funkciji, vendar v njihovi odsotnosti do te funkcije ne pride.

Podenote β imajo molekulsko maso približno 55 kDa in so glikoproteini z eno samo transmembransko domeno, katere ostanki ogljikovih hidratov so vstavljeni v zunajcelično območje.

Zdi se, da so potrebni v endoplazmatskem retikulu, kjer bi prispevali k pravilnemu zgibanju α podenot in nato na ravni membrane k stabilizaciji kompleksa.

Obe vrsti podenot sta heterogeni in za eno so opisani izo1formi α1, α2 in α3, za drugo pa β1, β2 in β3. Α1 najdemo v membranah večine celic, medtem ko je α2 prisoten v mišicah, srcu, maščobnem tkivu in možganih, α3 pa v srcu in možganih.

Izoforma β1 ima najbolj razpršeno razporeditev, čeprav je v nekaterih tkivih, kot so vestibularne celice notranjega ušesa in hitro odzivne glikolitične mišične celice, odsotna. Slednje vsebujejo le β2.

Različne strukture podenot, ki sestavljajo črpalko Na + / K + v različnih tkivih, so lahko posledica funkcionalnih specializacij, ki še niso bile razjasnjene.

Funkcija kalijeve črpalke

V vsakem trenutku je plazemska membrana ločitvena meja med predelkom, ki ustreza notranjosti celice, in tistim, ki predstavlja zunajcelično tekočino, v katero je potopljena.

Oba oddelka imata sestavo, ki se lahko kvalitativno razlikuje, saj so v celicah snovi, ki se ne nahajajo zunaj njih, zunajcelična tekočina pa vsebuje snovi, ki niso prisotne znotrajcelično.

Snovi, ki so prisotne v obeh oddelkih, lahko najdemo v različnih koncentracijah, te razlike pa imajo lahko fiziološki pomen. Tako je s številnimi ioni.

Vzdrževanje homeostaze

Črpalka Na + / K + ima temeljno vlogo pri vzdrževanju znotrajcelične homeostaze z nadzorom koncentracij natrijevih in kalijevih ionov. To vzdrževanje homeostaze je doseženo s pomočjo:

• Ionski transport : uvaja natrijeve ione in izpušča kalijeve ione, postopek, skozi katerega vodi tudi gibanje drugih molekul prek drugih transporterjev, ki so odvisni bodisi od električnega naboja bodisi od notranje koncentracije teh ionov.
• Nadzor nad količino celice : vnos ali izstop ionov pomeni tudi gibanje vode znotraj celice, tako da črpalka sodeluje pri nadzoru količine celice.
• Ustvarjanje membranskega potenciala : izgon 3 natrijevih ionov na vsaka 2 vnesena kalijeva iona povzroči, da se membrana na notranji strani negativno nabira, kar povzroči razliko v naboju med notranjo in zunaj celice. Ta razlika je znana kot potencial za počitek.

Na + ima zunajcelična koncentracija približno 142 mEq / L, medtem ko je njegova znotrajcelična koncentracija le 12 mEq / L; K + je po drugi strani bolj koncentriran znotraj celice (140 mEq / L) kot zunaj nje (4 mEq / L).

Čeprav električni naboj teh ionov ne omogoča njihovega prehoda skozi membrano, obstajajo ionski kanali, ki to dopuščajo (selektivno), ki spodbujajo gibanje, če so prisotne tudi sile, ki te ione običajno premikajo.

Vendar so te razlike v koncentraciji velikega pomena za ohranitev homeostaze organizma in jih je treba vzdrževati v nekakšnem ravnovesju, ki bi v primeru izgube povzročilo pomembne organske spremembe.

Difuzija in črpalka natrija (Vir: BruceBlaus. Pri uporabi te slike v zunanjih virih jo lahko navedemo kot: osebje Blausen.com (2014). «Medicinska galerija Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. Izpeljanka Mikaela Häggströma / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) prek Wikimedia Commons)

• Razlika v koncentraciji za Na + znotraj in zunaj celice ustvarja kemični gradient, ki natrij potisne navznoter in povzroči, da ta ion nenehno vstopa in te razlike razsiri, to je, da izenači koncentracije v obeh strani.
• Kalientni gradient se vzdržuje v nasprotni smeri, torej od znotraj navzven, kar omogoča stalen izhod iona in njegovo notranje zmanjšanje in zunanje povečanje.

Funkcija črpalke Na + / K + omogoča ekstrakcijo natrija, ki je bil vnesen z difuzijo po kanalih ali drugih transportnih poteh, in ponovno vnos kalija, ki je razpršen, kar omogoča ohranjanje znotraj in zunajcelične koncentracije le-teh ioni.

Mehanizem (postopek)

Mehanizem delovanja Na + / K + ATP-aze je sestavljen iz katalitičnega cikla, ki vključuje reakcije prenosa fosforilne skupine (Pi) in konformacijske spremembe encima, ki gredo iz stanja E1 v stanje E2 in obratno.

Za operacijo je potrebna prisotnost ATP in Na + znotraj celice in K + v zunajcelični tekočini.

Vezava natrijevih ionov na transporter

Cikel se začne v stanju konformacije E1 encima, v katerem so 3 citosolna mesta vezave na Na + in z visoko afiniteto (Km 0,6 mM), ki so v celoti zasedena zaradi koncentracije znotraj ionov ( 12 mM) omogoča.

Hidroliza ATP

V tem stanju (E1) in z Na + vezanim na svoja vezna mesta se ATP veže na svoje mesto v citosolnem sektorju molekule, hidrolizira in fosfatna skupina se prenese v aspartat 376, tvori visokoenergijski acifosfat ki povzroči konformacijsko spremembo v stanju E2.

Izgon 3 natrijevih ionov in vnos 2 kalijevih ionov

Konformacijska sprememba stanja E2 pomeni, da Na + vezavna mesta prehajajo na zunanjo stran, njihova afiniteta do iona se močno zmanjša in se sprosti v zunajcelično tekočino, hkrati pa se poveča afiniteta vezavnih mest K +. ti ioni so pritrjeni na zunanji strani črpalke.

Med stanjem E2 se ioni Na + sprostijo na drugo stran membrane.

To novo stanje črpalke ustvarja afiniteto za vezavo K + ionov

Povrat iz E2 na E1

Ko se Na + sprosti in se veže K +, pride do hidrolize aspartil fosfata in konformacijska sprememba iz stanja E2 v stanje E1 se povrne s ponovno uvedbo praznih mest vezave Na + in tistih iz zasedenih K +.

Ko pride do te spremembe, mesta za Na + ponovno dobijo afiniteto in mesta za K + jo izgubijo, s čimer se K + sprosti v celico.

Pomen

Pri vzdrževanju celične osmolarnosti

Črpalka Na + / K + je prisotna v večini, če ne celo vseh celicah sesalcev, kjer je splošnega pomena, saj pomaga ohranjati osmolarnost in s tem tudi njihovo prostornino.

Nenehni vnos natrijevih ionov v celico določa povečanje znotrajceličnega števila osmotsko aktivnih delcev, kar povzroči vstop vode in povečanje prostornine, ki bi končala, kar bi povzročilo rupturo membrane in propad celice.

Pri nastajanju membranskega potenciala

Ker te črpalke vnesejo samo 2 K + na vsake 3 Na +, ki jih odstranijo, se obnašajo elektrogeno, kar pomeni, da "dekompenzirajo" notranje električne naboje, kar daje prednost proizvodnji membranskega potenciala, značilnega za telesne celice.

Njegov pomen je viden tudi v zvezi s celicami, ki sestavljajo vzdražna tkiva, pri katerih je za akcijske potenciale značilen vnos iona Na +, ki depolarizira celico, in izstop K +, ki jo repolarizira.

Ta ionska gibanja so mogoča zaradi delovanja črpalk Na + / K +, ki prispevajo k proizvodnji kemičnih gradientov, ki premikajo vpletene ione.

Brez teh črpalk, ki delujejo v nasprotni smeri, se koncentracijski gradienti teh ionov razblinijo, vzbujevalna aktivnost pa izgine.

Pri delovanju ledvic

Drugi vidik, ki poudarja izjemen pomen natrijeve-kalijeve črpalke, je povezan z delovanjem ledvic, kar bi bilo brez njih nemogoče.

Ledvična funkcija vključuje dnevno filtracijo več ali manj 180 litrov plazme in velikih količin snovi, od katerih se nekatere morajo izločiti, veliko pa jih je treba ponovno absorbirati, da se ne izgubijo z urinom.

Ponovna absorpcija natrija, vode in mnogih filtriranih snovi je odvisna od teh črpalk, ki se nahajajo v bazolateralni membrani celic, ki sestavljajo epitelijo različnih cevastih segmentov ledvičnih nefronov.

Epitelijske celice, ki usmerjajo ledvične tubule, imajo eno stran, ki je v stiku z lumenom tubula, in se imenuje apikalna stran, in drugo, ki je v stiku z intersticijem okoli tubule in se imenuje bazolateralna stran.

Voda in snovi, ki se ponovno absorbirajo, morajo najprej preiti v celico skozi apikalno in nato v intersticij skozi bazolateral.

Ponovna absorpcija Na + je ključna tako glede vode kot glede vode in snovi drugih snovi, ki so odvisne od nje. Apikalni vstop Na + v celico zahteva, da obstaja gradient, ki ga premika, kar pomeni zelo nizko koncentracijo iona v celici.

To nizko znotrajcelično koncentracijo Na + proizvajajo natrijeve črpalke v bazolateralni membrani, ki intenzivno delujejo na odstranitvi iona iz celic v intersticij.

Reference

1. Ganong WF: Splošne in celične osnove medicinske fiziologije, v: Pregled medicinske fiziologije, 25. izd. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, dvorana JE: Transport snovi skozi celično membrano, v: Učbenik medicinske fiziologije, 13. izd., AC Guyton, JE Hall (ur.). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport po celičnih membranah, V: Molekularna in celična biologija, 4. izd.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Lehningerjeva načela biokemije. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Bistvena celična biologija. Garland Science.