NATRIO KALIO POMPA: STRUKTŪRA, FUNKCIJA, MECHANIZMAS, SVARBA - BIOLOGIJA - 2025

Natrio kalio siurblys yra baltymas struktūra įtraukti į platesniu molekulės pateikti daugelyje ląstelių membranų, ir kuri yra atsakinga už aktyvių transporto jonų ar kitų mažų molekulių prieš jų koncentracijos gradientų. Jie naudoja energiją, išsiskiriančią ATP hidrolizės metu, todėl jie paprastai vadinami ATPazėmis.

Natrio kalio pompa yra Na + / K + ATPazė, nes ji išskiria ATP molekulėje esančią energiją natrio pernešimui iš ląstelės vidaus į išorę, tuo pačiu įvesdama kalio.

Natrio kalio pompos schema. Ląstelės išorė ir vidus. (Šaltinis: „Miguelferig“, per „Wikimedia Commons“)

Ląstelio viduje natris yra mažiau koncentruotas (12 mEq / L) nei išorėje (142 mEq / L), tuo tarpu kalis yra labiau koncentruotas lauke (4 mEq / L) nei viduje (140 mEq / L).

ATPazės siurbliai skirstomi į tris dideles grupes:

• F ir V tipo jonų siurbliai : jie yra gana sudėtingos struktūros, juos gali sudaryti iš 3 skirtingų tipų transmembraninių subvienetų ir iki 5 susijusių polipeptidų citozolyje. Jie veikia kaip protonų pernešėjai.
• Superšeimai ABC (nuo anglų A TP- B inding C assette = ATP privalomą kasetę): sudaryta iš daugiau nei 100 baltymų, kad galėtų būti panaudotos kaip transporterių jonų, monosacharidų, polisacharidų, polipeptidų ir net kitų baltymų.
  
• P klasės jonų siurbliai : suformuoti iš mažiausiai vieno katalizinio transmembraninio alfa subvieneto, turinčio rišamąją vietą ATP, ir mažojo β subvieneto. Pernešimo metu α subvienetas fosforilinamas ir vadinasi „P“.

Natrio kalio pompa (Na + / K + ATPazė) priklauso P klasės joninių pompų grupei, kurią 1957 m. Atrado Danijos tyrinėtojas Jensas Skou, tyrinėdamas anestetikų veikimo mechanizmą krabo nervams. (Carcinus maenas); darbas, už kurį 1997 m. jam buvo paskirta Nobelio chemijos premija.

Kalio natrio pompa. „NaKpompe2.jpg“: „Phi-Gastrein“ išvestiniame darbe: „sonia“ / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Natrio kalio pompos struktūra

Natrio kalio pompa yra fermentas, kurį savo ketvirtinės struktūros atžvilgiu sudaro 2 alfa (α) ir du beta (β) tipo baltymų subvienetai.

Taigi tai yra α2β2 tipo tetrameras, kurio subvienetai yra vientisi membraniniai baltymai, tai yra, jie kerta lipidų dvisluoksnį sluoksnį ir turi ir vidinį, ir ekstracitozolinį domeną.

Kalio pompos alfa ir beta subvienetai. Robas Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alfa subvienetai

Α subvienetai yra tie, kuriuose yra ATP ir Na + bei K + jonų rišamosios vietos ir kurie yra fermento katalizinis komponentas ir tas, kuris atlieka paties siurblio funkciją.

Α subvienetai yra dideli polipeptidai, kurių molekulinė masė yra 120 kDa, 10 transmembraninių segmentų, o jų N- ir C-galai yra citozolinėje pusėje.

Jie turi ATP ir Na + rišamąsias vietas tarpląstelinėje pusėje, taip pat aspartato liekaną 376 padėtyje, kuri žymi vietą, kurioje vyksta fosforilinimo procesas aktyvinant pompą.

Atrodo, kad K + rišimosi vieta yra tarpląstelinėje pusėje.

Beta subvienetai

Neatrodo, kad β subvienetai tiesiogiai dalyvautų siurbimo funkcijoje, tačiau jų nesant, ši funkcija nevyksta.

Β subvienetų molekulinė masė yra apie 55 kDa, ir jie yra glikoproteinai, turintys vieną transmembraninį domeną, kurio angliavandenių liekanos yra įterptos tarpląstelinėje srityje.

Jie atrodo reikalingi endoplazminiame retikulume, kur jie prisidėtų prie tinkamo α subvienetų sulankstymo, o tada membranos lygyje stabilizuotų kompleksą.

Abiejų tipų subvienetai yra nevienalyti ir α1, α2 ir α3 izoformos buvo aprašytos vienoje, o β1, β2 ir β3 - kitoje. Α1 randamas daugumos ląstelių membranose, o α2 yra raumenyse, širdyje, riebaliniame audinyje ir smegenyse, o α3 - širdyje ir smegenyse.

Β1 izoforma yra paskirstyta labiausiai difuziškai, nors jos nėra kai kuriuose audiniuose, tokiuose kaip vidinės ausies vestibulinės ląstelės ir greitai reaguojančios glikolitinės raumenų ląstelės. Pastarosiose yra tik β2.

Skirtingos subvienetų, sudarančių Na + / K + pompą skirtinguose audiniuose, struktūros gali atsirasti dėl funkcinių specializacijų, kurios dar nebuvo išaiškintos.

Kalio pompos funkcija

Bet kurią nagrinėjamą akimirką plazmos membrana sudaro atskyrimo ribą tarp kameros, atitinkančios ląstelės vidų, ir tos, kuri žymi tarpląstelinį skystį, kuriame ji yra panardinta.

Abiejų skyrių sudėtis gali būti kokybiškai skirtinga, nes ląstelių viduje yra medžiagų, kurių nerandama už jų ribų, o tarpląsteliniame skystyje yra medžiagų, kurių nėra ląstelėje.

Medžiagos, esančios abiejuose skyriuose, gali būti skirtingos koncentracijos, ir šie skirtumai gali turėti fiziologinę reikšmę. Taip yra su daugeliu jonų.

Homeostazės palaikymas

Na + / K + pompa vaidina pagrindinį vaidmenį palaikant tarpląstelinę homeostazę kontroliuojant natrio ir kalio jonų koncentracijas. Šis homeostazės palaikymas pasiekiamas dėl:

• Jonų pernešimas : įveda natrio jonus ir išstumia kalio jonus - procesą, kurio metu jis taip pat skatina kitų molekulių judėjimą per kitus nešiklius, kurie priklauso nuo šių jonų elektros krūvio arba vidinės koncentracijos.
• Ląstelės tūrio kontrolė : jonų įleidimas arba išėjimas taip pat reiškia vandens judėjimą kameroje, kad siurblys dalyvautų kontroliuojant ląstelės tūrį.
• Membranos potencialo generavimas : išleidžiant 3 natrio jonus kiekvienam įvestam 2 kalio jonui, membrana išlieka neigiamai įkrauta vidinėje pusėje, o tai lemia krūvio skirtumą tarp ląstelės vidaus ir išorės. Šis skirtumas žinomas kaip poilsio potencialas.

Na + tarpląstelinė koncentracija yra apie 142 mEq / L, tuo tarpu jo tarpląstelinė koncentracija yra tik 12 mEq / L; Kita vertus, K + yra labiau koncentruota ląstelės viduje (140 mEq / L), nei jos išorėje (4 mEq / L).

Nors šių jonų elektrinis krūvis neleidžia jiems prasiskverbti pro membraną, yra jonų kanalų, kurie tai leidžia (pasirinktinai), kurie skatina judėjimą, jei taip pat yra jėgų, kurios paprastai juda šiuos jonus.

Tačiau šie koncentracijos skirtumai turi didelę reikšmę išsaugojant organizmo homeostazę ir turi būti išlaikomi tam tikroje pusiausvyroje, kuri, praradus, sukeltų svarbius organinius pakitimus.

Natrio kalio difuzija ir pompa (Šaltinis: BruceBlaus. Naudojant šį vaizdą išoriniuose šaltiniuose, galima paminėti kaip: Blausen.com darbuotojams (2014). «Blausen Medical 2014 medicinos galerija». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. Išvestinę pateikė Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) per „Wikimedia Commons“.

• Na + koncentracijos skirtumas tarp ląstelės vidinės ir išorinės pusės sukuria cheminį gradientą, kuris stumia natrį į vidų ir priverčia šį joną nuolat patekti į vidų ir yra linkęs tą skirtumą išsklaidyti, tai yra išlyginti abiejų koncentraciją. šonai.
• Kalio gradientas palaikomas priešinga kryptimi, tai yra, iš vidaus į išorę, leidžiant pastoviai išeiti iš jonų ir jo vidinį sumažėjimą bei padidėjimą išorėje.

Na + / K + siurblio funkcija leidžia ištraukti natrį, kuris pateko difuzijos būdu per kanalus ar kitus transportavimo būdus, ir vėl įvesti kalį, kuris pasklido į išorę, leidžiant išsaugoti šių medžiagų tarpląstelinę ir tarpląstelinę koncentracijas. jonai.

Mechanizmas (procesas)

Na + / K + ATPazės veikimo mechanizmas susideda iš katalizinio ciklo, apimančio fosforilo grupės (Pi) perdavimo reakcijas ir fermento konformacinius pokyčius, vykstančius iš E1 būsenos į E2 būseną ir atvirkščiai.

Operacija reikalauja ATP ir Na + buvimo ląstelės viduje ir K + tarpląsteliniame skystyje.

Natrio jonų surišimas su transporteriu

Ciklas prasideda fermento E1 konformacijos būsenoje, kurioje yra 3 citozolinės jungimosi vietos prie Na + ir didelis afinitetas (Km 0,6 mM), kurios yra visiškai užimtos, nes vidinė jonų koncentracija ( 12 mM) tai leidžia.

ATP hidrolizė

Esant tokiai būsenai (E1) ir prisijungus prie Na + prie Na +, ATP jungiasi prie savo vietos citozoliniame molekulės sektoriuje, hidrolizuojasi ir fosfato grupė perkeliama į aspartatą 376, sudarydama aukštos energijos acilfosfatą. sukeliantis konformacinį E2 būsenos pasikeitimą.

3 natrio jonų pašalinimas ir 2 kalio jonų įvedimas

Konformacinis E2 būsenos pakeitimas reiškia, kad Na + jungimosi vietos praeina į išorę, jų afinitetas jonui labai sumažėja ir jis išsiskiria į tarpląstelinį skystį, tuo pačiu padidėja K + surišimo vietų afinitetas. ir šie jonai yra pritvirtinti prie siurblio išorės.

E2 būsenos metu Na + jonai išsiskiria į kitą membranos pusę.

Savo ruožtu ši nauja siurblio būsena sukuria afinitetą K + jonų surišimui

Reversas iš E2 į E1

Kai Na + išsiskiria ir K + yra surištas, įvyksta aspartilo fosfato hidrolizė ir konformacinis pokytis iš E2 būsenos į E1 pasikeičia, vėl įvedant tuščias Na + jungties vietas ir užimtas K +.

Kai įvyksta šis pokytis, Na + vietos atgauna savo giminingumą, o K + - vietos praranda jį, su kuriuo K + išleidžiamas į ląstelę.

Svarba

Palaikant ląstelių osmoliariškumą

Na + / K + siurblys yra daugumoje, jei ne visose, žinduolių ląstelėse, kur jis yra labai svarbus, nes padeda išlaikyti jų osmoliškumą ir kartu tūrį.

Dėl nenutrūkstamo natrio jonų patekimo į ląstelę padidėja osmosiškai aktyvių dalelių tarpląstelinis skaičius, o tai sukelia vandens patekimą ir tūrio padidėjimą, kuris galų gale sukelia membranos plyšimą ir ląstelių žlugimą.

Formuojant membranos potencialą

Kadangi šie siurbliai sukuria tik 2 K + kiekvienam pašalintam 3 Na +, jie elgiasi elektrogeniškai, o tai reiškia, kad jie „dekompensuoja“ vidinius elektros krūvius, teikdami pirmenybę membranos potencialo, būdingo kūno ląstelėms, susidarymui.

Jos svarba taip pat akivaizdi ląstelių, kurios sudaro sužadinamuosius audinius, atžvilgiu, kurių veikimo potencialams būdingas Na + jonų, kurie depoliarizuoja ląstelę, patekimas ir K +, kurie ją repoliarizuoja, išėjimas.

Šie joniniai judesiai įmanomi dėl Na + / K + siurblių veikimo, kurie prisideda prie cheminių gradientų, kurie juda susijusius jonus, susidarymo.

Be šių siurblių, kurie veiktų priešinga kryptimi, šių jonų koncentracijos gradientai išsisklaidytų, o sužadinimo aktyvumas išnyktų.

Inkstų funkcija

Kitas aspektas, pabrėžiantis didelę natrio-kalio pompų svarbą, yra susijęs su inkstų funkcija, o be jų neįmanoma.

Inkstų funkcija apima kasdien filtruojant daugiau ar mažiau 180 litrų plazmos ir didelius kiekius medžiagų, kurių dalis turi būti pašalinta, tačiau daugelį jų reikia absorbuoti, kad jie neprarastų šlapimo.

Natrio, vandens ir daugelio filtruotų medžiagų reabsorbcija priklauso nuo šių siurblių, esančių ląstelių bazolateralinėje membranoje, sudarančioje skirtingų inkstų nefronų vamzdinių segmentų epitelį.

Epitelio ląstelės, linijuojančios inkstų kanalėlius, turi vieną pusę, kuri liečiasi su kanalėlių spinduliu ir yra vadinama viršūnine puse, o kita, kuri liečiasi su kanalėliu esančiu intersticiu ir vadinama bazolateraline puse.

Reabsorbuojamas vanduo ir medžiagos pirmiausia turi patekti į ląstelę per viršūnę, o po to per vidurinę žarną į interstitumą.

Na + reabsorbcija yra svarbiausia tiek jo, tiek vandens, tiek kitų nuo jo priklausančių medžiagų absorbcijos atžvilgiu. Aukščiau esančiam Na + įvedimui į ląstelę reikia, kad būtų gradientas, kuris ją judina, o tai reiškia, kad ląstelės viduje yra labai maža jonų koncentracija.

Šią mažą tarpląstelinę Na + koncentraciją sukuria bazolateralinėje membranoje esantys natrio siurbliai, kurie intensyviai dirba, kad pašalintų jonus iš ląstelių į intersticį.

Nuorodos

1. Ganong WF: Medicinos fiziologijos bendrasis ir ląstelinis pagrindas, in: Medicinos fiziologijos apžvalga, 25-asis leidimas. Niujorkas, „McGraw-Hill Education“, 2016 m.
2. Guyton AC, JE salė: Medžiagos pernešimas per ląstelės membraną, in: Medicininės fiziologijos vadovėlis, 13-asis leidimas, AC Guyton, JE Hall (red. Past.). Filadelfijoje, „Elsevier Inc.“, 2016 m.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transportas per ląstelių membranas, In: Molecular and Cell Biology, 4 ed.
4. Nelsonas, D. L., Lehningeris, AL ir „Cox“, MM (2008). Lehningerio biochemijos principai. Macmillanas.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… ir Walter, P. (2013). Esminė ląstelių biologija. Girlianda mokslas.