SODNÁ DRASELNÁ PUMPA: STRUKTURA, FUNKCE, MECHANISMUS, VÝZNAM - BIOLOGIE - 2025

Čerpadlo sodný, draselný je struktura proteinu součástí širšího souboru molekuly přítomné v mnoha buněčných membránách, a které jsou zodpovědné za aktivní transport iontů nebo jiných malých molekul proti jejich koncentračních gradientů. Využívají energii uvolněnou hydrolýzou ATP, a proto se obecně nazývají ATPázy.

Sodná draselná pumpa je Na + / K + ATPáza, protože uvolňuje energii obsaženou v molekule ATP k přesunu sodíku zevnitř do vnějšku buňky, zatímco zavádí draslík.

Schéma sodíkové draselné pumpy. Exteriér a interiér cely. (Zdroj: Miguelferig, přes Wikimedia Commons)

Uvnitř buňky je sodík méně koncentrovaný (12 mekv / l) než venku (142 mekv / l), zatímco draslík je koncentrován vně (4 mekv / l) než uvnitř (140 mekv / l).

Čerpadla ATPase jsou rozdělena do tří velkých skupin:

• Iontové pumpy typu F a V: jsou to docela složité struktury, mohou být tvořeny 3 různými typy transmembránových podjednotek a až 5 asociovaných polypeptidů v cytosolu. Fungují jako transportéry protonů.
• Superrodina ABC (A TP- B inding C assette = ATP vazebná kazeta): sestává z více než 100 proteinů, které mohou fungovat jako transportéry iontů, monosacharidů, polysacharidů, polypeptidů a dokonce i jiných proteinů.

• Iontová čerpadla třídy P: tvořená alespoň jednou katalytickou transmembránovou alfa podjednotkou, která má vazebné místo pro ATP a menší p podjednotku. Během transportního procesu je a podjednotka fosforylována, a proto se nazývá „P“.

Sodná draselná pumpa (Na + / K + ATPase) patří do skupiny iontových pump třídy P a byla objevena v roce 1957 dánským vědcem Jensem Skou, když studoval mechanismus působení anestetik na nervy krabů (Carcinus maenas); v roce 1997 získal Nobelovu cenu za chemii.

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

Struktura sodíkové draselné pumpy

Sodná draselná pumpa je enzym, který je z hlediska své kvartérní struktury tvořen 2 alfa (a) a dvěma beta (β) proteinovými podjednotkami.

Jedná se tedy o tetramer typu a2p2, jehož podjednotky jsou integrálními membránovými proteiny, to znamená, že procházejí lipidovou dvojvrstvou a mají intra- i extracytosolické domény.

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

Alfa podjednotky

Podjednotky a jsou ty, které obsahují vazebná místa pro ATP a pro Na + a K + ionty a představují katalytickou složku enzymu a jednu, která vykonává funkci samotné pumpy.

Podjednotky a jsou velké polypeptidy s molekulovou hmotností 120 kDa, 10 transmembránových segmentů a jejich N- a C-terminální konce umístěné na cytosolické straně.

Mají vazebná místa pro ATP a Na + na intracelulární straně a také aspartátový zbytek v poloze 376, který představuje místo, které prochází procesem fosforylace během aktivace pumpou.

Zdá se, že vazebné místo pro K + je na extracelulární straně.

Beta podjednotky

Zdá se, že β podjednotky nemají přímou účast na čerpací funkci, ale v jejich nepřítomnosti k této funkci nedochází.

P-podjednotky mají molekulovou hmotnost přibližně 55 kDa a jsou to glykoproteiny s jedinou transmembránovou doménou, jejíž uhlovodíkové zbytky jsou vloženy do extracelulární oblasti.

Zdá se, že jsou nezbytné v endoplazmatickém retikulu, kde by přispívaly ke správnému složení podjednotek α ​​a poté na úrovni membrány ke stabilizaci komplexu.

Oba typy podjednotek jsou heterogenní a izoformy a1, a2 a a3 byly popsány pro jednu a pro p1, P2 a P3 pro druhou. Α1 se nachází v membránách většiny buněk, zatímco α2 je přítomen ve svalech, srdci, tukové tkáni a mozku a α3 v srdci a mozku.

Izoforma pi má nejrozsáhlejší distribuci, ačkoli v některých tkáních, jako jsou vestibulární buňky vnitřního ucha a rychle reagující glykolytické svalové buňky, chybí. Ty obsahují pouze β2.

Různé struktury podjednotek, které tvoří pumpu Na + / K + v různých tkáních, mohou být způsobeny funkčními specializacemi, které dosud nebyly objasněny.

Funkce draslíkového čerpadla

Plazmatická membrána představuje v každém okamžiku separační hranici mezi kompartmentem odpovídajícím vnitřku buňky a mezerou, která představuje extracelulární tekutinu, do které je ponořena.

Oba oddíly mají složení, které se může kvalitativně lišit, protože uvnitř buněk jsou látky, které se nenacházejí mimo ně, a extracelulární tekutina obsahuje látky, které nejsou přítomny intracelulárně.

Látky, které jsou přítomny v obou kompartmentech, lze nalézt v různých koncentracích a tyto rozdíly mohou mít fyziologický význam. To je případ mnoha iontů.

Údržba homeostázy

Pumpa Na + / K + hraje zásadní roli při udržování intracelulární homeostázy řízením koncentrací sodných a draslíkových iontů. Toto udržování homeostázy je dosaženo díky:

• Transport iontů: zavádí ionty sodíku a vylučuje draselné ionty, což je proces, jehož prostřednictvím také řídí pohyb dalších molekul prostřednictvím jiných transportérů, které závisí buď na elektrickém náboji, nebo na vnitřní koncentraci těchto iontů.
• Řízení objemu buňky: zavedení nebo opuštění iontů také znamená pohyby vody uvnitř buňky, takže čerpadlo se podílí na řízení objemu buňky.
• Generování membránového potenciálu: vytlačení 3 sodných iontů na každé 2 zavedené ionty draslíku způsobí, že membrána zůstane záporně nabitá uvnitř, což vytváří rozdíl v nábojích mezi vnitřkem a vně buňky. Tento rozdíl se nazývá klidový potenciál.

Na + má extracelulární koncentraci asi 142 mEq / l, zatímco jeho intracelulární koncentrace je pouze 12 mEq / L; Na druhé straně je K + koncentrovanější uvnitř buňky (140 mEq / L) než mimo ni (4 mEq / L).

Ačkoli elektrický náboj těchto iontů neumožňuje jejich průchod membránou, existují iontové kanály, které jej umožňují (selektivně), které podporují pohyb, pokud jsou přítomny také síly, které tyto ionty běžně pohybují.

Tyto rozdíly v koncentraci však mají velký význam pro zachování homeostázy organismu a musí být udržovány v takové rovnováze, která, pokud by byla ztracena, by vyvolala důležité organické změny.

Difúze a čerpadlo sodíku draslíku (Zdroj: BruceBlaus. Při použití tohoto obrázku v externích zdrojích lze citovat jako: zaměstnanci Blausen.com (2014). «Lékařská galerie 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) přes Wikimedia Commons)

• Rozdíl v koncentraci Na + mezi vnitřkem a vně buňky vytváří chemický gradient, který tlačí sodík dovnitř a způsobuje, že tento iont neustále vstupuje a má tendenci rozptylovat tento rozdíl, tj. Vyrovnávat koncentrace v obou strany.
• Draselný gradient je udržován v opačném směru, tj. Zevnitř ven, což umožňuje konstantní výstup iontu a jeho vnitřní redukci a vnější nárůst.

Funkce pumpy Na + / K + umožňuje extrakci sodíku, který vstoupil difúzí kanály nebo jinými transportními cestami, a opětovné zavedení draslíku, který se rozptylil, což umožňuje zachování intra a extracelulárních koncentrací těchto ionty.

Mechanismus (proces)

Mechanismus účinku Na + / K + ATPázy sestává z katalytického cyklu, který zahrnuje přenosové reakce fosforylové skupiny (Pi) a konformační změny enzymu, které přecházejí ze stavu El do stavu E2 a naopak.

Operace vyžaduje přítomnost ATP a Na + uvnitř buňky a K + v extracelulární tekutině.

Vazba sodných iontů na transportér

Cyklus začíná ve stavu konformace El enzymu, ve kterém jsou 3 cytosolická místa vázající se na Na + a s vysokou afinitou (Km 0,6 mM), která jsou plně obsazena z důvodu koncentrace intra iontů (12 mM) to umožňuje.

Hydrolýza ATP

V tomto stavu (El) a s Na + navázaným na jeho vazebná místa se ATP váže na své místo v cytosolovém sektoru molekuly, hydrolyzuje a fosfátová skupina je převedena na aspartát 376, čímž se vytvoří vysoce energetický acylfosfát, která vyvolá konformační změnu stavu E2.

Vyhoštění 3 sodných iontů a zavedení 2 iontů draslíku

Konformační změna stavu E2 znamená, že vazebná místa Na + procházejí ven, jejich afinita k iontu se výrazně snižuje a je uvolňována do extracelulární tekutiny, zatímco současně se zvyšuje afinita vazebných míst K +. a tyto ionty jsou připojeny k vnější straně čerpadla.

Během stavu E2 jsou ionty Na + uvolňovány na druhou stranu membrány.

Tento nový stav pumpy zase vytváří afinitu k vazbě iontů K +

Zrušení z E2 na E1

Jakmile je Na + uvolněn a K + je navázán, dojde k hydrolýze aspartylfosfátu a konformační změna ze stavu E2 do stavu El je vrácena s opětovným zavedením prázdných vazebných míst Na + a obsazených K +.

Když nastane tato změna, místa pro Na + znovu získají svou afinitu a místa pro K + ji ztratí, čímž se K + uvolní do buňky.

Důležitost

V udržování buněčné osmolarity

Pumpa Na + / K + je přítomna ve většině, ne-li ve všech savčích buňkách, kde má obecný význam tím, že pomáhá udržovat jejich osmolaritu a tím i jejich objem.

Kontinuální vstup sodných iontů do buňky určuje nárůst intracelulárního počtu osmoticky aktivních částic, který indukuje vstup vody a nárůst objemu, který by nakonec skončil způsobením prasknutí membrány a buněčného kolapsu.

Při tvorbě membránového potenciálu

Protože tato čerpadla zavádějí pouze 2 K + na každé 3 Na +, které odstraňují, chovají se elektrogenicky, což znamená, že „dekompenzují“ vnitřní elektrické náboje, čímž zvýhodňují produkci membránového potenciálu charakteristického pro buňky těla.

Jeho význam je také patrný ve vztahu k buňkám, které tvoří excitabilní tkáně, ve kterých jsou akční potenciály charakterizovány vstupem iontu Na +, který depolarizuje buňku, a výstupem K +, který ji repolarizuje.

Tyto iontové pohyby jsou možné díky provozu čerpadel Na + / K +, které přispívají k výrobě chemických gradientů, které pohybují dotčenými ionty.

Bez těchto čerpadel, která pracují v opačném směru, by se koncentrační gradienty těchto iontů rozptýlily a excitační aktivita by zmizela.

Ve funkci ledvin

Další aspekt, který zdůrazňuje extrémní význam sodíkových a draselných pump, souvisí s funkcí ledvin, což by bez nich nebylo možné.

Funkce ledvin zahrnuje denní filtraci více či méně 180 litrů plazmy a velkého množství látek, z nichž některé musí být vyloučeny, ale mnoho z nich musí být znovu absorbováno, aby se neztratily v moči.

Reabsorpce sodíku, vody a mnoha filtrovaných látek závisí na těchto pumpách, které jsou umístěny v bazolaterální membráně buněk, které tvoří epitel různých tubulárních segmentů ledvinových nefronů.

Epitelové buňky, které lemují renální tubuly, mají jednu stranu, která je v kontaktu s lumen tubulu a nazývá se apikální strana, a druhou, která je v kontaktu s intersticiem kolem tubulu a nazývá se bazolaterální strana.

Voda a látky, které jsou reabsorbovány, musí nejprve projít do buňky přes apikál a poté do interstitia přes bazolaterál.

Reakce Na + je klíčová jak ve vztahu k ní, tak ve vztahu k vodě a jiným látkám, které na ní závisí. Apikální vstup Na + do buňky vyžaduje, aby existoval gradient, který jej pohybuje a který znamená velmi nízkou koncentraci iontu uvnitř buňky.

Tato nízká intracelulární koncentrace Na + je produkována sodíkovými pumpami v bazolaterální membráně, které intenzivně pracují na odstranění iontu z buněk do interstitia.

Reference

1. Ganong WF: Obecná a buněčná základna lékařské fyziologie, v: Review of Medical Physiology, 25. ed. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Transport látek přes buněčnou membránu, v: Učebnice lékařské fyziologie, 13. vydání, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport přes buněčné membrány, In: Molecular and Cell Biology, 4. vyd.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerovy principy biochemie. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Základní buněčná biologie. Věnec věnec.