Натриево-калиева помпа: функция, функции и значение

Натриево-калиевата помпа е активен клетъчен транспортен механизъм, който премества натриевите йони (Na +) от вътрешността на клетката навън, а калиевият йон (K +) в обратна посока. Помпата е отговорна за поддържането на градиентите на концентрация, характерни за двата йона.

Този йонен транспорт се осъществява срещу нормални градиенти на концентрация, защото когато йонът е много концентриран в клетката, той има тенденция да го остави да съответства на концентрациите отвън. Помпата с калиев натрий нарушава този принцип и за тази цел се изисква енергия под формата на АТФ.

Всъщност, тази помпа е примерен пример за активен клетъчен транспорт. Помпата се формира от комплекс от ензимна природа, който извършва движенията на йони вътре и извън клетката. Той присъства във всички мембрани на животински клетки, въпреки че е по-обилен в някои видове, като неврони и мускулни клетки.

Натриевите и калиевите йони са от решаващо значение за различни биологични функции, като поддържането и регулирането на клетъчния обем, предаването на нервните импулси, генерирането на мускулни контракции, наред с други.

операция

Основни принципи на клетъчния транспорт

Преди да се проучи в дълбочина работата на натриево-калиевата помпа, е необходимо да се разберат и определят термините, които се използват най-често по отношение на клетъчния транспорт.

Клетките са в постоянен обмен на материали с тяхната външна среда. Това движение става благодарение на наличието на полупропускливи липидни мембрани, които позволяват на молекулите да влизат и излизат при удобството на клетката; мембраните са силно селективни единици.

Биомембраните не са съставени единствено от липиди; те също имат серия от протеини, свързани с тях, които могат да ги пресекат или да се закотвят за тях по други пътища.

Като се има предвид неполярното поведение на вътрешността на мембраните, навлизането на полярните вещества е компрометирано. Въпреки това, изместването на полярните молекули е необходимо, за да се съобразят с различни процеси; следователно клетката трябва да има механизми, които позволяват преминаването на тези полярни молекули.

Преминаването на молекули през мембраните може да се обясни с физични принципи. Дифузията е случайното движение на молекули от области с висока концентрация в райони, където концентрацията е по-ниска.

По същия начин, движението на водата посредством полупропускливи мембрани се обяснява с осмоза, процес, при който водният поток ще се случи там, където има по-висока концентрация на разтворените вещества.

Активен и пасивен транспорт

В зависимост от употребата или не на енергията, транспортирането през мембраните се класифицира като пасивно и активно.

Когато едно вещество се транспортира пасивно, то го прави само в полза на градиентите на концентрация, следвайки принципа на проста дифузия.

Той може да го направи през мембраната, през водни канали или чрез транспортираща молекула, която улеснява процеса. Ролята на транспортерната молекула е да "маскира" полярна субстанция, така че тя да може да премине през мембраната.

Настъпва момент, в който разтворените вещества приравняват концентрациите си от двете страни на мембраната и потокът спира. Ако искате да преместите молекулата във всяка посока, ще трябва да инжектирате енергия в системата.

В случай на заредени молекули, градиентът на концентрация и електрическият градиент трябва да бъдат взети под внимание.

Клетката инвестира много енергия, за да поддържа тези градиенти далеч от равновесието, благодарение на наличието на активен транспорт, който използва АТФ, за да премести частица в области с висока концентрация.

Характеристики на натриева калиева помпа

В клетките концентрацията на калий е около 10 до 20 пъти по-висока в сравнение с външната страна на клетките. По същия начин, концентрацията на натриеви йони е много по-висока извън клетката.

Механизмът, отговорен за поддържането на тези концентрационни градиенти, е натриевата калиева помпа, образувана от ензим, закрепен към плазмената мембрана в животински клетки.

Той е от типа на антипорта, тъй като обменя един вид молекула от едната страна на мембраната за друга. Транспортирането на натрий става навън, докато транспортирането на калий се наблюдава във вътрешността.

Що се отнася до съотношенията, помпата изисква задължителния обмен на два калиеви йона отвън с три натриеви йона от вътрешността на клетката. Когато има недостиг на калиеви йони, обменът на натриеви йони, който обикновено се случва, не може да се извърши.

Как работи натриевата калиева помпа?

Първоначалната стъпка е фиксирането на трите натриеви йона в АТФазния протеин. Настъпва разграждането на АТР в ADP и фосфата; фосфатът, освободен при тази реакция, е свързан с протеина, предизвиквайки конформационна промяна в транспортните канали.

Стъпката е известна като фосфорилиране на протеина. При тези модификации натриевите йони се изхвърлят навън от клетката. Впоследствие се осъществява обединението на двата калиеви йона, идващи отвън.

В протеина фосфатните групи са несвързани (протеинът се дефосфорилира) и протеинът се връща към първоначалната си структура. На този етап калиевите йони могат да влязат.

ATPase

Структурно "помпата" е ензим от АТФазния тип, който има свързващи места за натриеви йони и АТР на повърхността, която е изправена пред цитоплазмата, и в частта, която е изправена пред външната част на клетката, са местата на свързване за калий.

В клетките на бозайници обменът на цитоплазмени Na ​​+ йони с извънклетъчни K + йони се медиира от ензим, закотвен за мембраната, наречен ATPase. Обмяната на йони се превръща в мембранния потенциал.

Този ензим се състои от два мембранни полипептида с две субединици: алфа 112 kD и бета 35 kD.

Йонни помпи, регенични и електрогенни

Тъй като движението на йони през мембраните е неравномерно (два калиеви йона за три натриеви йона), нетното движение към външната страна включва положителен заряд на цикъл на изпомпване.

Тези помпи се наричат ​​реогенни, тъй като включват мрежово движение на зарядите и произвеждат трансмембранни електрически токове. В случая, когато токът генерира ефект върху мембранното напрежение, помпата се нарича електрогенна.

Скорост на помпата

При условия на нормалност количеството натриеви йони, изпомпвани към външната клетка, е равно на броя на йони, влизащи в клетката, така че нетният поток на движение е равен на нула.

Количеството йони, които съществуват извън и вътре в клетката, се определя от два фактора: скоростта, с която се осъществява активният транспорт на натрия и скоростта, с която тя влиза отново в процеса на дифузия.

Логично, скоростта на влизане чрез дифузия определя скоростта, необходима на помпата, за да се поддържа необходимата концентрация в интра- и извънклетъчната среда. Когато концентрацията се увеличи, помпата увеличава скоростта си.

Транспортна кинетика

Активен транспорт показва кинетиката на Michaelis-Menten, характерна за значителен брой ензими. По същия начин, той се инхибира от аналогични молекули.

Функции и значение

Контрол на обема на клетките

Натриевата калиева помпа е отговорна за поддържането на оптимален клетъчен обем. Тази система подпомага излизането на натриеви йони; следователно извънклетъчната среда придобива положителни заряди. Благодарение на привличането на заряди, йони се натрупват с отрицателни заряди, като хлорни или бикарбонатни йони.

В този момент извънклетъчната течност има значително количество йони, които генерират движението на водата от вътрешността на клетките навън - чрез осмоза - за разреждане на тези разтворени вещества.

Потенциал на мембраната в покой

Натриевата калиева помпа е известна с ролята си в нервния импулс. Нервните клетки, наречени неврони, са електрически активни и специализирани за импулсен транспорт. В невроните може да се говори за "мембранния потенциал".

Мембранният потенциал възниква, когато има неравенство на йонната концентрация от двете страни на мембраната. Тъй като вътрешността на клетката има големи количества калий, а външната страна е богата на натрий, този потенциал съществува.

Мембранният потенциал може да бъде разграничен, когато клетката е в покой (няма активни или постсинаптични събития), както и потенциала на действие.

Когато клетката е в покой, се установява потенциал от -90 mV и тази стойност се поддържа главно от натриевата калиева помпа. В по-голямата част от изследваните клетки потенциалите за почивка са в интервала между -20 mV и -100 mV.

Нервни импулси

Нервният импулс води до отваряне на натриеви канали, създава дисбаланс в мембраната и се казва, че е "деполяризиран". Тъй като има положителен заряд, на вътрешната страна на мембраната се появява обрат на заряда.

Когато наложените краища се появят, отварянето на калиевите канали става за попълване на зарежданията в клетката. По това време помпата на калиевия натрий поддържа концентрацията на споменатите йони постоянна.

инхибитори

Калиево-натриевата помпа може да бъде инхибирана от сърдечния гликозид ouabine. Когато това съединение достигне повърхността на клетката, то се конкурира за местата на свързване на йони. Той се инхибира и от други гликозиди като дигоксин.