NATRIUMKALIUMPOMP: STRUCTUUR, FUNCTIE, MECHANISME, BELANG - BIOLOGIE - 2025

De natriumkaliumpomp is een eiwitstructuur die is opgenomen in een bredere reeks moleculen die aanwezig zijn in veel celmembranen en die verantwoordelijk zijn voor het actieve transport van ionen of andere kleine moleculen tegen hun concentratiegradiënten. Ze gebruiken de energie die vrijkomt bij de hydrolyse van ATP en daarom worden ze generiek ATPases genoemd.

De natriumkaliumpomp is een Na + / K + ATPase omdat het de energie vrijgeeft die in het ATP-molecuul zit om natrium van binnen naar buiten de cel te verplaatsen, terwijl kalium wordt ingebracht.

Schematische voorstelling van de natriumkaliumpomp. Exterieur en interieur van de cel. (Bron: Miguelferig, via Wikimedia Commons)

Binnen in de cel is natrium minder geconcentreerd (12 mEq / L) dan buiten (142 mEq / L), terwijl kalium buiten meer geconcentreerd is (4 mEq / L) dan binnen (140 mEq / L).

ATPase-pompen worden ingedeeld in drie grote groepen:

• Type F- en V-ionenpompen : het zijn vrij complexe structuren, ze kunnen bestaan ​​uit 3 verschillende soorten transmembraansubeenheden en tot 5 geassocieerde polypeptiden in het cytosol. Ze functioneren als protontransporters.
• Superfamilie ABC (uit Engels A TP- B inding C assette = ATP bindende cassette) bestaat uit meer dan 100 eiwitten die kan functioneren als transporteurs van ionen, monosacchariden, polysacchariden, polypeptiden en zelfs andere eiwitten.
  
• Ionenpompen van de P-klasse : gevormd door ten minste één katalytische transmembraan alfa-subeenheid met een bindingsplaats voor ATP en een kleine β-subeenheid. Tijdens het transportproces wordt de a-subeenheid gefosforyleerd en vandaar de naam "P".

De natriumkaliumpomp (Na + / K + ATPase) behoort tot de groep ionenpompen van klasse P en werd in 1957 ontdekt door Jens Skou, een Deense onderzoeker, toen hij het werkingsmechanisme van anesthetica op de zenuwen van een krab bestudeerde. (Carcinus maenas); werk waarvoor hij in 1997 de Nobelprijs voor scheikunde ontving.

Kalium-natriumpomp. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein bij fr.wikipediaderivative work: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Structuur van de natriumkaliumpomp

De natriumkaliumpomp is een enzym dat, vanuit het oogpunt van zijn quaternaire structuur, bestaat uit 2 alfa (α) en twee beta (β) type eiwitsubeenheden.

Het is daarom een ​​tetrameer van het type α2β2, waarvan de subeenheden integrale membraaneiwitten zijn, dat wil zeggen dat ze de lipidedubbellaag passeren en zowel intra- als extra-cytosolische domeinen hebben.

Alfa- en bèta-subeenheden van de kaliumpomp. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Alfa-subeenheden

De α-subeenheden bevatten de bindingsplaatsen voor ATP en voor de Na + en K + -ionen en vertegenwoordigen de katalytische component van het enzym en degene die de functie van de pomp zelf uitoefent.

De α-subeenheden zijn grote polypeptiden, met een molecuulgewicht van 120 kDa, 10 transmembraansegmenten en met hun N- en C-uiteinden aan de cytosolische kant.

Aan de intracellulaire kant hebben ze bindingsplaatsen voor ATP en Na +, evenals een aspartaatresidu op positie 376 dat de plaats vertegenwoordigt die het fosforyleringsproces ondergaat tijdens pompactivering.

De bindingsplaats voor K + lijkt aan de extracellulaire kant te zijn.

Beta-subeenheden

De β-subeenheden lijken geen directe deelname aan de pompfunctie te hebben, maar bij hun afwezigheid treedt deze functie niet op.

De β-subeenheden hebben elk een molecuulgewicht van ongeveer 55 kDa en zijn glycoproteïnen met een enkel transmembraandomein waarvan de koolhydraatresiduen in het extracellulaire gebied zijn geïnsereerd.

Ze lijken nodig te zijn in het endoplasmatisch reticulum, waar ze zouden bijdragen aan de juiste vouwing van de α-subeenheden en vervolgens, op membraanniveau, om het complex te stabiliseren.

Beide typen subeenheden zijn heterogeen en α1, α2 en α3 isovormen zijn beschreven voor de ene, en β1, β2 en β3 voor de andere. Α1 wordt aangetroffen in de membranen van de meeste cellen, terwijl α2 aanwezig is in spieren, hart, vetweefsel en hersenen, en α3 in het hart en de hersenen.

De β1-isovorm heeft de meest diffuse distributie, hoewel deze afwezig is in sommige weefsels, zoals de vestibulaire cellen van het binnenoor en de snel reagerende glycolytische spiercellen. De laatste bevatten alleen β2.

De verschillende structuren van de subeenheden waaruit de Na + / K + -pomp in de verschillende weefsels bestaat, kunnen te wijten zijn aan functionele specialisaties die nog niet zijn opgehelderd.

Kaliumpompfunctie

Voor elk moment vormt het plasmamembraan een scheidingsgrens tussen het compartiment dat overeenkomt met het inwendige van een cel en dat wat de extracellulaire vloeistof vertegenwoordigt waarin het is ondergedompeld.

Beide compartimenten hebben een samenstelling die kwalitatief kan verschillen, aangezien er stoffen in cellen zitten die daarbuiten niet worden aangetroffen en de extracellulaire vloeistof stoffen bevat die niet intracellulair aanwezig zijn.

Stoffen die in beide compartimenten aanwezig zijn, komen in verschillende concentraties voor, en deze verschillen kunnen fysiologische betekenis hebben. Dat is het geval met veel ionen.

Onderhoud van homeostase

De Na + / K + -pomp speelt een fundamentele rol bij het in stand houden van intracellulaire homeostase door de concentratie van natrium- en kaliumionen te regelen. Dit onderhoud van homeostase wordt bereikt dankzij:

• Ionentransport : introduceert natriumionen en verdrijft kaliumionen, een proces waardoor het ook de beweging van andere moleculen door andere transporteurs aandrijft die afhankelijk zijn van de elektrische lading of de interne concentratie van deze ionen.
• Controle van celvolume : de introductie of uitgang van ionen impliceert ook bewegingen van water in de cel, zodat de pomp deelneemt aan de controle van het celvolume.
• Opwekking van membraanpotentiaal : de uitdrijving van 3 natriumionen voor elke 2 ingevoerde kaliumionen zorgt ervoor dat het membraan aan de binnenkant negatief geladen blijft, wat een verschil in ladingen genereert tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel. Dit verschil staat bekend als het rustpotentieel.

Na + heeft een extracellulaire concentratie van ongeveer 142 mEq / L, terwijl de intracellulaire concentratie slechts 12 mEq / L is; K + is daarentegen meer geconcentreerd in de cel (140 mEq / L) dan daarbuiten (4 mEq / L).

Hoewel de elektrische lading van deze ionen hun doorgang door het membraan niet toelaat, zijn er ionenkanalen die dit wel (selectief) toestaan, die beweging bevorderen als de krachten die deze ionen normaal verplaatsen ook aanwezig zijn.

Deze concentratieverschillen zijn echter van groot belang voor het behoud van de homeostase van het organisme en moeten in een soort evenwicht worden gehouden dat, indien verloren, belangrijke organische veranderingen zou veroorzaken.

Natriumkaliumdiffusie en pomp (Bron: BruceBlaus. Bij gebruik van deze afbeelding in externe bronnen kan worden geciteerd als: Blausen.com personeel (2014). «Medische galerij van Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436.Derivative door Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) via Wikimedia Commons)

• Het verschil in concentratie voor Na + tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel creëert een chemische gradiënt die natrium naar binnen duwt en ervoor zorgt dat dit ion constant binnenkomt en de neiging heeft om dat verschil te verdrijven, dat wil zeggen om de concentraties in beide gelijk te maken. zijkanten.
• De kaliumgradiënt wordt in de tegenovergestelde richting gehandhaafd, dat wil zeggen van binnen naar buiten, waardoor de constante uitgang van het ion en zijn interne reductie en externe toename mogelijk wordt.

De functie van de Na + / K + -pomp maakt de extractie mogelijk van natrium dat is binnengekomen door diffusie via kanalen of andere transportroutes en de herintroductie van kalium dat is gediffundeerd, waardoor de intra- en extracellulaire concentraties hiervan kunnen worden behouden ionen.

Mechanisme (proces)

Het werkingsmechanisme van het Na + / K + ATPase bestaat uit een katalytische cyclus die overdrachtsreacties van een fosforylgroep (Pi) en conformatieveranderingen van het enzym omvat die van een E1-toestand naar een E2-toestand gaan en vice versa.

De operatie vereist de aanwezigheid van ATP en Na + in de cel en K + in de extracellulaire vloeistof.

Binding van natriumionen aan de transporteur

De cyclus begint in de E1-conformatie-toestand van het enzym, waarin er 3 cytosolische plaatsen zijn van binding aan Na + en met een hoge affiniteit (Km van 0,6 mM) die volledig bezet zijn omdat de intra-ionconcentratie ( 12 mM) laat het toe.

ATP-hydrolyse

In deze toestand (E1) en met Na + gehecht aan zijn bindingsplaatsen, bindt ATP aan zijn plaats in de cytosolische sector van het molecuul, hydrolyseert en wordt een fosfaatgroep overgebracht naar aspartaat 376, waardoor een hoogenergetisch acylfosfaat wordt gevormd dat induceert een conformationele verandering in de E2-toestand.

Uitdrijving van 3 natriumionen en introductie van 2 kaliumionen

De conformationele verandering naar de E2-toestand houdt in dat de Na + -bindingsplaatsen naar buiten gaan, hun affiniteit voor het ion sterk afneemt en het wordt vrijgegeven in de extracellulaire vloeistof, terwijl tegelijkertijd de affiniteit van de K + -bindingsplaatsen toeneemt. en deze ionen zijn aan de buitenkant van de pomp bevestigd.

Tijdens de E2-toestand komen Na + -ionen vrij aan de andere kant van het membraan.

Deze nieuwe toestand van de pomp genereert op zijn beurt affiniteit voor de binding van K + -ionen

Omkering van E2 naar E1

Zodra de Na + is vrijgegeven en de K + is gebonden, vindt de hydrolyse van aspartylfosfaat plaats en wordt de conformatieverandering van de E2-toestand naar de E1-toestand teruggedraaid, met de herintroductie van de lege Na + -bindingsplaatsen en die van bezet K +.

Wanneer deze verandering optreedt, krijgen de Na + -sites hun affiniteit terug en verliezen de K + -sites deze, waarmee de K + in de cel vrijkomt.

Belang

Bij het in stand houden van cellulaire osmolariteit

De Na + / K + -pomp is aanwezig in de meeste, zo niet alle, zoogdiercellen, waar deze van algemeen belang is door te helpen hun osmolariteit en dus hun volume te behouden.

Het continu binnendringen van natriumionen in de cel bepaalt een toename van het intracellulaire aantal osmotisch actieve deeltjes, wat het binnendringen van water en de toename in volume induceert die uiteindelijk zou leiden tot het scheuren van het membraan en het instorten van de cel.

Bij de vorming van het membraanpotentiaal

Aangezien deze pompen slechts 2 K + introduceren voor elke 3 Na + die ze verwijderen, gedragen ze zich elektrogeen, wat betekent dat ze interne elektrische ladingen "decompenseren", waardoor de productie van de membraanpotentiaal die kenmerkend is voor lichaamscellen wordt bevorderd.

Het belang ervan is ook duidelijk met betrekking tot de cellen die prikkelbare weefsels vormen, waarin de actiepotentialen worden gekenmerkt door het binnenkomen van het Na + -ion, dat de cel depolariseert, en het verlaten van K +, dat het herpolariseert.

Deze ionische bewegingen zijn mogelijk dankzij de werking van de Na + / K + -pompen, die bijdragen tot de productie van de chemische gradiënten die de betrokken ionen verplaatsen.

Zonder deze pompen, die in tegengestelde richting werken, zouden de concentratiegradiënten van deze ionen verdwijnen en zou de prikkelende activiteit verdwijnen.

In nierfunctie

Een ander aspect dat het extreme belang van natrium-kaliumpompen benadrukt, houdt verband met de nierfunctie, wat zonder hen onmogelijk zou zijn.

De nierfunctie omvat de dagelijkse filtratie van ongeveer 180 liter plasma en grote hoeveelheden stoffen, waarvan sommige moeten worden uitgescheiden, maar veel moeten worden geresorbeerd zodat ze niet in de urine verloren gaan.

De reabsorptie van natrium, water en veel van de gefilterde stoffen hangt af van deze pompen, die zich bevinden in het basolaterale membraan van de cellen die het epitheel van de verschillende buisvormige segmenten van de niernefronen vormen.

De epitheelcellen langs de niertubuli hebben één zijde die in contact staat met het lumen van de tubulus en wordt de apicale zijde genoemd, en een andere die in contact is met het interstitium rond de tubulus en de basolaterale zijde wordt genoemd.

Water en opnieuw geabsorbeerde stoffen moeten eerst via de apicale in de cel komen en vervolgens via het basolaterale in het interstitium.

De reabsorptie van Na + is de sleutel, zowel in relatie tot, als in relatie tot die van water en die van andere stoffen die ervan afhankelijk zijn. De apicale intrede van Na + in de cel vereist dat er een gradiënt is die het beweegt en dat impliceert een zeer lage concentratie van het ion in de cel.

Deze lage intracellulaire concentratie van Na + wordt geproduceerd door de natriumpompen in het basolaterale membraan die intensief werken om het ion uit de cellen naar het interstitium te verwijderen.

Referenties

1. Ganong WF: The General & Cellular Basis of Medical Physiology, in: Review of Medical Physiology, 25e druk. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Substance Transport Across the Cell Membrane, in: Textbook of Medical Physiology, 13e editie, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport door de cellenmembranen, In: Molecular and Cell Biology, 4e druk.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL en Cox, MM (2008). Lehninger principes van biochemie. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Essentiële celbiologie. Garland Science.