POMPĂ DE SODIU POTASIU: STRUCTURĂ, FUNCȚIE, MECANISM, IMPORTANȚĂ - BIOLOGIE - 2025

Pompa de sodiu și potasiu este o structură de proteină inclusă într - un set mai larg de molecule prezente în multe membrane celulare și care sunt responsabile pentru transportul activ al ionilor sau a altor molecule mici impotriva gradienti lor de concentrare. Ei folosesc energia eliberată prin hidroliza ATP și de aceea sunt numite generic ATPaze.

Pompa de potasiu de sodiu este o ATPază Na + / K +, deoarece eliberează energia conținută în molecula de ATP pentru a muta sodiul din interiorul către exteriorul celulei, introducând în același timp potasiu.

Schema pompei de sodiu potasiu. Exteriorul și interiorul celulei. (Sursa: Miguelferig, prin Wikimedia Commons)

În interiorul celulei, sodiul este mai puțin concentrat (12 mEq / L) decât în ​​exterior (142 mEq / L), în timp ce potasiul este mai concentrat în exterior (4 mEq / L) decât în ​​interior (140 mEq / L).

Pompele ATPase sunt clasificate în trei grupe mari:

• Pompe cu ioni de tip F și V : sunt structuri destul de complexe, pot fi formate din 3 tipuri diferite de subunități transmembranare și până la 5 polipeptide asociate în citosol. Funcționează ca transportori de protoni.
• Superfamilia ABC ( A TP- B această constatare C cu dimensiunea = casetă de legare a ATP): formată din mai mult de 100 de proteine care functia poate ca transportori de ioni, monozaharide, polizaharide, polipeptide și chiar și alte proteine.
  
• Bombele ionice din clasa P : formate din cel puțin o subunitate alfa transmembrană catalitică care are un loc de legare pentru ATP și o subunitate β minoră. În timpul procesului de transport, subunitatea α este fosforilată și de aici denumirea sa "P".

Pompa de potasiu de sodiu (Na + / K + ATPază) aparține grupului de pompe ionice din clasa P și a fost descoperită în 1957 de Jens Skou, un cercetător danez, când studia mecanismul de acțiune al anestezicelor pe nervii unui crab (Carcinus maenas); lucrare pentru care a fost distins cu Premiul Nobel pentru chimie în 1997.

Pompă de sodiu potasiu. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein la fr.wikipediaderivative lucrare: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Structura pompei de sodiu potasiu

Pompa de sodiu potasiu este o enzimă care, din punct de vedere al structurii sale cuaternare, este alcătuită din 2 subunități proteice de tip alfa (α) și două subunități proteice beta (β).

Prin urmare, este un tetramer de tip α2β2, ale cărui subunități sunt proteine ​​integrale ale membranei, adică traversează stratul lipidic și au atât domenii intra și extratosolice.

Subunitățile alfa și beta ale pompei de potasiu. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Subunități alfa

Subunitățile α sunt cele care conțin situsurile de legare pentru ATP și pentru ionii Na + și K + și reprezintă componenta catalitică a enzimei și cea care exercită funcția pompei în sine.

Subunitățile α sunt polipeptide mari, cu o greutate moleculară de 120 kDa, 10 segmente transmembranare și cu extremitățile lor N și C situate pe partea citosolică.

Au situri de legare pentru ATP și Na + pe partea intracelulară, precum și un reziduu de aspartat la poziția 376 care reprezintă locul care suferă procesul de fosforilare în timpul activării pompei.

Situsul de legare pentru K + pare să fie pe partea extracelulară.

Subunități beta

Subunitățile β nu par să aibă o participare directă la funcția de pompare, dar în absența lor această funcție nu are loc.

Subunitățile β au o greutate moleculară de aproximativ 55 kDa fiecare și sunt glicoproteine ​​cu un singur domeniu transmembran al cărui reziduuri de carbohidrați sunt inserate în regiunea extracelulară.

Par a fi necesare în reticulul endoplasmatic, unde ar contribui la plierea corespunzătoare a subunităților α, iar apoi, la nivelul membranei, la stabilizarea complexului.

Ambele tipuri de subunități sunt eterogene și izoformele α1, α2 și α3 au fost descrise pentru una, iar β1, β2 și β3 pentru cealaltă. Α1 se găsește în membranele majorității celulelor, în timp ce α2 este prezent în mușchi, inimă, țesut adipos și creier și α3 în inimă și creier.

Izoforma β1 are cea mai difuză distribuție, deși este absentă în unele țesuturi, cum ar fi celulele vestibulare ale urechii interne și celulele musculare glicolitice cu răspuns rapid. Acestea din urmă conțin doar β2.

Diferitele structuri ale subunităților care alcătuiesc pompa Na + / K + din diferite țesuturi se pot datora unor specializări funcționale care nu au fost încă elucidate.

Funcția pompei de potasiu

Pentru orice moment considerat, membrana plasmatică constituie o graniță de separare între compartimentul corespunzător interiorului unei celule și cel care reprezintă fluidul extracelular în care este imersată.

Ambele compartimente au o compoziție care poate fi diferită calitativ, deoarece există substanțe în interiorul celulelor care nu se găsesc în afara lor și lichidul extracelular conține substanțe care nu sunt prezente intracelular.

Substanțele care sunt prezente în ambele compartimente pot fi găsite în concentrații diferite, iar aceste diferențe pot avea o semnificație fiziologică. Acesta este cazul multor ioni.

Întreținerea homeostaziei

Pompa Na + / K + joacă un rol fundamental în menținerea homeostazei intracelulare prin controlul concentrațiilor ionilor de sodiu și potasiu. Această întreținere a homeostaziei se realizează datorită:

• Transportul de ioni: introduce ioni de sodiu și evacuează ioni de potasiu, un proces prin care conduce, de asemenea, mișcarea altor molecule prin intermediul altor transportori care depind fie de sarcina electrică, fie de concentrația internă a acestor ioni.
• Controlul volumului celulei : introducerea sau ieșirea ionilor implică, de asemenea, mișcări de apă în interiorul celulei, astfel încât pompa participă la controlul volumului celulei.
• Generarea potențialului membranei : expulzarea a 3 ioni de sodiu pentru fiecare 2 ioni de potasiu introduși face ca membrana să rămână încărcată negativ pe interior, ceea ce generează o diferență de încărcare între interior și exteriorul celulei. Această diferență este cunoscută sub numele de potențial de odihnă.

Na + are o concentrație extracelulară de aproximativ 142 mEq / L, în timp ce concentrația sa intracelulară este de numai 12 mEq / L; Pe de altă parte, K + este mai concentrat în interiorul celulei (140 mEq / L) decât în ​​afara ei (4 mEq / L).

Deși încărcarea electrică a acestor ioni nu permite trecerea lor prin membrană, există canale ionice care o permit (selectiv), care promovează mișcarea dacă sunt prezente și forțele care obișnuiesc să miște acești ioni.

Cu toate acestea, aceste diferențe de concentrare sunt de o importanță deosebită în conservarea homeostazei organismului și trebuie menținute într-un fel de echilibru care, dacă se pierde, ar produce modificări organice importante.

Difuzie și pompă de potasiu de sodiu (Sursa: BruceBlaus. Când utilizați această imagine în surse externe, poate fi citat ca: personalul Blausen.com (2014). „Medical gallery of Blausen Medical 2014”. WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436.Derivativ de Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) prin Wikimedia Commons)

• Diferența de concentrație pentru Na + între interiorul și exteriorul celulei creează un gradient chimic care împinge sodiul spre interior și determină ca acest ion să intre constant și să tinde să disipeze acea diferență, adică să egaleze concentrațiile în ambele părți.
• Gradientul de potasiu este menținut în direcția opusă, adică din interior spre exterior, permițând ieșirea constantă a ionului și reducerea internă și creșterea externă.

Funcția pompei Na + / K + permite extracția de sodiu care a intrat prin difuzie prin canale sau alte căi de transport și reintroducerea de potasiu care s-a difuzat, permițând conservarea concentrațiilor intra și extracelulare ale acestora ioni.

Mecanism (proces)

Mecanismul de acțiune al ATPazei Na + / K + constă dintr-un ciclu catalitic care implică reacții de transfer ale unei grupe fosforil (Pi) și modificări conformaționale ale enzimei care trec de la o stare E1 la o stare E2 și invers.

Operația necesită prezența ATP și Na + în interiorul celulei și K + în lichidul extracelular.

Legarea ionilor de sodiu la transportor

Ciclul începe în starea de conformare a E1 a enzimei, în care există 3 situsuri citosolice de legare la Na + și de afinitate ridicată (Km de 0,6 mM) care sunt complet ocupate deoarece concentrația intra ionică ( 12 mM) permite.

Hidroliză ATP

În această stare (E1) și cu Na + atașat la siturile sale de legare, ATP se leagă de situsul său în sectorul citosolic al moleculei, hidrolizele și o grupare fosfat sunt transferate la aspartatul 376, formând un acilfosfat de mare energie care induce o schimbare conformațională la starea E2.

Expulzarea a 3 ioni de sodiu și introducerea a 2 ioni de potasiu

Modificarea conformațională la starea E2 implică faptul că siturile de legare Na + trec la exterior, afinitatea lor pentru ion scade foarte mult și este eliberată în fluidul extracelular, în timp ce afinitatea site-urilor de legare K + crește. iar acești ioni sunt atașați la exteriorul pompei.

În timpul stării E2, ionii Na + sunt eliberați în cealaltă parte a membranei.

La rândul său, această nouă stare a pompei generează afinitate pentru legarea ionilor K +

Reversarea de la E2 la E1

Odată eliberat Na + și K + legat, are loc hidroliza fosfatului de aspartil și schimbarea conformației de la starea E2 la starea E1, cu reintroducerea siturilor de legătură Na + goale și a celor K + ocupate.

Când apare această schimbare, site-urile pentru Na + își recapătă afinitatea, iar cele pentru K + o pierd, cu care K + este eliberat în celulă.

Importanţă

În menținerea osmolarității celulare

Pompa Na + / K + este prezentă în majoritatea celulelor de mamifere, dacă nu toate, unde este de o importanță generală, ajutând la menținerea osmolarității lor și, prin urmare, la volumul lor.

Intrarea continuă a ionilor de sodiu în celulă determină o creștere a numărului intracelular de particule osmotice active, ceea ce induce intrarea apei și creșterea volumului care s-ar sfârși provocând ruperea membranei și colapsul celulei.

În formarea potențialului membranei

Deoarece aceste pompe introduc doar 2 K + pentru fiecare 3 Na + pe care le elimină, ele se comportă electrogenic, ceea ce înseamnă că „decompensează” sarcinile electrice interne, favorizând producerea potențialului de membrană caracteristic celulelor corpului.

Importanța sa este evidentă și în raport cu celulele care alcătuiesc țesuturi excitabile, în care potențialele de acțiune sunt caracterizate prin intrarea ionului Na +, care depolarizează celula, și ieșirea lui K +, care o repolarizează.

Aceste mișcări ionice sunt posibile datorită funcționării pompelor Na + / K +, care contribuie la producerea gradienților chimici care mișcă ionii implicați.

Fără aceste pompe, care funcționează în sens invers, gradienții de concentrație ai acestor ioni s-ar disipa și activitatea excitativă ar dispărea.

În funcția renală

Un alt aspect care evidențiază importanța extremă a pompelor de sodiu-potasiu este legat de funcția renală, ceea ce ar fi imposibil fără ele.

Funcția rinichilor presupune filtrarea zilnică a mai mult sau mai puțin de 180 de litri de plasmă și a unor cantități mari de substanțe, dintre care unele trebuie excretate, dar multe trebuie reabsorbite pentru a nu se pierde în urină.

Reabsorbția de sodiu, apă și multe dintre substanțele filtrate depinde de aceste pompe, care sunt situate în membrana bazolaterală a celulelor care alcătuiesc epiteliile diferitelor segmente tubulare ale nefronilor renali.

Celulele epiteliale care aliniază tubulii renali au o parte care este în contact cu lumenul tubului și se numește latura apicală și o alta care este în contact cu interstitiul din jurul tubului și numită parte bazolaterală.

Apa și substanțele care sunt reabsorbite trebuie să treacă mai întâi în celulă prin apical și apoi în interstițiu prin bazolateral.

Reabsorbția de Na + este esențială atât în ​​raport cu aceasta, cât și în raport cu cea a apei și cu cea a altor substanțe care depind de ea. Intrarea apicală de Na + în celulă necesită să existe un gradient care să-l miște și să implice o concentrație foarte mică a ionului din interiorul celulei.

Această concentrație intracelulară scăzută de Na + este produsă de pompele de sodiu din membrana bazolaterală care lucrează intens pentru a îndepărta ionul din celule în intersticiu.

Referințe

1. Ganong WF: Bazele generale și celulare ale fiziologiei medicale, în: Review of Physiology Medical, 25 ed. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Transportul substanțelor pe membrana celulară, în: manual de fiziologie medicală, ediția a 13-a, AC Guyton, sala James (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transportul între membranele celulelor, În: Biologie moleculară și celulară, ediția a IV-a.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Principiile biochimiei Lehninger. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … și Walter, P. (2013). Biologia celulară esențială. Garland Science.