Какую природу имеет натрий калиевый насос егэ

Существует несколько видов активного транспорта веществ через плазмалемму — против градиента концентрации, с энергетическими затратами: натрий-калиевый насос, эндоцитоз, экзоцитоз.

Натрий-калиевый насос — пример активного транспорта веществ через мембрану. При этом на каждые три катиона Na+, покинувших клетку, внутрь проникают два катиона К+ против градиента концентрации. Этот процесс сопровождается накоплением на мембране клетки разности электрических потенциалов. Одновременно расщепляется АТФ.

Долгое время молекулярная природа натрий-калиевого насоса исследователям не открывалась. Но наконец выяснилось, что он обусловлен работой фермента, который расщепляет АТФ, — натрий-калий-зависимой АТФ-азой. Этот фермент находится в мембранах и «пробуждается» при возрастании концентрации либо ионов натрия в клетке, либо ионов калия в клеточном окружении.

Принцип работы натрий-калиевого насоса можно сравнить с перистальтическим насосом, работа которого основана на попеременном сжатии и расслаблении эластичных труб (так, например, пищевой ком продвигается по пищеводу).

Перекачивание натрия и калия — дело сложное, на него животная клетка тратит более 30 процентов всех молекул АТФ. От разности потенциалов по обе стороны клеточной мембраны зависит правильная работы самой клетки и организма в целом.

Эндоцитоз

Большие молекулы биополимеров проникают внутрь клетки в ходе эндоцитоза. Эндоцитоз принято разделять на фагоцитоз и пиноцитоз, процессы, связанные с активным функционированием и подвижностью плазмалеммы.

Фагоцитоз — это захватывание и поглощение животной клеткой крупных частиц вещества, нередко даже частей других клеток и их самих полностью. Явление это первым исследовал и описал русский ученый Илья Мечников в 1883 году. Фагоцитоз встречается повсеместно, он выполняет важнейшую роль во внутриклеточном пищеварении у простейших и низших беспозвоночных и не характерен для грибов, растений, бактерий в связи с препятствующей клеточной стенкой.

У животных и человека фагоцитозу отведена защитная роль. Фагоцитарная работа лейкоцитов чрезвычайно важна для защиты организма от проникающих в него патогенных микробов и прочих вредных частиц.

Пиноцитоз — процесс захвата и поглощения мелких капель жидкости, в которой растворены различные вещества. В целом фагоцитоз и пиноцитоз происходят весьма похоже, их отличает только различие в составе и объеме поглощаемых веществ. Одинаковое для них то, что «проглоченные» вещества на поверхности клетки быстро окружаются мембраной, образуется фагоцитозный (фагосома) или пиноцитозный пузырек, который затем продвигается внутрь клетки. В итоге с фагоцитозным пузырьком сольется первичная лизосома — и возникнет вторичная лизосома (пищеварительная вакуоль), в которой идет внутриклеточное пищеварение. Пиноцитоза также нет у растений, бактерий и грибов.

Экзоцитоз

При экзоцитозе с затратой АТФ идет секреция белков, гормонов, пищеварительных соков, полисахаридов, жировых капель и прочих веществ.

Рецепторная функция мембраны

В нормальной жизнедеятельности клетки важнейшую роль выполняет рецепторная функция мембраны. Локализованные на клеточной мембране сложные белки, гликопротеиды — материальная основа рецепторного центра. Функция гликопротеидов — распознавание и анализ разнообразных химических и физических факторов (иначе говоря, сигнальная функция), связывание сходных клеток в ткани.

После того как гормон связывается со строго определенным рецептором-гликопротеидом, осуществляется клеточный ответ. Каким может быть ответ? Откроются каналы поступления различных веществ в клетку. Рецепторы могут принимать и передавать сигналы внутрь клетки.

Как гормоны передают сигналы клеткам? Рассмотрим механизм передачи сигнала гормоном инсулином.

Принципы функционирования аденилатциклазной системы:

1.      Связь инсулина с рецептором-гликопротеидом. Он пронизывает клеточную мембрану так, что на поверхности находится рецепторная часть гликопротеида.

2.      Активация фермента аденилатциклазы. Фермент является внутриклеточными катализатором.

3.      Синтез под влиянием этого фермента из АТФ цАМФ — циклической аденозинмонофосфорной кислоты. Кислота регулирует скорость процессов в клетке — активирует, либо подавляет различные клеточные ферменты. цАМФ взаимодействует с ферментами протеинкиназами, влияющими на работу клетки.

4.      Десятикратное усиление ответной реакции клетки на сигнал гормона. В данном случае цАМФ активировала ферменты, усиливающие ответную реакцию клетки на инсулин.

5.      Увеличение проницаемости мембраны для глюкозы, распад гликогена для высвобождения новой глюкозы, синтез липидов на основе энергии расщепленной глюкозы. Так инсулин способствует сжиганию глюкозы.

Содержание

• Что такое натриево-калиевый насос?
• Как его структура?
• 1. Альфа-субъединицы
• 2. Бета-субъединицы
• Функция натрий-калиевого насоса
• 1. Ионный транспорт
• 2. Регулятор объема ячейки
• 3. Создание мембранного потенциала.
• Механизм действия
• Важность натрий-калиевого насоса
• Функция почек

Активный транспорт — это процесс, необходимый для перекачки противоградиентных молекул, как электрических, так и концентрационных.

Чтобы иметь возможность вытеснять ионы натрия и калия таким образом, необходимо натрий-калиевый насос, трансмембранная структура, присутствующая в клетках. Он участвует в нескольких основных жизненных функциях, и механизм его действия весьма интересен. Посмотрим дальше.

• Статья по теме: «Что такое деполяризация нейронов и как она работает?»

Что такое натриево-калиевый насос?

Натрий-калиевый насос белковая структура, которую можно найти во многих клеточных мембранах. Как следует из названия, его основная функция заключается в перемещении ионов натрия и калия через мембрану.

Этот процесс протекает в форме активного транспорта против градиента концентрации. Внутри клетки натрий (Na +) менее концентрирован (12 мэкв / л), чем снаружи (142 мэкв / л)., в то время как противоположное происходит с калием (K +), с более низкой концентрацией снаружи (4 мэкв / л), чем внутри (140 мэкв / л).

Для этого насос использует энергию, полученную при гидролизе АТФ, и поэтому считается ферментом типа Na + / K + АТФазы. Расходуя эту энергию, она заставляет клетку вытеснять натрий, одновременно вводя калий.

Эта бомба относится к классу ионных насосов класса P, так как они вытесняют ионы. Эти типы насосов состоят по крайней мере из одной трансмембранной альфа-каталитической субъединицы, структуры, в которой есть место, где могут связываться молекула АТФ и минорная бета-субъединица.

Он был открыт в 1957 году Йенсом Скоу (1918-2018), датским химиком и профессором университета, получившим Нобелевскую премию по химии благодаря этой находке.

Как его структура?

Как мы уже говорили, натриево-калиевый насос — это конструкция с ферментативной функцией. Его структура состоит из двух белковых субъединиц типа альфа (α) и двух субъединиц типа бета (β). Таким образом, этот насос представляет собой тетрамер (α2β2), интегральные белки которого пересекают липидный бислой, то есть клеточную мембрану, а также некоторые органеллы.

Оба типа субъединиц представляют собой вариации и пока что три изоформы были обнаружены для альфа-субъединицы (α1, α2 и α3) и три изоформы для бета (β1, β2 и β3). Α1 содержится в мембранах большинства клеток, а изоформа α2 характерна для мышечных клеток, сердца, жировой ткани и мозга. Изоформа α3 находится в сердце и мозге.

Что касается бета-субъединиц, то их распределение несколько более размытое. Β1 может быть обнаружен во многих местах, он отсутствует в вестибулярных клетках внутреннего уха и гликолитических мышечных клетках быстрого ответа, это отсутствие занято изоформой β2.

1. Альфа-субъединицы

Альфа-субъединицы — это структуры, которые содержат сайты связывания для молекулы АТФ и ионов Na + и K +.. Эти субъединицы представляют собой каталитический компонент фермента, действующий как насос.

Структурно альфа-субъединицы состоят из больших полипептидов с молекулярной массой 120 кДа (килодальтон). На своей внутриклеточной стороне (внутри клетки) они имеют сайты связывания для молекулы АТФ и для Na +, а сайт связывания K + находится на внеклеточной стороне (вне клетки).

• Вам может быть интересно: «Наиболее важные части клетки и органелл: резюме»

2. Бета-субъединицы

Бета-субъединицы, по-видимому, не участвуют непосредственно в насосной функции, но было замечено, что в их отсутствие натрий-калиевый насос не выполняет свою основную функцию.

Эти субъединицы имеют молекулярную массу 55 кДа каждая, и состоят из гликопротеинов с одним трансмембранным доменом. Углеводные остатки, которые можно найти в этих субъединицах, встроены во внешнюю область клетки.

Функция натрий-калиевого насоса

Клетку можно сравнить с баллоном, наполненным пресной водой, брошенным в море. Его слой практически непроницаем, а химические свойства внутренней среды сильно отличаются от внешней среды.. Клетка имеет различные концентрации различных веществ по сравнению с окружающей ее средой, со значительными отличиями от натрия и калия.

Это связано с основной функцией натрий-калиевого насоса, которая заключается в поддержании гомеостаза внутриклеточной среды, контролируя концентрации этих двух ионов. Для достижения этой цели выполните основные процессы:

1. Ионный транспорт

Вводит ионы K + и выбрасывает ионы Na +. Естественная тенденция, то есть без использования насоса, состоит в том, что натрий входит, а калий уходит, поскольку они все меньше и больше концентрируются внутри клетки соответственно.

Na + более сконцентрирован вне клетки (142 мг-экв / л), чем внутри (12 мг-экв / л), в то время как с K + это происходит наоборот, концентрация снаружи (4 мг-экв / л) меньше, чем внутри (140 мг-экв / л). / Л)

2. Регулятор объема ячейки

По мере того, как ионы покидают и входят в ячейку, также регулируется объем, контролируя количество жидкости внутри самой ячейки.

3. Создание мембранного потенциала.

Натрий-калиевый насос участвует в генерации мембранного потенциала. Это связано с, удаляя три иона натрия на каждые два вводимых иона калия, клеточная мембрана остается отрицательно заряженной внутри.

Это создает разницу зарядов между внутренней и внешней частью ячейки, разницу, которая известна как потенциал покоя.

Ионы заряжены положительно, поэтому их нельзя толкать внутрь и наружу, как они это делают. Однако наличие ионных каналов в мембране позволяет выборочно создавать поток против электрохимического градиента, когда это необходимо.

Механизм действия

Как мы уже говорили, натриево-калиевый насос выполняет ферментативную функцию, и по этой причине его также называют Na + / K + АТФазой. Механизм действия этой трансмембранной структуры состоит из каталитического цикла, в котором передается фосфорильная группа..

Для прохождения реакции необходимо присутствие молекулы АТФ и иона Na + внутри клетки и иона K + вне клетки. Ионы Na + связываются с переносчиком фермента, который имеет три цитозольных сайта связывания для этого иона. Это состояние называется E1, и после его достижения АТФ связывается со своим участком в молекуле., гидролиз и перенос фосфатной группы в молекулу аспартата 376, процесс, в результате которого получают ацилфосфат. Это вызывает переход к следующему состоянию, E2. После этого следует вытеснение трех ионов натрия и введение двух ионов калия.

Важность натрий-калиевого насоса

Основываясь на том, что мы объяснили, натрий-калиевый насос приобретает большое значение, поскольку он предотвращает попадание в клетку слишком большого количества ионов Na + внутрь. Это большее количество натрия внутри клетки обусловлено большим поступлением воды и, следовательно, увеличением объема клетки. Если бы я следил за этой тенденцией и использовал бы предыдущий случай с воздушным шаром в качестве примера, ячейка взорвалась бы, как если бы она была одной. Именно благодаря действию насоса ячейка не может так разрушиться.

Кроме того, насос способствует формированию мембранного потенциала. Введение двух ионов K + на каждые три выброшенных Na + приводит к декомпенсации внутренних электрических зарядов., способствуя выработке характерного мембранного потенциала клетки. Это значение еще больше, если принять во внимание нервные клетки, в которых потенциал действия характеризуется обратным процессом, то есть входом натрия и выходом калия.

Функция почек

Еще один интересный аспект натриево-калиевых насосов заключается в том, что участвуют в работе почек и, фактически, без них это было бы невозможно. Почки ежедневно фильтруют 180 литров плазмы, которая содержит вещества, которые должны выводиться из организма, а другие должны абсорбироваться, чтобы они не терялись с мочой. Реабсорбция натрия, воды и других веществ напрямую зависит от натрий-калиевых насосов, которые находятся в трубчатых сегментах нефронов почек.

Содержание:

1. Натрий-калиевый насос
2. Биологическая роль
3. Активный транспорт
4. Заключение

По этой ссылке вы сможете найти рефераты по химии на любые темы и посмотреть как они написаны:

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

Введение:

Натрий-калиевый насос — это один из механизмов активного транспорта через цитоплазматическую мембрану против градиента концентрации.

За один цикл своей работы натрий-калиевый насос переносит три иона натрия (3Na+) из клетки и два иона калия (2K+) в клетку.

Поскольку из клетки удаляется больше положительных зарядов, то на мембране происходит накопление разности электрических потенциалов (внутреннее содержимое клетки заряжено отрицательно по отношению к внешней среде). Разность потенциалов, в свою очередь, приводит к расщеплению АТФ и высвобождаю энергию.

Перекачивание натрия и калия необходимо для сохранения клеточного объема (осморегуляция), поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках, для активного транспорта сахаров, аминокислот и др. Калий в клетке требуется для белкового синтеза, гликолиза, фотосинтеза и др.

Натрий-калиевый насос

Натрий-калиевый насос по-сути представляет собой фермент, расщепляющий АТФ. Фермент называется натрий-калий-зависимая аденозинтрифосфатаза (Na+/K+-АТФ-аза. Он находится в мембранах (представляет собой интегральный белок) и начинает работать, когда повышается концентрация ионов натрия внутри клети или ионов калия снаружи.

Насос действует по принципу открывающихся и закрывающихся каналов. Когда белок связывается с ионами натрия, то это нарушает его водородные связи и приводит к изменению формы. Образуется узкая внутренняя полость, через которую выходят наружу ионы натрия, а ионы калия протиснуться наружу не могут. Выход ионов натрия снова изменяет конформацию фермента, в результате чего открывается другой канал, через который в клетку могут попасть ионы калия.

Расщепление АТФ происходит после связывания ионов натрия. Выделяющаяся энергия расходуется на изменение конформации фермента для выхода Na+.

Биологическая роль

Хлорид натрия абсолютно необходим для организма. Согласно исследованиям академика Покровского, оптимальная доза хлорида натрия составляет 10-15 г в сутки. Значение хлорида натрия будет рассматриваться на клеточном уровне. Клеточная стенка представляет собой полупроницаемую мембрану, которая разделяет растворы различных концентраций: содержимое клетки и межклеточное вещество. Мембраны представляют собой сложные биологические структуры, состоящие из белков и жироподобных веществ. Они пропускают питательные вещества в клетку и выводят отходы.

Мембраны находятся в постоянном движении, пульсируют и обновляются. Процесс обмена между клеткой и межклеточным веществом основан на явлении осмоса. Мембрана выравнивает концентрацию вещества с обеих сторон. А поскольку частицы растворенного вещества могут быть ионами, они также несут электрические заряды. В связи с этим диффузия через мембрану зависит не только от разности концентраций, но и от разности потенциалов. Ионы хлора Cl— легче переходят в менее концентрированный раствор, а их присутствие создает отрицательный заряд. Ионы натрия диффундируют меньше, потому что имеют толстую гидратационную оболочку и создают положительный заряд в местах накопления. Так что есть потенциальная разница.

Вот почему мы солим пищу, чтобы снабдить организм положительными и отрицательными ионами. Ионы хлора необходимы для образования соляной кислоты, которая является частью желудочного сока и участвует в процессе пищеварения. Однако эти процессы более сложны и содержат загадки, которые нелегко решить.

В живых организмах содержание ионов калия K + на элемент калия в организме человека составляет 140 г, а доля натрия — 100 г. ионы калия К + и натрия Na + занимают свои места внутри организма. Внутри клеток значительно больше ионов калия (например, калий в эритроцитах крови содержит более чем в 15 раз больше натрия и в 20 раз меньше в плазме), поэтому кровь соленая. Ионы натрия, имеющие толстую гидратную оболочку, труднее пройти через клеточную мембрану.

Различное содержание K + и Na + в клетке и в межклеточном пространстве создает разность потенциалов, способствует движению заряженных частиц через клеточные мембраны. Возникает так называемый калий — натриевый насос, который способствует переносу ионов. Аденозинтрифосфорная кислота (сокращенно АТФ) обеспечивает энергию для этого процесса. Процесс перехода различных веществ через клеточные мембраны очень быстрый, а процесс осмоса с разностью потенциалов не может обеспечить такую ​​скорость.

Активный транспорт

Было обнаружено, что существуют вещества, способные переносить ионы через клеточные мембраны. Первое такое вещество было открыто в 1955 году немецкими исследователями Брокманом и Шмидтом-Кастнером, а в 1964 году американский ученый Прессман обнаружил, что это вещество обладает способностью образовывать комплексы с ионами щелочных металлов и повышает их способность проходить через мембраны. Носители щелочных металлов называются ионофоры. Первым ионофором, как описано выше, был валиномицин. Далее были получены другие ионофоры. Они имеют структуру белка. Они имеют высокую биологическую структуру. Благодаря им процесс прохождения через клеточную мембрану ионов и молекул протекает очень быстро.

Для исследовательских работ в области транспорта ионов через мембраны наши ученые Ю.А. А. Овчинников и В. Т. Иванов были удостоены Ленинской премии в 1978 году. Также эти вещества используются в качестве лекарственных средств. Например. Валиномицин, грамицидин, антаманид.

Натриево-калиевая помпа лежит в основе передачи нервного импульса. Передача нервного раздражения происходит за счет нервных клеток — нейронов. Длинный отросток нервной клетки называется аксоном и служит сигнальным каналом для органа, с которым он соединяется. Аксон напоминает трубу, в которой находится жидкость, а сам он погружен в жидкость. Обе эти жидкости содержат растворенные соли и поэтому хорошо проводят электричество.

Жидкость, омывающая аксон, содержит ионы Na + и Cl—. В жидкости внутри аксона находятся катионы К + и анионы органического происхождения. Такая конструкция проводника уступает металлической, но для живых организмов ее вполне достаточно. Нервная клетка находится в состоянии покоя, внутри нее наблюдается отрицательный заряд — потенциал покоя. Как только нервная клетка получает сигнал возбуждения, проводимость мембран для калия и натрия резко возрастает. Потенциал ячейки падает до 0, а затем увеличивается до положительного значения + 50 мВ. Изменение потенциала связано с тем, что ионы натрия проникают в клетку, а ионы калия выходят. Изменение их концентрации вызывает изменение потенциала. В этом смысл передачи нервного импульса. Эти импульсы контролируют наши действия.

Большое значение Na⁺ и K⁺ имеют в деятельности мозга. Наша память бывает двух видов: долговременная и кратковременная. Согласно существующей в настоящее время гипотезе механизм кратковременной памяти имеет ионную природу. Ионные связи непрочны, могут быстро разрушаться — поэтому-то и память коротка. В этих связях главное место отводится соединениям калия и натрия.

Длительная память связывается с образованием более прочных структур.

Сравнительно недавно выяснилось, что у большей части клеток в плазматической мембране действует натриевый насос, активно выкачивающий натрий из клетки. В животных клетках натриевый насос сопряжен с калиевым насосом, активно поглошаюшим ионы калия из внешней среды и переносящим их в клетку. Такой объединенный насос называют натрий-калиевым насосом |(Na+, К+)-насос|. Поскольку насос имеется почти во всех животных клетках и выполняет в них ряд важных функций, он представляет собой хороший пример механизма активного транспорта. О его физиологическом значении свидетельствует тот факт, что более трети АТФ, потребляемого животной клеткой в состоянии покоя, расходуется на перекачивание натрия и калия.

Насос — это особый белок-переносчик, локализующийся в мембране таким образом, что он пронизывает всю ее толщу. С внутренней стороны мембраны к нему поступают натрий и АТФ, а с наружной — калий. Перенос натрия и калия через мембрану совершается в результате конформационных изменений, которые претерпевает этот белок.

Обратите внимание, что на каждые два поглощенных иона калия из клетки выводится три иона натрия. Вследствие этого содержимое клетки становится более отрицательным по отношению к внешней среде, и между двумя сторонами мембран возникает разность потенциалов. Это ограничивает поступление в клетку отрицательно заряженных ионов (анионов), например хлорид-ионов. Именно данным обстоятельством объясняется тот факт, что концентрация хлорид-ионов в эритроцитах ниже, чем в плазме крови, хотя эти ионы могут поступать в клетки и выходить из них за счет облегченной диффузии. Положительно заряженные ионы (катионы), напротив, притягиваются клеткой.

Заключение

Таким образом, оба фактора — концентрация и электрический заряд — важны при определении того, в каком направлении будут перемешаться через мембрану ионы.

Натрий-калиевый насос необходим животным клеткам для поддержания осмотического баланса (осморегуляции). Если он перестанет работать, клетка начнет набухать и в конце концов лопнет. Произойдет это потому, что с накоплением ионов натрия в клетку под действием осмотических сил будет поступать все больше и больше воды.

Ясно, что бактериям, грибам и растениям с их жесткими клеточными стенками такой насос не требуется. Животным клеткам он нужен также для поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках и, наконец, для активного транспорта некоторых веществ, например Сахаров и аминокислот. Высокие концентрации калия требуются также для белкового синтеза, гликолиза, фотосинтеза и для некоторых других жизненно важных процессов.

Насос Na⁺/K⁺-АТФазы
Натрий-калиевый насос, состояние E2-Pi. Расчетные углеводородные границы липидного бислоя показаны синей (внутриклеточной) и красной (внеклеточной) плоскостями .
Идентификаторы
ЭК №.	7.2.2.13
Базы данных
ИнтЭнз	Представление IntEnz
БРЕНДА	запись БРЕНДЫ
ExPASy	вид NiceZyme
КЕГГ	запись КЕГГ
МетаЦик	метаболический путь
ПРИАМ	профиль
Структуры PDB	RCSB PDB PDBe PDBsum
Поиск ЧВК статьи пабмед статьи NCBI белки

Натрий -калиевая помпа ( натрий — калиевая аденозинтрифосфатаза , также известная как Na⁺/K⁺-АТФаза , Na⁺/K⁺ помпа или натрий-калиевая АТФаза ) представляет собой фермент ( электрогенная трансмембранная АТФаза ), обнаруженный в мембране все животные клетки. Он выполняет несколько функций в клеточной физиологии .

Фермент Na⁺/K⁺-АТФаза активен (т.е. использует энергию АТФ ). На каждую молекулу АТФ, которую использует насос, экспортируются три иона натрия и импортируются два иона калия; следовательно, существует чистый перенос одного положительного заряда за цикл накачки.

Натриево-калиевый насос был открыт в 1957 году датским ученым Йенсом Кристианом Скоу , который был удостоен Нобелевской премии за свою работу в 1997 году. Его открытие стало важным шагом вперед в понимании того, как ионы попадают в клетки и выходят из них, а также это имеет особое значение для возбудимых клеток, таких как нервные клетки , которые зависят от этого насоса, чтобы реагировать на раздражители и передавать импульсы.

У всех млекопитающих есть четыре различных подтипа или изоформы натриевой помпы. Каждый из них имеет уникальные свойства и паттерны экспрессии тканей. ^[1] Этот фермент принадлежит к семейству АТФаз P-типа .

Функция

Na⁺/K⁺-АТФаза помогает поддерживать потенциал покоя , влияет на транспорт и регулирует клеточный объем . ^[2] Он также действует как преобразователь/интегратор сигнала для регулирования пути MAPK , активных форм кислорода (АФК), а также внутриклеточного кальция. На самом деле, все клетки расходуют большую часть АТФ, которую они производят (обычно 30% и до 70% в нервных клетках), для поддержания необходимых цитозольных концентраций Na и K. ^[3]
Для нейронов Na⁺/K⁺-АТФаза может отвечать за до 3/4 расхода энергии клеткой. ^[4] Во многих типах тканей потребление АТФ Na⁺/K⁺-АТФазами связано с гликолизом .. Впервые это было обнаружено в красных кровяных тельцах (Schrier, 1966), но позже было обнаружено в почечных клетках ^[5] , гладких мышцах, окружающих кровеносные сосуды, ^[6] и кардиальных клетках Пуркинье. ^[7] Недавно также было показано, что гликолиз имеет особое значение для Na⁺/K⁺-АТФаз в скелетных мышцах, где ингибирование распада гликогена (субстрата для гликолиза ) приводит к снижению активности Na⁺/K⁺-АТФазы и меньшая выработка силы. ^{[8] [9] [10]}

Потенциал покоя

Чтобы поддерживать потенциал клеточной мембраны, клетки поддерживают низкую концентрацию ионов натрия и высокий уровень ионов калия внутри клетки ( внутриклеточно ). Механизм натрий-калиевой помпы выводит 3 иона натрия и вводит 2 иона калия, таким образом, всего удаляя один положительный носитель заряда из внутриклеточного пространства (подробнее см. Механизм ). Кроме того, в мембране имеется канал короткого замыкания (т. е. ионный канал с высокой проницаемостью для K) для калия, поэтому напряжение на плазматической мембране близко к потенциалу Нернста калия.

Потенциал разворота

Даже если ионы K⁺ и Na⁺ имеют одинаковый заряд, они могут иметь очень разные равновесные потенциалы как для внешней, так и для внутренней концентрации. Натрий-калиевый насос движется к неравновесному состоянию с относительными концентрациями Na⁺ и K⁺ как внутри, так и снаружи клетки. Например, концентрация K⁺ в цитозоле составляет 100 мМ, тогда как концентрация Na⁺ составляет 10 мМ. С другой стороны, во внеклеточном пространстве концентрация K⁺ составляет 5 мМ, тогда как концентрация Na⁺ составляет 150 мМ.

Транспорт

Экспорт ионов натрия из клетки обеспечивает движущую силу для нескольких вторичных активных переносчиков, таких как мембранные транспортные белки , которые доставляют в клетку глюкозу , аминокислоты и другие питательные вещества с использованием градиента ионов натрия.

Другой важной задачей насоса Na⁺-K⁺ является создание градиента Na⁺, используемого некоторыми процессами переноса. В кишечнике , например, натрий транспортируется из реабсорбирующей клетки на стороне крови (интерстициальной жидкости) с помощью насоса Na⁺-K⁺, тогда как на реабсорбирующей (люменальной) стороне симпортер Na⁺-глюкозы использует создали градиент Na⁺ в качестве источника энергии для импорта как Na⁺, так и глюкозы, что гораздо более эффективно, чем простая диффузия. Аналогичные процессы расположены в системе почечных канальцев .

Управление объемом ячейки

Выход из строя насосов Na⁺-K⁺ может привести к набуханию клетки. Осмолярность клетки представляет собой сумму концентраций различных видов ионов и многих белков и других органических соединений внутри клетки. Когда это выше, чем осмолярность вне клетки, вода поступает в клетку посредством осмоса . Это может привести к набуханию и лизису клетки . Насос Na⁺-K⁺ помогает поддерживать правильную концентрацию ионов. Кроме того, когда клетка начинает набухать, это автоматически активирует насос Na⁺-K⁺, поскольку он изменяет внутреннюю концентрацию Na⁺-K⁺, к которой чувствителен насос. ^[11]

Функционирует как преобразователь сигнала

В течение последнего десятилетия ^{[ когда? ]} , многие независимые лаборатории продемонстрировали, что, в дополнение к классическому транспорту ионов, этот мембранный белок может также передавать внеклеточную передачу сигналов, связывающих уабаин , в клетку посредством регуляции фосфорилирования белка тирозина. Например, в исследовании изучалась функция Na ⁺ /K ⁺ АТФазы в мышцах стопы и гепатопанкреасе наземной улитки O. Lactea путем сравнения активного и активирующего состояний. ^[12] Они пришли к выводу, что обратимое фосфорилирование может контролировать одни и те же средства координации использования АТФ этим ионным насосом со скоростью образования АТФ катаболическими путями при активации O. Lactea.. Нисходящие сигналы через запускаемые уабаином события фосфорилирования белков включают активацию сигнальных каскадов митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK), продукцию митохондриальных активных форм кислорода (АФК), а также активацию фосфолипазы С (PLC) и инозитолтрифосфата (IP3). рецептора ( IP3R ) в разных внутриклеточных компартментах. ^[13]

Белок-белковые взаимодействия играют очень важную роль в опосредованной насосом Na⁺-K+ передаче сигнала. Например, насос Na⁺-K⁺ взаимодействует непосредственно с Src , нерецепторной тирозинкиназой, образуя сигнальный рецепторный комплекс. ^[14] Src изначально ингибируется насосом Na⁺-K⁺. Однако при последующем связывании уабаина домен киназы Src высвобождается и затем активируется. Основываясь на этом сценарии, NaKtide, пептидный ингибитор Src, полученный из насоса Na⁺-K+, был разработан как функциональная передача сигнала, опосредованная уабаином-Na+-K+ насосом. ^[15] Насос Na⁺-K⁺ также взаимодействует с анкирином , IP3R, PI3K , PLC-gamma и кофилином . ^[16]

Управление состояниями активности нейронов

Было показано, что насос Na⁺-K⁺ контролирует и устанавливает собственный режим активности нейронов Пуркинье мозжечка ^[17] , добавочных клеток митрального отдела обонятельной луковицы ^[18] и, возможно, других типов нейронов. ^[19] Это предполагает, что насос может быть не просто гомеостатической , «домашней» молекулой для ионных градиентов, но может быть вычислительным элементом в мозжечке и мозге . ^[20] Действительно, мутация в насосе Na⁺-K⁺ вызывает быстрое начало дистонии – паркинсонизма. , у которого есть симптомы, указывающие на то, что это патология мозжечковых вычислений. ^[21] Кроме того, уабаиновая блокада насосов Na⁺-K⁺ в мозжечке живой мыши приводит к атаксии и дистонии . ^[22] Алкоголь ингибирует натриево-калиевые насосы в мозжечке, и, вероятно, именно поэтому он нарушает работу мозжечка и координацию тела. ^{[23] [24]} Было продемонстрировано, что распределение насоса Na⁺-K⁺ на миелинизированных аксонах головного мозга человека происходит вдоль межузловой аксолеммы, а не внутри узловой аксолеммы, как считалось ранее. ^[25]

Механизм

Глядя на процесс, начиная с внутренней части клетки:

• Насос имеет более высокое сродство к ионам Na⁺, чем к ионам K⁺, поэтому после связывания АТФ связывает 3 внутриклеточных иона Na⁺. ^[2]
• АТФ гидролизуется , что приводит к фосфорилированию помпы по высококонсервативному остатку аспартата и последующему высвобождению АДФ . Этот процесс приводит к конформационному изменению помпы.
• Конформационное изменение подвергает ионы Na⁺ воздействию внеклеточной области. Фосфорилированная форма помпы имеет низкое сродство к ионам Na⁺, поэтому они высвобождаются; напротив, он имеет высокое сродство к ионам K⁺.
• Помпа связывает 2 внеклеточных иона K⁺, что вызывает дефосфорилирование помпы, возвращая ее в прежнее конформационное состояние, таким образом высвобождая ионы K⁺ в клетку.
• Нефосфорилированная форма помпы имеет более высокое сродство к ионам Na⁺. АТФ связывается, и процесс начинается снова.

Регламент

Эндогенный

Na⁺/K⁺-АТФаза активируется цАМФ . ^[26] Таким образом, вещества, вызывающие увеличение цАМФ, активируют Na⁺/K⁺-АТФазу. К ним относятся лиганды G _s -связанных GPCR. Напротив, вещества, вызывающие снижение цАМФ, подавляют Na⁺/K⁺-АТФазу. К ним относятся лиганды G _i -связанных GPCR. Примечание. Ранние исследования указывали на противоположный эффект, но позже выяснилось, что они неточны из-за дополнительных осложняющих факторов. ^{[ нужна ссылка ]}

Na⁺/K⁺-АТФаза эндогенно отрицательно регулируется инозитолпирофосфатом 5-InsP7, внутриклеточной сигнальной молекулой, генерируемой IP6K1 , которая высвобождает аутоингибиторный домен PI3K p85α , чтобы управлять эндоцитозом и деградацией. ^[27]

Na⁺/K⁺-АТФаза также регулируется обратимым фосфорилированием. Исследования показали, что у активирующих животных Na⁺/K⁺-АТФаза находится в фосфорилированной и малоактивной форме. Дефосфорилирование Na⁺/K⁺-АТФазы может восстановить ее до высокоактивной формы. ^[28]

экзогенный

Na⁺/K⁺-АТФазу можно фармакологически модифицировать путем экзогенного введения лекарств. Его экспрессия также может быть изменена с помощью гормонов, таких как трийодтиронин , гормон щитовидной железы . ^{[28] [29]}

Например, Na⁺/K⁺-АТФаза, обнаруженная в мембранах клеток сердца, является важной мишенью для сердечных гликозидов (например , дигоксина и уабаина ), инотропных препаратов, используемых для улучшения работы сердца за счет увеличения силы его сокращения.

Сокращение мышц зависит от концентрации внутриклеточного Ca²⁺ в 100–10 000 раз выше, чем в состоянии покоя , что вызвано высвобождением Ca²⁺ из саркоплазматического ретикулума мышечных клеток. Сразу после мышечного сокращения внутриклеточный Ca²⁺ быстро возвращается к своей нормальной концентрации ферментом-носителем в плазматической мембране и кальциевым насосом в саркоплазматическом ретикулуме , вызывая расслабление мышцы.

Согласно гипотезе Блаустейна ^[30] , этот фермент-носитель (обменник Na⁺/Ca²⁺, NCX) использует градиент Na, генерируемый насосом Na⁺-K⁺, для удаления Ca²⁺ из внутриклеточного пространства, тем самым замедляя обмен Na Насос ⁺-K⁺ приводит к постоянному повышению уровня Ca²⁺ в мышцах , что может быть механизмом длительного инотропного эффекта сердечных гликозидов, таких как дигоксин. Проблема с этой гипотезой заключается в том, что при фармакологических концентрациях наперстянки менее 5% молекул Na/K-АТФазы, особенно изоформы α2, в сердце и гладких мышцах артерий ( K _d= 32 нМ) — ингибируются, но не настолько, чтобы влиять на внутриклеточную концентрацию Na⁺. Однако, кроме популяции Na/K-АТФазы в плазматической мембране, отвечающей за транспорт ионов, в кавеолах имеется другая популяция, которая действует как рецептор наперстянки и стимулирует рецептор ЭФР . ^{[31] [32] [33] [34]}

Фармакологическое регулирование

При определенных состояниях, таких как болезни сердца, может потребоваться ингибирование Na⁺/K⁺-АТФазы с помощью фармакологических средств. Обычно используемый ингибитор, применяемый при лечении сердечно-сосудистых заболеваний, представляет собой дигоксин, который по существу связывается «с внеклеточной частью фермента, т. е. связывает калий, когда он находится в фосфорилированном состоянии, для переноса калия внутрь клетки» ^{[35] .}После этого обязательного связывания происходит дефосфорилирование альфа-субъединицы, что снижает влияние сердечных заболеваний. Именно за счет ингибирования Na⁺/K⁺-АТФазы уровни натрия начинают увеличиваться внутри клетки, что в конечном итоге увеличивает концентрацию внутриклеточного кальция через натрий-кальциевый обменник. Это повышенное присутствие кальция позволяет увеличить силу сокращения. В случае пациентов, у которых сердце качает недостаточно сильно, чтобы обеспечить то, что необходимо организму, этот подход позволяет временно преодолеть это.

Открытие

Na⁺/K⁺-АТФаза была открыта Йенсом Кристианом Скоу в 1957 году, когда он работал доцентом кафедры физиологии Орхусского университета , Дания . В том же году он опубликовал свою работу. ^[36]

В 1997 году он получил половину Нобелевской премии по химии «за первое открытие фермента, переносящего ионы, Na⁺,K⁺-АТФазы». ^[37]

Гены

• Альфа: ATP1A1 ATP1A1 , ATP1A2 ATP1A2 , ATP1A3 ATP1A3 , ATP1A4 ATP1A4 . № 1 преобладает в почках. № 2 также известен как «альфа (+)».
• Бета: ATP1B1 ATP1B1 , ATP1B2 , ATP1B3 ATP1B3 , ATP1B4

У насекомых

Исследования мутагенеза, проведенные Сюзанной Доблер, выявили законсервированные шпильки M3-M4 и шпильки M5-M6. В положении 312 насекомые, питающиеся видами Apocynum , отличались от Na⁺/K⁺-АТФазы млекопитающих заменой глутаминовой кислоты на аспарагиновую кислоту. ^{[ требуется проверка ]} Таким образом, было обнаружено, что насекомые имеют более высокую степень консервации в С-конце кармана связывания уабаина . Доблер и др. обнаружили 87% идентичности аминокислот среди последовательностей насекомых, что показывает высокий уровень молекулярной конвергенции среди четырех отрядов травоядных насекомых. Таким образом, некоторые замены обеспечивают устойчивость к карденолидам как адаптацию даже между филогенетическими ветвями. ^[38]

Смотрите также

• Гормон щитовидной железы
• V-АТФаза

Ссылки

Внешние ссылки

• Натрий + калий + АТФаза в медицинских предметных рубриках Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
• Банк данных белков RCSB: Натриево-калиевый насос
• Видео Академии Хана .