Na+/K+-АТФаза и поддержание ионного градиента

Na+/K+-АТФаза, или натрий-калиевый насос, представляет собой мембранный транспортер, который поддерживает ионные градиенты, лежащие в основе потенциала покоя. Используя энергию гидролиза АТФ, он перемещает натрий из клетки и калий в клетку против их концентрационных градиентов, противодействуя пассивной утечке, которая в противном случае рассеяла бы их.

Definition

Na+/K+-АТФаза — это интегральная мембранная АТФаза P-типа, которая гидролизует одну молекулу АТФ для экспорта трех ионов натрия и импорта двух ионов калия за цикл, активно поддерживая трансмембранные градиенты натрия и калия в животных клетках.

Scope

Эта тема охватывает стехиометрию транспорта насоса, его зависимость от АТФ, его электрогенный вклад в мембранный потенциал и его роль в поддержании стабильности градиентов натрия и калия. В ней также отмечается, как насос связывает клеточное энергоснабжение с возбудимостью. Пассивный поток, опосредованный каналами, рассматривается в теме проницаемости.

Core questions

• Что транспортирует натрий-калиевый насос и в каком соотношении?
• Как насос использует АТФ для перемещения ионов против их градиентов?
• Почему насос описывается как электрогенный, и каков его прямой вклад в мембранный потенциал?

Key concepts

• Первичный активный транспорт
• Стехиометрия 3 Na+ наружу / 2 K+ внутрь
• Гидролиз АТФ и цикл фосфорилирования
• Электрогенный транспорт
• АТФаза P-типа
• Поддержание градиента против пассивной утечки

Key theories

Поддержание ионных градиентов активным транспортом

Стабильные ионные градиенты, которые устанавливают потенциал покоя, не являются самоподдерживающимися; Na+/K+-АТФаза использует метаболическую энергию для выкачивания натрия наружу и закачивания калия внутрь, компенсируя непрерывную пассивную утечку, чтобы градиенты сохранялись в живой клетке.

Mechanisms

Насос связывает три внутриклеточных иона натрия и АТФ, фосфорилируется и изменяет конформацию, чтобы высвободить натрий наружу; затем он связывает два внеклеточных иона калия, дефосфорилируется и возвращается в исходную конформацию, чтобы высвободить калий внутрь. Поскольку он экспортирует три положительных заряда на каждые два импортируемых, каждый цикл перемещает чистый положительный заряд из клетки, делая насос электрогенным и внося небольшой гиперполяризующий компонент в мембранный потенциал, как это было рассмотрено Томасом (Thomas, 1972). Однако его основная роль заключается в пополнении градиентов натрия и калия, которые постоянно разрушаются пассивной утечкой через каналы; Скоу (Skou, 1957) впервые идентифицировал ответственную АТФазу, а Морт и коллеги (Morth et al., 2007) позже определили ее кристаллическую структуру. Поскольку насос потребляет АТФ, поддержание градиента связывает состояние покоя с энергоснабжением клетки.

Clinical relevance

Поскольку насос поддерживает градиенты, от которых зависит возбудимость, состояния, нарушающие его функцию или энергоснабжение, могут изменять поведение мембраны, а насос является молекулярной мишенью сердечных гликозидов. Эта запись описывает эти механизмы как фон физиологии и фармакологии и не содержит рекомендаций по дозировке или лечению.

Evidence & guidelines

Существование, стехиометрия и структура насоса установлены биохимией, электрофизиологией и кристаллографией и являются стандартными учебными материалами по физиологии; тема представляет собой механистический справочный материал, а не руководящие указания.

History

Йенс Кристиан Скоу (Jens Christian Skou) в 1957 году идентифицировал АТФ-гидролизующий фермент, активируемый натрием и калием, в нерве краба, за что позже разделил Нобелевскую премию по химии. Электрогенный вклад насоса был охарактеризован в 1960-х годах и рассмотрен Томасом (Thomas, 1972), а его молекулярная архитектура была определена с помощью рентгеновской кристаллографии Мортом и коллегами (Morth et al., 2007).

Key figures

• Jens Christian Skou
• Roger C. Thomas
• Poul Nissen

Seminal works

• skou-1957
• thomas-1972
• morth-2007

Frequently asked questions

Что делает натрий-калиевый насос?

Он использует энергию АТФ для перемещения трех ионов натрия из клетки и двух ионов калия в клетку за цикл, поддерживая ионные градиенты, которые в противном случае были бы рассеяны пассивной утечкой через мембрану.

Создает ли сам насос потенциал покоя?

В основном косвенно. Потенциал покоя возникает из-за диффузии ионов через селективные каналы по градиентам, поддерживаемым насосом; насос также добавляет небольшое прямое гиперполяризующее напряжение, поскольку он экспортирует чистый положительный заряд.