Na+/K+-ATPase และการรักษาสภาพความชันของไอออน

Na+/K+-ATPase หรือปั๊มโซเดียม-โพแทสเซียม เป็นตัวขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ที่รักษาสภาพความชันของไอออนซึ่งเป็นพื้นฐานของศักย์ไฟฟ้าขณะพัก โดยใช้พลังงานจากการไฮโดรไลซิส ATP เพื่อเคลื่อนย้ายโซเดียมออกจากเซลล์และโพแทสเซียมเข้าสู่เซลล์ สวนทางกับความชันของความเข้มข้น ซึ่งเป็นการต้านทานการรั่วไหลแบบพาสซีฟที่อาจทำให้ความชันเหล่านั้นสลายไป

Definition

Na+/K+-ATPase เป็น P-type ATPase ที่ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งไฮโดรไลซ์ ATP หนึ่งโมเลกุลเพื่อส่งออกโซเดียมไอออนสามตัวและนำเข้าโพแทสเซียมไอออนสองตัวต่อหนึ่งรอบการทำงาน โดยรักษาสภาพความชันของโซเดียมและโพแทสเซียมข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์สัตว์อย่างแข็งขัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมอัตราส่วนการขนส่งของปั๊ม การพึ่งพา ATP การมีส่วนร่วมทางไฟฟ้าต่อศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ และบทบาทในการรักษาสภาพความชันของโซเดียมและโพแทสเซียมให้คงที่ นอกจากนี้ยังกล่าวถึงว่าปั๊มเชื่อมโยงการจัดหาพลังงานของเซลล์เข้ากับความสามารถในการกระตุ้นได้อย่างไร การไหลแบบพาสซีฟที่อาศัยช่องทางจะกล่าวถึงในหัวข้อการซึมผ่าน

Core questions

• ปั๊มโซเดียม-โพแทสเซียมขนส่งอะไร และในอัตราส่วนเท่าใด?
• ปั๊มใช้ ATP เพื่อเคลื่อนย้ายไอออนสวนทางกับความชันของพวกมันได้อย่างไร?
• เหตุใดปั๊มจึงถูกอธิบายว่าเป็น electrogenic และผลกระทบโดยตรงต่อศักย์เยื่อหุ้มเซลล์มีขนาดเท่าใด?

Key concepts

• การขนส่งแบบแอคทีฟปฐมภูมิ
• อัตราส่วน 3 Na+ ออก / 2 K+ เข้า
• วัฏจักรการไฮโดรไลซิส ATP และฟอสโฟรีเลชัน
• การขนส่งแบบ electrogenic
• P-type ATPase
• การรักษาสภาพความชันเพื่อต้านทานการรั่วไหลแบบพาสซีฟ

Key theories

การรักษาสภาพความชันของไอออนโดยการขนส่งแบบแอคทีฟ

ความชันของไอออนที่คงที่ซึ่งกำหนดศักย์ไฟฟ้าขณะพักนั้นไม่สามารถคงอยู่ได้ด้วยตัวเอง Na+/K+-ATPase ใช้พลังงานเมตาบอลิซึมเพื่อปั๊มโซเดียมออกและโพแทสเซียมเข้า ชดเชยการรั่วไหลแบบพาสซีฟอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ความชันยังคงอยู่ในเซลล์ที่มีชีวิต

Mechanisms

ปั๊มจะจับกับโซเดียมไอออนสามตัวภายในเซลล์และ ATP จากนั้นจะถูกฟอสโฟรีเลทและเปลี่ยนโครงสร้างเพื่อปล่อยโซเดียมออกสู่ภายนอกเซลล์ หลังจากนั้นจะจับกับโพแทสเซียมไอออนสองตัวนอกเซลล์ ถูกดีฟอสโฟรีเลท และกลับสู่โครงสร้างเดิมเพื่อปล่อยโพแทสเซียมเข้าสู่ภายในเซลล์ เนื่องจากปั๊มส่งออกประจุบวกสามตัวต่อการนำเข้าสองตัว ในแต่ละรอบการทำงานจะมีการเคลื่อนย้ายประจุบวกสุทธิออกจากเซลล์ ทำให้ปั๊มมีคุณสมบัติทางไฟฟ้า (electrogenic) และมีส่วนช่วยในการทำให้ศักย์เยื่อหุ้มเซลล์มีค่าเป็น hyperpolarizing เล็กน้อย ดังที่ Thomas (1972) ได้ทบทวนไว้ อย่างไรก็ตาม บทบาทหลักของปั๊มคือการเติมเต็มความชันของโซเดียมและโพแทสเซียมที่การรั่วไหลของช่องทางแบบพาสซีฟกัดกร่อนอย่างต่อเนื่อง Skou (1957) เป็นคนแรกที่ระบุ ATPase ที่รับผิดชอบ และ Morth และคณะ (2007) ได้ไขโครงสร้างผลึกของมันในภายหลัง เนื่องจากการทำงานของปั๊มใช้ ATP การรักษาสภาพความชันจึงเชื่อมโยงสถานะพักกับแหล่งพลังงานของเซลล์

Clinical relevance

เนื่องจากปั๊มรักษาสภาพความชันที่ความสามารถในการกระตุ้นขึ้นอยู่กับมัน สภาวะที่ทำให้การทำงานหรือการจัดหาพลังงานของปั๊มบกพร่องอาจเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของเยื่อหุ้มเซลล์ได้ และปั๊มยังเป็นเป้าหมายโมเลกุลของ cardiac glycosides บทความนี้อธิบายกลไกเหล่านั้นในฐานะพื้นฐานทางสรีรวิทยาและเภสัชวิทยา และไม่มีคำแนะนำเกี่ยวกับการให้ยาหรือการรักษา

Evidence & guidelines

การมีอยู่ อัตราส่วน และโครงสร้างของปั๊มได้รับการยืนยันโดยชีวเคมี สรีรวิทยาไฟฟ้า และผลึกศาสตร์ และเป็นสรีรวิทยาตามตำรามาตรฐาน หัวข้อนี้เป็นเนื้อหาอ้างอิงเชิงกลไกมากกว่าเนื้อหาแนวทางปฏิบัติ

History

Jens Christian Skou ได้ระบุเอนไซม์ที่ไฮโดรไลซ์ ATP ซึ่งถูกกระตุ้นโดยโซเดียมและโพแทสเซียมในเส้นประสาทปูในปี 1957 ซึ่งเป็นผลงานที่เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในภายหลัง การมีส่วนร่วมทางไฟฟ้าของปั๊มได้รับการอธิบายในช่วงทศวรรษ 1960 และได้รับการทบทวนโดย Thomas (1972) และโครงสร้างโมเลกุลของมันได้รับการไขโดยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์โดย Morth และคณะ (2007)

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

ปั๊มโซเดียม-โพแทสเซียมทำอะไร?

ปั๊มใช้พลังงานจาก ATP เพื่อเคลื่อนย้ายโซเดียมไอออนสามตัวออกจากเซลล์และโพแทสเซียมไอออนสองตัวเข้าสู่เซลล์ต่อหนึ่งรอบการทำงาน โดยรักษาสภาพความชันของไอออนที่การรั่วไหลแบบพาสซีฟข้ามเยื่อหุ้มเซลล์อาจทำให้สลายไป

ปั๊มสร้างศักย์ไฟฟ้าขณะพักด้วยตัวเองหรือไม่?

ส่วนใหญ่เป็นทางอ้อม ศักย์ไฟฟ้าขณะพักเกิดจากการแพร่ของไอออนผ่านช่องทางที่เลือกสรรตามความชันที่ปั๊มรักษาไว้ ปั๊มยังเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบบ hyperpolarizing โดยตรงเล็กน้อยเนื่องจากมันส่งออกประจุบวกสุทธิ