ปั๊มโซเดียมโพแทสเซียม: โครงสร้างหน้าที่กลไกความสำคัญ - ชีววิทยา

ปั๊มโซเดียมโพแทสเซียมเป็นโครงสร้างโปรตีนรวมอยู่ในชุดที่กว้างขึ้นของโมเลกุลอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์จำนวนมากและที่มีความรับผิดชอบสำหรับการขนส่งที่ใช้งานของไอออนหรือโมเลกุลขนาดเล็กอื่น ๆ กับการไล่ระดับสีเข้มข้นของพวกเขา พวกเขาใช้พลังงานที่ปล่อยออกมาจากการไฮโดรไลซิสของ ATP และนั่นคือสาเหตุที่เรียกโดยทั่วไปว่า ATPases

ปั๊มโซเดียมโพแทสเซียมเป็น Na + / K + ATPase เนื่องจากปล่อยพลังงานที่มีอยู่ในโมเลกุล ATP เพื่อเคลื่อนย้ายโซเดียมจากภายในสู่ภายนอกเซลล์ในขณะที่แนะนำโพแทสเซียม

แผนผังของปั๊มโซเดียมโพแทสเซียม ภายนอกและภายในของเซลล์ (ที่มา: Miguelferig ผ่าน Wikimedia Commons)

ภายในเซลล์โซเดียมมีความเข้มข้นน้อยกว่า (12 mEq / L) มากกว่าภายนอก (142 mEq / L) ในขณะที่โพแทสเซียมมีความเข้มข้นภายนอก (4 mEq / L) มากกว่าภายใน (140 mEq / L)

ปั๊ม ATPase แบ่งออกเป็นสามกลุ่มใหญ่ ๆ :

ปั๊มไอออนประเภท F และ V : เป็นโครงสร้างที่ค่อนข้างซับซ้อนสามารถประกอบด้วยหน่วยย่อยของทรานส์เมมเบรน 3 ชนิดและโพลีเปปไทด์ที่เกี่ยวข้องได้สูงสุด 5 ชนิดในไซโตซอล พวกมันทำหน้าที่เป็นตัวขนส่งโปรตอน
Superfamily ABC ( A TP- B inding C assette = ATP binding Cassette): ประกอบด้วยโปรตีนมากกว่า 100 ชนิดที่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวขนส่งอิออนโมโนแซคคาไรด์โพลีแซคคาไรด์โพลีเปปไทด์และแม้แต่โปรตีนอื่น ๆ
ปั๊มไอออนของคลาส P : เกิดจากหน่วยย่อยอัลฟาตัวเร่งปฏิกิริยาทรานส์เมมเบรนอย่างน้อยหนึ่งหน่วยที่มีไซต์ที่มีผลผูกพันสำหรับ ATP และยูนิตย่อยβ ในระหว่างกระบวนการขนส่งหน่วยย่อยαจะถูกฟอสโฟรีเลต์และด้วยเหตุนี้จึงมีชื่อว่า "P"

ปั๊มโซเดียมโพแทสเซียม (Na + / K + ATPase) เป็นของกลุ่มปั๊มไอออนิกของคลาส P และถูกค้นพบในปี 2500 โดย Jens Skou นักวิจัยชาวเดนมาร์กเมื่อเขากำลังศึกษากลไกการออกฤทธิ์ของยาชาที่เส้นประสาทของปู (สารก่อมะเร็งไมนาส); งานที่เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1997

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

โครงสร้างของปั๊มโซเดียมโพแทสเซียม

ปั๊มโซเดียมโพแทสเซียมเป็นเอนไซม์ที่จากมุมมองของโครงสร้างควอเทอร์นารีประกอบด้วย 2 หน่วยย่อยของโปรตีนชนิดอัลฟา (α) และสองหน่วยย่อยของโปรตีนเบต้า (β)

ดังนั้นจึงเป็น tetramer ประเภทα2 whose2 ซึ่งมีหน่วยย่อยเป็นโปรตีนเมมเบรนหนึ่งนั่นคือพวกมันข้าม bilayer ของไขมันและมีทั้งโดเมนภายในและภายนอกเซลล์

หน่วยย่อยอัลฟ่าและเบต้าของปั๊มโพแทสเซียม Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

หน่วยย่อยอัลฟ่า

หน่วยย่อยαคือหน่วยที่มีไซต์ที่มีผลผูกพันสำหรับ ATP และสำหรับไอออน Na + และ K + และเป็นตัวแทนของส่วนประกอบตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์และหน่วยที่ทำหน้าที่ของปั๊มเอง

หน่วยย่อยαเป็นพอลิเปปไทด์ขนาดใหญ่โดยมีน้ำหนักโมเลกุล 120 kDa ส่วนของทรานส์เมมเบรน 10 ส่วนและมีปลายขั้ว N และ C อยู่ที่ด้านไซโตโซลิก

ที่ด้านในเซลล์มีไซต์ที่มีผลผูกพันสำหรับ ATP และ Na + เช่นเดียวกับสารตกค้างแอสพาเทตที่ตำแหน่ง 376 ซึ่งแสดงถึงไซต์ที่ผ่านกระบวนการฟอสโฟรีเลชันระหว่างการเปิดใช้งานปั๊ม

ไซต์ที่มีผลผูกพันสำหรับ K + ดูเหมือนจะอยู่ด้านนอกเซลล์

หน่วยย่อยเบต้า

หน่วยย่อยβดูเหมือนจะไม่มีส่วนร่วมโดยตรงในฟังก์ชันการสูบน้ำ แต่ในกรณีที่ไม่มีฟังก์ชันนี้จะไม่เกิดขึ้น

หน่วยย่อยβมีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 55 kDa ต่อหน่วยและเป็นไกลโคโปรตีนที่มีโดเมนทรานส์เมมเบรนเดียวซึ่งมีคาร์โบไฮเดรตตกค้างอยู่ในบริเวณนอกเซลล์

ดูเหมือนว่าจะมีความจำเป็นในเรติคูลัมเอนโดพลาสมิกซึ่งจะมีส่วนช่วยในการพับหน่วยย่อยαที่เหมาะสมจากนั้นในระดับเมมเบรนเพื่อทำให้คอมเพล็กซ์เสถียร

หน่วยย่อยทั้งสองประเภทมีความแตกต่างกันและมีการอธิบายไอโซฟอร์มα1, α2และα3สำหรับหน่วยหนึ่งและβ1, β2และβ3สำหรับอีกประเภทหนึ่ง Α1พบในเยื่อหุ้มเซลล์ส่วนใหญ่ในขณะที่α2มีอยู่ในกล้ามเนื้อหัวใจเนื้อเยื่อไขมันและสมองและα3ในหัวใจและสมอง

ไอโซฟอร์มβ1มีการกระจายแบบกระจายมากที่สุดแม้ว่าจะไม่มีอยู่ในเนื้อเยื่อบางส่วนเช่นเซลล์ขนถ่ายของหูชั้นในและเซลล์กล้ามเนื้อไกลโคไลติกที่ตอบสนองอย่างรวดเร็ว หลังมีเพียงβ2

โครงสร้างที่แตกต่างกันของหน่วยย่อยที่ประกอบเป็นปั๊ม Na + / K + ในเนื้อเยื่อที่แตกต่างกันอาจเกิดจากความเชี่ยวชาญด้านการทำงานที่ยังไม่ได้รับการอธิบาย

ฟังก์ชั่นปั๊มโพแทสเซียม

เมื่อพิจารณาถึงช่วงเวลาใด ๆ เมมเบรนในพลาสมาจะสร้างขอบเขตการแยกระหว่างช่องที่ตรงกับภายในของเซลล์และซึ่งแสดงถึงของเหลวนอกเซลล์ที่แช่อยู่

ทั้งสองช่องมีองค์ประกอบที่อาจแตกต่างกันในเชิงคุณภาพเนื่องจากมีสารภายในเซลล์ที่ไม่พบภายนอกและของเหลวนอกเซลล์ประกอบด้วยสารที่ไม่มีอยู่ภายในเซลล์

สารที่มีอยู่ในทั้งสองช่องสามารถพบได้ในความเข้มข้นที่ต่างกันและความแตกต่างเหล่านี้อาจมีความสำคัญทางสรีรวิทยา เป็นกรณีที่มีไอออนจำนวนมาก

การบำรุงรักษาสภาวะสมดุล

ปั๊ม Na + / K + มีบทบาทพื้นฐานในการบำรุงรักษาสภาวะสมดุลภายในเซลล์โดยการควบคุมความเข้มข้นของโซเดียมและโพแทสเซียมไอออน การบำรุงรักษาสภาวะสมดุลนี้ทำได้โดย:

การขนส่งไอออน : แนะนำไอออนโซเดียมและขับโพแทสเซียมไอออนซึ่งเป็นกระบวนการที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของโมเลกุลอื่น ๆ ผ่านตัวขนส่งอื่น ๆ ซึ่งขึ้นอยู่กับประจุไฟฟ้าหรือความเข้มข้นภายในของไอออนเหล่านี้
การควบคุมปริมาตรของเซลล์ : การนำหรือออกจากไอออนยังหมายถึงการเคลื่อนไหวของน้ำภายในเซลล์ด้วยเพื่อให้ปั๊มมีส่วนร่วมในการควบคุมปริมาณเซลล์
การสร้างศักยภาพของเมมเบรน : การขับออกของโซเดียม 3 ไอออนสำหรับทุก ๆ 2 โพแทสเซียมไอออนที่นำมาใช้ทำให้เมมเบรนยังคงมีประจุลบอยู่ภายในซึ่งจะสร้างความแตกต่างของประจุระหว่างภายในและภายนอกของเซลล์ ความแตกต่างนี้เรียกว่าศักยภาพในการพักผ่อน

Na + มีความเข้มข้นภายนอกเซลล์ประมาณ 142 mEq / L ในขณะที่ความเข้มข้นภายในเซลล์มีเพียง 12 mEq / L ในทางกลับกัน K + มีความเข้มข้นภายในเซลล์ (140 mEq / L) มากกว่าภายนอก (4 mEq / L)

แม้ว่าประจุไฟฟ้าของไอออนเหล่านี้จะไม่อนุญาตให้ผ่านเมมเบรน แต่ก็มีช่องไอออนที่อนุญาต (เลือกได้) ซึ่งจะส่งเสริมการเคลื่อนที่หากมีแรงที่เคลื่อนย้ายไอออนเหล่านี้ตามปกติ

อย่างไรก็ตามความแตกต่างในความเข้มข้นเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการรักษาสภาวะสมดุลของสิ่งมีชีวิตและต้องได้รับการรักษาให้สมดุลซึ่งหากสูญเสียไปจะก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางอินทรีย์ที่สำคัญ

การแพร่และปั๊มโซเดียมโพแทสเซียม (ที่มา: BruceBlaus เมื่อใช้ภาพนี้ในแหล่งข้อมูลภายนอกสามารถอ้างถึงได้ว่า: เจ้าหน้าที่ของ Blausen.com (2014) «แกลเลอรีการแพทย์ของ Blausen Medical 2014 ». WikiJournal of Medicine 1 (2) DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010 ISSN 2002-4436 การถ่ายทอดโดย Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) ผ่าน Wikimedia Commons)

ความแตกต่างของความเข้มข้นของ Na + ระหว่างภายในและภายนอกของเซลล์ทำให้เกิดการไล่ระดับทางเคมีที่ผลักโซเดียมเข้าด้านในและทำให้ไอออนนี้เข้าสู่อย่างต่อเนื่องและมีแนวโน้มที่จะกระจายความแตกต่างนั้นนั่นคือเพื่อทำให้ความเข้มข้นเท่ากันทั้งใน ด้านข้าง
การไล่ระดับโพแทสเซียมจะคงอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามนั่นคือจากภายในสู่ภายนอกทำให้ไอออนออกคงที่และการลดลงภายในและการเพิ่มขึ้นภายนอก

ฟังก์ชั่นของปั๊ม Na + / K + ช่วยให้สามารถสกัดโซเดียมที่เข้ามาโดยการแพร่ผ่านช่องทางหรือเส้นทางการขนส่งอื่น ๆ และการดึงกลับของโพแทสเซียมที่แพร่กระจายออกไปทำให้สามารถอนุรักษ์ความเข้มข้นภายในและภายนอกเซลล์ของสิ่งเหล่านี้ได้ ไอออน

กลไก (กระบวนการ)

กลไกการออกฤทธิ์ของ Na + / K + ATPase ประกอบด้วยวัฏจักรตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาการถ่ายโอนของกลุ่มฟอสโฟรีล (Pi) และการเปลี่ยนแปลงตามโครงสร้างของเอนไซม์ที่เปลี่ยนจากสถานะ E1 เป็นสถานะ E2 และในทางกลับกัน

การดำเนินการต้องมี ATP และ Na + อยู่ภายในเซลล์และ K + ในของเหลวนอกเซลล์

การผูกโซเดียมไอออนกับตัวขนย้าย

วัฏจักรเริ่มต้นในสถานะโครงสร้าง E1 ของเอนไซม์ซึ่งมีไซต์ไซโตโซลิก 3 แห่งที่จับกับ Na + และมีความสัมพันธ์กันสูง (Km ของ 0.6 mM) ที่ถูกครอบครองอย่างเต็มที่เนื่องจากความเข้มข้นของไอออนภายใน ( 12 mM) อนุญาต

การย่อยสลาย ATP

ในสถานะนี้ (E1) และเมื่อมี Na + ติดอยู่กับไซต์ที่มีผลผูกพัน ATP จะจับกับไซต์ของมันในภาคไซโตโซลิกของโมเลกุลไฮโดรไลเซสและหมู่ฟอสเฟตจะถูกถ่ายโอนไปยังแอสพาเทต 376 ทำให้เกิดอะซิลฟอสเฟตที่มีพลังงานสูง ที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงตามรูปแบบไปยังสถานะ E2

การขับโซเดียมไอออน 3 ตัวและโพแทสเซียมไอออน 2 ตัว

การเปลี่ยนแปลงรูปแบบไปยังสถานะ E2 หมายความว่าไซต์ที่มีผลผูกพัน Na + ส่งผ่านไปยังภายนอกความสัมพันธ์กับไอออนจะลดลงอย่างมากและถูกปล่อยออกสู่ของเหลวนอกเซลล์ในขณะเดียวกันความสัมพันธ์ของไซต์ที่มีผลผูกพัน K + จะเพิ่มขึ้น และไอออนเหล่านี้จะถูกผูกไว้ภายนอกปั๊ม

ในระหว่างสถานะ E2 ไอออนของ Na + จะถูกปล่อยออกไปอีกด้านหนึ่งของเมมเบรน

ในทางกลับกันสถานะใหม่ของปั๊มนี้จะสร้างความสัมพันธ์สำหรับการจับตัวของ K + ไอออน

การเปลี่ยนกลับจาก E2 เป็น E1

เมื่อปล่อย Na + และ K + ถูกผูกไว้การไฮโดรไลซิสของแอสปาร์ติลฟอสเฟตจะเกิดขึ้นและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจากสถานะ E2 เป็นสถานะ E1 จะถูกเปลี่ยนกลับโดยการแนะนำไซต์ที่มีผลผูกพัน Na + ที่ว่างเปล่าและไซต์ที่ถูกยึดครองของ K +

เมื่อการเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นไซต์ Na + จะกลับมามีความสัมพันธ์กันและไซต์ K + จะสูญเสียไปซึ่ง K + จะถูกปล่อยลงในเซลล์

ความสำคัญ

ในการบำรุงรักษาออสโมลาริตีของเซลล์

ปั๊ม Na + / K + มีอยู่ในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมส่วนใหญ่หากไม่ใช่ทั้งหมดซึ่งมีความสำคัญโดยทั่วไปโดยช่วยรักษาความเป็นออสโมลาร์และด้วยเหตุนี้ปริมาณของมัน

การที่โซเดียมอิออนเข้าสู่เซลล์อย่างต่อเนื่องเป็นการปรับสภาพการเพิ่มขึ้นของจำนวนอนุภาคที่ใช้งานออสโมติกภายในเซลล์ซึ่งทำให้เกิดการเข้ามาของน้ำและการเพิ่มขึ้นของปริมาตรซึ่งจะทำให้เกิดการแตกของเยื่อหุ้มเซลล์และการยุบตัวของเซลล์

ในการสร้างพังผืดที่มีศักยภาพ

เนื่องจากปั๊มเหล่านี้แนะนำเพียง 2 K + สำหรับทุกๆ 3 Na + ที่นำออกพวกมันจะทำงานด้วยไฟฟ้าซึ่งหมายความว่าประจุไฟฟ้าภายใน "สลายตัว" ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการผลิตลักษณะที่มีศักยภาพของเมมเบรนของเซลล์ร่างกาย

ความสำคัญของมันยังเห็นได้ชัดในความสัมพันธ์กับเซลล์ที่ประกอบเป็นเนื้อเยื่อที่เคลื่อนไหวได้ซึ่งศักยภาพในการดำเนินการนั้นมีลักษณะเฉพาะโดยการเข้ามาของไอออน Na + ซึ่งทำให้เซลล์เสื่อมสภาพและการออกของ K + ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนขั้ว

การเคลื่อนที่ของไอออนิกเหล่านี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากการทำงานของปั๊ม Na + / K + ซึ่งมีส่วนช่วยในการผลิตการไล่ระดับสีทางเคมีที่เคลื่อนย้ายไอออนที่เกี่ยวข้อง

หากไม่มีปั๊มเหล่านี้ซึ่งทำงานในทิศทางตรงกันข้ามการไล่ระดับความเข้มข้นของไอออนเหล่านี้จะกระจายไปและกิจกรรมกระตุ้นจะหายไป

ในการทำงานของไต

อีกแง่มุมหนึ่งที่เน้นถึงความสำคัญอย่างยิ่งของปั๊มโซเดียม - โพแทสเซียมเกี่ยวข้องกับการทำงานของไตซึ่งจะเป็นไปไม่ได้หากไม่มีพวกเขา

การทำงานของไตเกี่ยวข้องกับการกรองพลาสมาในปริมาณมากหรือน้อยกว่า 180 ลิตรทุกวันและสารจำนวนมากซึ่งบางส่วนจะต้องถูกขับออกไป แต่หลาย ๆ อย่างต้องได้รับการดูดซึมใหม่เพื่อไม่ให้สูญเสียไปในปัสสาวะ

การดูดซึมกลับของโซเดียมน้ำและสารกรองจำนวนมากขึ้นอยู่กับปั๊มเหล่านี้ซึ่งอยู่ในเยื่อหุ้มโคนของเซลล์ที่ประกอบเป็นเยื่อบุผิวของส่วนท่อต่างๆของไตไต

เซลล์เยื่อบุผิวที่เรียงแถวท่อไตมีด้านหนึ่งที่สัมผัสกับลูเมนของท่อและเรียกว่าด้านปลายและอีกด้านหนึ่งที่สัมผัสกับคั่นระหว่างหน้ารอบ ๆ ท่อและเรียกว่าด้านฐาน

น้ำและสารที่ถูกดูดซึมกลับมาจะต้องผ่านเข้าสู่เซลล์ผ่านปลายยอดก่อนแล้วจึงเข้าสู่คั่นระหว่างหน้าผ่านทางด้านเบส

การดูดซึมกลับของ Na + เป็นกุญแจสำคัญทั้งในด้านความสัมพันธ์และความสัมพันธ์กับน้ำและสารอื่น ๆ ที่ขึ้นอยู่กับมัน การเข้าสู่ปลายยอดของ Na + ในเซลล์จำเป็นต้องมีการไล่ระดับสีที่เคลื่อนย้ายและนั่นหมายถึงความเข้มข้นของไอออนที่ต่ำมากภายในเซลล์

ความเข้มข้นของ Na + ภายในเซลล์ต่ำนี้ผลิตโดยปั๊มโซเดียมในเยื่อฐานที่ทำงานอย่างเข้มข้นเพื่อกำจัดไอออนออกจากเซลล์ไปยังคั่นระหว่างหน้า

อ้างอิง

Ganong WF: The General & Cellular Basis of Medical Physiology, in: Review of Medical Physiology, 25th ed. นิวยอร์ก, McGraw-Hill Education, 2016
Guyton AC, Hall JE: การขนส่งสารข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ใน: Textbook of Medical Physiology, 13th ed, AC Guyton, JE Hall (eds) ฟิลาเดลเฟีย Elsevier Inc. , 2016
Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: การขนส่งข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ใน: อณูชีววิทยาและเซลล์, 4th ed.
Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008) หลักการทางชีวเคมีของ Lehninger Macmillan
Alberts, B. , Bray, D. , Hopkin, K. , Johnson, AD, Lewis, J. , Raff, M. , … & Walter, P. (2013) ชีววิทยาของเซลล์ที่จำเป็น การ์แลนด์วิทยาศาสตร์.

ปั๊มโซเดียมโพแทสเซียม: โครงสร้างหน้าที่กลไกความสำคัญ - ชีววิทยา - 2026