Natrium Kaliumpumpe Funktion, Funktionen und Bedeutung



Die Kalium-Natrium-Pumpe ist ein aktiver zellulärer Transportmechanismus, der Natriumionen (Na+) vom Zellinneren nach außen und dem Kaliumion (K+) in die entgegengesetzte Richtung. Die Pumpe ist verantwortlich für die Aufrechterhaltung der Konzentrationsgradienten, die für beide Ionen charakteristisch sind.

Dieser Ionentransport tritt gegen normale Konzentrationsgradienten auf, denn wenn ein Ion in der Zelle hochkonzentriert ist, neigt es dazu, es zu verlassen, um die Konzentrationen mit der Außenseite gleichzusetzen. Die Kalium-Natrium-Pumpe bricht dieses Prinzip und benötigt dazu Energie in Form von ATP.

Tatsächlich ist diese Pumpe ein Modellbeispiel für aktiven zellularen Transport. Die Pumpe wird durch einen Komplex enzymatischer Natur gebildet, der die Bewegungen der Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle ausführt. Es ist in allen Membranen tierischer Zellen vorhanden, obwohl es in bestimmten Arten, wie Neuronen und Muskelzellen, häufiger vorkommt.

Natrium- und Kaliumionen sind für verschiedene biologische Funktionen, wie die Aufrechterhaltung und Regulierung des Zellvolumens, die Übertragung von Nervenimpulsen, die Erzeugung von Muskelkontraktionen, von entscheidender Bedeutung.

Index

  • 1 Bedienung
    • 1.1 Grundprinzipien des zellulären Transports
    • 1.2 Aktiver und passiver Transport
    • 1.3 Eigenschaften der Natrium-Kalium-Pumpe
    • 1.4 Wie funktioniert die Natrium-Kalium-Pumpe?
    • 1.5 ATPase
    • 1.6 Regenerative und elektrogene ionische Pumpen
    • 1.7 Pumpendrehzahl
    • 1.8 Transportkinetik
  • 2 Funktionen und Wichtigkeit
    • 2.1 Zelllautstärkeregler
    • 2.2 Ruhendes Membranpotential
    • 2.3 Nervöse Impulse
  • 3 Inhibitoren
  • 4 Referenzen

Bedienung

Grundprinzipien des zellulären Transports

Bevor der Betrieb der Natrium-Kalium-Pumpe gründlich untersucht wird, müssen die Begriffe verstanden und definiert werden, die für den zellulären Transport am häufigsten verwendet werden.

Die Zellen stehen in ständigem Austausch mit ihrer äußeren Umgebung. Diese Bewegung erfolgt dank der Anwesenheit von semipermeablen Lipidmembranen, die den Eintritt und Austritt von Molekülen ermöglichen. Die Membranen sind hochselektive Einheiten.

Biomembranen bestehen nicht nur aus Lipiden; Sie haben auch eine Reihe von Proteinen, die mit ihnen verbunden sind, die sie kreuzen oder sich auf anderen Wegen an ihnen verankern können.

Angesichts des apolaren Verhaltens des Inneren der Membranen ist der Eintritt von polaren Substanzen beeinträchtigt. Die Verschiebung polarer Moleküle ist jedoch notwendig, um verschiedenen Prozessen zu entsprechen; Daher muss die Zelle über Mechanismen verfügen, die den Übergang dieser polaren Moleküle ermöglichen.

Die Passage von Molekülen durch die Membranen kann durch physikalische Prinzipien erklärt werden. Diffusion ist die zufällige Bewegung von Molekülen aus Bereichen hoher Konzentration in Regionen, in denen die Konzentration niedriger ist.

Auch die Bewegung von Wasser mittels semipermeabler Membranen wird durch Osmose erklärt, ein Prozess, bei dem der Wasserfluss dort stattfindet, wo eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen vorliegt.

Aktiver und passiver Transport

Abhängig von der Verwendung von Energie wird der Transport durch die Membranen als passiv und aktiv klassifiziert.

Wenn ein gelöster Stoff passiv transportiert wird, geschieht dies nur zugunsten von Konzentrationsgradienten, die dem Prinzip der einfachen Diffusion folgen.

Es kann dies durch die Membran, durch wässrige Kanäle oder unter Verwendung eines Transportmoleküls tun, das den Prozess erleichtert. Die Rolle des Transportermoleküls besteht darin, eine polare Substanz so zu "maskieren", dass sie die Membran passieren kann.

Es kommt zu einem Punkt, an dem die gelösten Stoffe ihre Konzentrationen auf beiden Seiten der Membran gleichgesetzt haben und der Fluss stoppt. Wenn Sie das Molekül in eine bestimmte Richtung bewegen möchten, müssen Sie Energie in das System injizieren.

Bei geladenen Molekülen müssen der Konzentrationsgradient und der elektrische Gradient berücksichtigt werden.

Die Zelle investiert viel Energie, um diese Gradienten aus dem Gleichgewicht zu halten, dank der Existenz eines aktiven Transports, der ATP verwendet, um ein Partikel in Bereiche hoher Konzentration zu bewegen.

Eigenschaften von Natrium-Kalium-Pumpe

In den Zellen ist die Kaliumkonzentration etwa 10 bis 20 mal höher als im Zellinneren. Auf dieselbe Weise ist die Konzentration von Natriumionen außerhalb der Zelle viel höher.

Der Mechanismus, der für die Aufrechterhaltung dieser Konzentrationsgradienten verantwortlich ist, ist die Natrium-Kalium-Pumpe, die von einem Enzym gebildet wird, das in Tierzellen an der Plasmamembran verankert ist.

Es ist vom Antiport-Typ, da es eine Art Molekül von einer Seite der Membran gegen eine andere austauscht. Der Natriumtransport erfolgt nach außen, während der Kaliumtransport im Inland stattfindet.

Hinsichtlich der Anteile erfordert die Pumpe den obligatorischen Austausch von zwei Kaliumionen von außen durch drei Natriumionen aus dem Zellinneren. Bei einem Mangel an Kaliumionen kann der normalerweise auftretende Austausch von Natriumionen nicht durchgeführt werden.

Wie funktioniert die Natrium-Kalium-Pumpe?

Der erste Schritt ist die Fixierung der drei Natriumionen im ATPase-Protein.Der Abbau von ATP in ADP und Phosphat tritt auf; Das in dieser Reaktion freigesetzte Phosphat ist mit dem Protein assoziiert und induziert eine Konformationsänderung in den Transportkanälen.

Der Schritt ist als Proteinphosphorylierung bekannt. Mit diesen Modifikationen werden die Natriumionen an die Außenseite der Zelle ausgestoßen. Anschließend erfolgt die Vereinigung der beiden Kaliumionen von außen.

In dem Protein sind die Phosphatgruppen entkoppelt (das Protein ist dephosphoryliert) und das Protein kehrt zu seiner ursprünglichen Struktur zurück. In diesem Stadium können die Kaliumionen eintreten.

ATPase

Strukturell ist die "Pumpe" ein Enzym des ATPase-Typs, das Bindungsstellen für Natriumionen und ATP auf der dem Zytoplasma zugewandten Oberfläche aufweist, und in dem Teil, der dem Äußeren der Zelle zugewandt ist, sind die Stellen von Vereinigung für Kalium.

In Säugetierzellen wird der Austausch von Na + cytoplasmatischen Ionen durch extrazelluläre K + -Ionen durch ein an der Membran verankertes Enzym, ATPase genannt, vermittelt. Der Austausch von Ionen führt zu einem Membranpotential.

Dieses Enzym besteht aus zwei Membranpolypeptiden mit zwei Untereinheiten: Alpha von 112 kD und Beta von 35 kD.

Ionische Pumpen, regenerativ und elektrogen

Da die Bewegung von Ionen durch die Membranen ungleich ist (zwei Kaliumionen für drei Natriumionen), beinhaltet die Nettobewegung nach außen eine positive Ladung pro Pumpzyklus.

Diese Pumpen werden als reogen bezeichnet, da sie eine Nettobewegung von Ladungen beinhalten und einen transmembranen elektrischen Strom erzeugen. In dem Fall, in dem der Strom einen Effekt auf die Membranspannung erzeugt, wird die Pumpe als elektrogen bezeichnet.

Pumpgeschwindigkeit

Unter Bedingungen der Normalität ist die Menge an Natriumionen, die in das Äußere der Zelle gepumpt wird, gleich der Anzahl der Ionen, die in die Zelle eindringen, so dass der Nettofluss der Bewegung gleich Null ist.

Die Menge an Ionen, die außerhalb und innerhalb der Zelle existiert, wird durch zwei Faktoren bestimmt: die Geschwindigkeit, mit der der aktive Transport von Natrium stattfindet, und die Geschwindigkeit, mit der es durch Diffusionsprozesse wieder eintritt.

Logischerweise bestimmt die Geschwindigkeit des Eintritts durch Diffusion die Geschwindigkeit, die von der Pumpe benötigt wird, um die erforderliche Konzentration in der intra- und extrazellulären Umgebung aufrechtzuerhalten. Wenn die Konzentration zunimmt, erhöht die Pumpe ihre Geschwindigkeit.

Transportkinetik

Der aktive Transport weist eine Michaelis-Menten-Kinetik auf, die für eine signifikante Anzahl von Enzymen charakteristisch ist. Ebenso wird es durch analoge Moleküle inhibiert.

Funktionen und Wichtigkeit

Zelllautstärkeregelung

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist verantwortlich für die Aufrechterhaltung eines optimalen Zellvolumens. Dieses System fördert den Austritt von Natriumionen; Daher erhält die extrazelluläre Umgebung positive Ladungen. Aufgrund der Anziehung von Ladungen sammeln sich Ionen mit negativen Ladungen, wie Chlor- oder Bicarbonationen an.

An diesem Punkt hat die extrazelluläre Flüssigkeit eine signifikante Menge an Ionen, die die Bewegung von Wasser aus dem Zellinneren nach außen - durch Osmose - erzeugt, um diese gelösten Stoffe zu verdünnen.

Ruhendes Membranpotential

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist bekannt für ihre Rolle im Nervenimpuls. Die Nervenzellen, genannt Neuronen, sind elektrisch aktiv und auf den Impulstransport spezialisiert. In Neuronen kann man von einem "Membranpotential" sprechen.

Ein Membranpotential tritt auf, wenn auf beiden Seiten der Membran eine Ungleichheit der Ionenkonzentration vorliegt. Da das Innere der Zelle große Mengen Kalium enthält und die Außenseite reich an Natrium ist, besteht dieses Potenzial.

Das Membranpotential kann unterschieden werden, wenn die Zelle in Ruhe ist (es gibt keine aktiven oder postsynaptischen Ereignisse), ebenso wie das Aktionspotential.

Wenn sich die Zelle in Ruhe befindet, wird ein Potential von -90 mV festgestellt, und dieser Wert wird hauptsächlich durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten. In der Mehrzahl der untersuchten Zellen liegen Ruhepotentiale im Bereich zwischen -20 mV und -100 mV.

Nervöse Impulse

Der Nervenimpuls führt zur Öffnung der Natriumkanäle, erzeugt ein Ungleichgewicht in der Membran und wird als "depolarisiert" bezeichnet. Da es eine positive Ladung hat, tritt eine Umkehrung der Belastung auf der Innenseite der Membran auf.

Wenn das Imposante endet, tritt die Öffnung der Kaliumkanäle auf, um die Ladungen in der Zelle aufzufüllen. Zu diesem Zeitpunkt hält die Natrium-Kalium-Pumpe die Konzentration der Ionen konstant.

Inhibitoren

Die Natrium-Kalium-Pumpe kann durch das Herzglukosid Ouabin inhibiert werden. Wenn diese Verbindung die Oberfläche der Zelle erreicht, konkurriert sie um die Bindungsstellen der Ionen. Es wird auch durch andere Glycoside wie Digoxin inhibiert.

Referenzen

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