Na + /K + -ATPaza -Na+/K+-ATPase
Pompa Na⁺/K⁺-ATPaza | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identyfikatory | |||||||||
Nr WE | 7.2.2.13 | ||||||||
Bazy danych | |||||||||
IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
PRIAM | profil | ||||||||
Struktury WPB | RCSB PDB PDBe Suma PDB | ||||||||
|
Na + / K + ATPazy- ( sodu - potasu adenozynowej trifosfatazy , znany również jako Na + / K + pompy lub pompy sodowo-potasowej ) jest enzym (y elektrogenicznego transbłonową ATPaza ) znajduje się w błonie wszystkich zwierzęcych komórek. Pełni kilka funkcji w fizjologii komórki .
Enzym Na⁺/K⁺-ATPaza jest aktywny (tzn. wykorzystuje energię z ATP ). Na każdą cząsteczkę ATP używaną przez pompę eksportowane są trzy jony sodu, a importowane są dwa jony potasu; stąd eksport netto jednego ładunku dodatniego na cykl pompy.
Pompa sodowo-potasowa została odkryta w 1957 roku przez duńskiego naukowca Jensa Christiana Skou , który w 1997 roku otrzymał Nagrodę Nobla za swoją pracę. Jej odkrycie stanowiło ważny krok naprzód w zrozumieniu, w jaki sposób jony przedostają się do komórek i z nich wydostają. ma to szczególne znaczenie dla komórek pobudliwych, takich jak komórki nerwowe , które zależą od tej pompy, aby reagować na bodźce i przekazywać impulsy.
Wszystkie ssaki mają cztery różne podtypy pompy sodowej lub izoformy. Każdy ma unikalne właściwości i wzorce ekspresji tkankowej. Enzym ten należy do rodziny typu P ATPazy .
Funkcjonować
Na⁺/K⁺-ATPaza pomaga w utrzymaniu potencjału spoczynkowego , wpływa na transport i reguluje objętość komórek . Działa również jako przetwornik/integrator sygnału regulujący szlak MAPK , reaktywne formy tlenu (ROS), a także wewnątrzkomórkowy wapń. W rzeczywistości wszystkie komórki zużywają dużą część ATP, które wytwarzają (zazwyczaj 30% i do 70% w komórkach nerwowych), aby utrzymać wymagane stężenie Na i K w cytozolu. W przypadku neuronów ATP-aza Na⁺/K⁺ może odpowiadać za do 3/4 wydatku energetycznego komórki. W wielu typach tkanek zużycie ATP przez ATPazy Na⁺/K⁺ jest związane z glikolizą . Po raz pierwszy odkryto to w czerwonych krwinkach (Schrier, 1966), ale później wykazano je w komórkach nerek, mięśniach gładkich otaczających naczynia krwionośne i komórkach Purkiniego serca. Ostatnio wykazano również, że glikoliza ma szczególne znaczenie dla Na⁺/K⁺-ATPaz w mięśniach szkieletowych, gdzie hamowanie rozkładu glikogenu (substratu do glikolizy ) prowadzi do zmniejszenia aktywności Na⁺/K⁺-ATPazy i mniejszej produkcji siły .
Potencjał spoczynkowy
W celu utrzymania potencjału błony komórkowej komórki utrzymują niskie stężenie jonów sodu i wysoki poziom jonów potasu w komórce ( wewnątrzkomórkowe ). Mechanizm pompy sodowo-potasowej usuwa 3 jony sodu na zewnątrz i przenosi 2 jony potasu do środka, co w sumie usuwa jeden dodatni nośnik ładunku z przestrzeni wewnątrzkomórkowej ( szczegóły w rozdziale Mechanizm ). Ponadto w błonie znajduje się kanał zwarciowy (tj. kanał jonowy o wysokiej przepuszczalności dla K) dla potasu, dzięki czemu napięcie na błonie komórkowej jest zbliżone do potencjału Nernsta potasu.
Potencjał odwrócenia
Nawet jeśli jony K⁺ i Na⁺ mają ten sam ładunek, nadal mogą mieć bardzo różne potencjały równowagi zarówno dla stężeń zewnętrznych, jak i wewnętrznych. Pompa sodowo-potasowa porusza się w kierunku stanu równowagi ze względnymi stężeniami Na⁺ i K⁺ zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz komórki. Na przykład stężenie K⁺ w cytozolu wynosi 100 mM, podczas gdy stężenie Na⁺ wynosi 10 mM. Z kolei w przestrzeni pozakomórkowej stężenie K⁺ wynosi 5 mM, natomiast stężenie Na⁺ 150 mM.
Transport
Eksport sodu z komórki stanowi siłę napędową dla kilku drugorzędowych aktywnych transporterów białek transportujących błonę , które importują glukozę , aminokwasy i inne składniki odżywcze do komórki za pomocą gradientu sodu.
Innym ważnym zadaniem pompy Na⁺-K⁺ jest zapewnienie gradientu Na⁺, który jest wykorzystywany w pewnych procesach nośnych. Na przykład w jelicie sód jest transportowany z komórki reabsorbującej po stronie krwi (płynu śródmiąższowego) przez pompę Na⁺-K⁺, podczas gdy po stronie reabsorbującej (prześwitu) symporter Na⁺-glukozy wykorzystuje stworzył gradient Na⁺ jako źródło energii do importowania zarówno Na⁺, jak i glukozy, co jest znacznie bardziej wydajne niż zwykła dyfuzja. Podobne procesy zachodzą w układzie kanalików nerkowych .
Kontrolowanie objętości komórki
Awaria pomp Na⁺-K⁺ może spowodować pęcznienie komórki. Osmolarność komórki jest sumą stężeń różnych rodzajów jonów oraz wielu białek i innych związków organicznych wewnątrz komórki. Kiedy jest ona wyższa niż osmolarność na zewnątrz komórki, woda wpływa do komórki przez osmozę . Może to spowodować pęcznienie i lizę komórki . Pompa Na⁺-K⁺ pomaga w utrzymaniu prawidłowego stężenia jonów. Co więcej, gdy komórka zaczyna pęcznieć, automatycznie aktywuje się pompę Na⁺-K⁺, ponieważ zmienia ona wewnętrzne stężenia Na⁺-K⁺, na które pompa jest wrażliwa.
Działa jako przetwornik sygnału
W ciągu ostatniej dekady, wiele niezależnych laboratoria badawcze wykazały, że oprócz klasycznego transportu jonów, białko błony może przekazywać zewnątrzkomórkowej ouabainę -binding sygnalizacji do komórki poprzez regulację białek fosforylacji tyrozyny. Na przykład w Ramnanan CJ. W 2006 roku w pracy zbadano funkcję Na+/K+ATPazy w mięśniu stopy i wątrobianotrzustce ślimaka lądowego O.Lactea porównując stan aktywny i estymujący. Doszli do wniosku, że odwracalna fosforylacja może kontrolować tych samych środków koordynowanie wykorzystania ATP przez tę pompę jonów z szybkości wytwarzania ATP przez katabolicznych szlakami estivating O. lactea .the sygnałów w dół przez ouabainy wywoływane zdarzenia fosforylacji białka, obejmują aktywację mitogenem aktywowane kaskady sygnałowe kinazy białkowej (MAPK), mitochondrialne wytwarzanie reaktywnych form tlenu (ROS), a także aktywacja receptora fosfolipazy C (PLC) i trifosforanu inozytolu (IP3) ( IP3R ) w różnych przedziałach wewnątrzkomórkowych.
Oddziaływania białko-białko odgrywają bardzo ważną rolę w przekazywaniu sygnału za pośrednictwem pompy Na⁺-K⁺. Na przykład, pompa Na⁺-K⁺ oddziałuje bezpośrednio z Src , niereceptorową kinazą tyrozynową, tworząc sygnalizacyjny kompleks receptorowy. Kinaza Src jest hamowana przez pompę Na⁺-K⁺, podczas gdy po związaniu ouabainy domena kinazy Src zostanie uwolniona, a następnie aktywowana. W oparciu o ten scenariusz, NaKtide, peptydowy inhibitor Src pochodzący z pompy Na⁺-K⁺, został opracowany jako funkcjonalna transdukcja sygnału za pośrednictwem pompy ouabaina–Na⁺-K⁺. Na +, K + pompy także z układem ankirynowymi , IP3R, PI3K , PLC-gamma i cofilin .
Kontrolowanie stanów aktywności neuronów
Wykazano, że pompa Na⁺-K⁺ kontroluje i ustawia wewnętrzny tryb aktywności móżdżkowych neuronów Purkinjego , dodatkowych komórek mitralnych opuszki węchowej i prawdopodobnie innych typów neuronów. Sugeruje to, że pompa może nie być po prostu homeostatyczną cząsteczką „gospodarującą” dla gradientów jonowych, ale może być elementem obliczeniowym w móżdżku i mózgu . Rzeczywiście, mutacja w pompie Na⁺-K⁺ powoduje szybki początek dystonii – parkinsonizmu , który ma objawy wskazujące, że jest to patologia obliczeń móżdżkowych. Ponadto blok ouabainy pompujący Na⁺-K⁺ w móżdżku żywej myszy powoduje u niej ataksję i dystonię . Alkohol hamuje pompy sodowo-potasowe w móżdżku i prawdopodobnie w ten sposób zaburza obliczenia móżdżkowe i koordynację ciała. Wykazano, że dystrybucja pompy Na⁺-K⁺ na mielinowanych aksonach w ludzkim mózgu przebiega wzdłuż aksolemy międzywęzłowej, a nie w aksolemie węzłowej, jak wcześniej sądzono.
Mechanizm
Patrząc na proces rozpoczynający się od wnętrza komórki.
- Pompa ma większe powinowactwo do jonów Na⁺ niż jony K⁺, dzięki czemu po związaniu ATP wiąże 3 wewnątrzkomórkowe jony Na⁺.
- ATP jest hydrolizowany , co prowadzi do fosforylacji pompy w wysoce konserwowanej reszcie asparaginianowej, a następnie do uwolnienia ADP . Proces ten prowadzi do zmiany konformacyjnej pompy.
- Zmiana konformacyjna odsłania jony Na⁺ na zewnątrz. Fosforylowana forma pompy ma niskie powinowactwo do jonów Na⁺, więc są one uwalniane; natomiast ma wysokie powinowactwo do jonów K⁺.
- Pompa wiąże 2 zewnątrzkomórkowe jony K⁺. Powoduje to defosforylację pompy, przywracając jej poprzedni stan konformacyjny, a tym samym uwalniając jony K⁺ do komórki.
- Niefosforylowana forma pompy ma wyższe powinowactwo do jonów Na⁺. ATP wiąże się i proces rozpoczyna się od nowa.
Rozporządzenie
Endogenny
Na⁺/K⁺-ATPaza jest regulowana w górę przez cAMP . Zatem substancje powodujące wzrost cAMP zwiększają aktywność ATP-azy Na⁺/K⁺. Należą do nich ligandami do G s -coupled GPCR. W przeciwieństwie do tego, substancje powodujące spadek cAMP regulują w dół Na⁺/K⁺-ATPazę. Należą do nich ligandami G i -coupled GPCR. Uwaga: Wczesne badania wykazały odwrotny efekt, ale później okazało się, że są one niedokładne z powodu dodatkowych czynników komplikujących.
Na⁺/K⁺-ATPaza jest endogennie ujemnie regulowana przez pirofosforan inozytolu 5-InsP7, wewnątrzkomórkową cząsteczkę sygnalizacyjną generowaną przez IP6K1 , która uwalnia domenę autohamującą PI3K p85α, prowadząc do endocytozy i degradacji.
Na⁺/K⁺-ATPaza jest również regulowana przez odwracalną fosforylację. Badania wykazały, że w ocenie zwierząt ATP-aza Na⁺/K⁺ występuje w formie fosforylowanej i o niskiej aktywności. Defosforylacja Na⁺/K⁺-ATPazy może przywrócić ją do postaci o wysokiej aktywności.
Egzogenny
Na⁺/K⁺-ATPaza może być modyfikowana farmakologicznie przez podawanie leków egzogennie. Jej ekspresję można również modyfikować za pomocą hormonów, takich jak trijodotyronina , hormon tarczycy .
Na przykład Na⁺/K⁺-ATPaza znajdująca się w błonie komórek serca jest ważnym celem glikozydów nasercowych (na przykład digoksyny i ouabainy ), leków inotropowych stosowanych w celu poprawy wydajności serca poprzez zwiększenie jego siły skurczu.
Skurcz mięśni zależy od 100 do 10 000 razy wyższego niż spoczynkowe stężenia wewnątrzkomórkowego Ca²⁺ , co jest spowodowane uwalnianiem Ca²⁺ z retikulum sarkoplazmatycznego komórek mięśniowych. Bezpośrednio po skurczu mięśni wewnątrzkomórkowy Ca²⁺ jest szybko przywracany do normalnego stężenia przez enzym nośnikowy w błonie komórkowej oraz pompę wapniową w siateczce sarkoplazmatycznej , powodując rozluźnienie mięśnia.
Zgodnie z hipotezą Blausteina, ten enzym nośnikowy (wymiennik Na⁺/Ca²⁺, NCX) wykorzystuje gradient Na generowany przez pompę Na⁺-K⁺ do usuwania Ca²⁺ z przestrzeni wewnątrzkomórkowej, co spowalnia Na⁺-K Pompa ⁺ powoduje trwale podwyższony poziom Ca²⁺ w mięśniu , co może być mechanizmem długotrwałego działania inotropowego glikozydów nasercowych, takich jak digoksyna. Problem z tą hipotezą jest to, że przy stężeniu farmakologicznym naparstnicy, mniej niż 5% Na / K-ATPazy cząsteczek specyficznie izoformy α2 w serca i mięśni gładkich tętnic ( K D = 32 nm), - są zablokowane, nie wystarczy wpływają na wewnątrzkomórkowe stężenie Na⁺. Jednak oprócz populacji Na/K-ATPazy w błonie komórkowej odpowiedzialnej za transport jonów, w kaweolach istnieje inna populacja, która działa jako receptor naparstnicy i stymuluje receptor EGF .
Regulacja farmakologiczna
W pewnych stanach, takich jak choroba serca, może być konieczne zahamowanie Na⁺/K⁺-ATPazy środkami farmakologicznymi. Powszechnie stosowanym inhibitorem stosowanym w leczeniu chorób serca byłaby digoksyna, która zasadniczo wiąże się „z zewnątrzkomórkową częścią enzymu, tj. wiąże potas, gdy jest w stanie ufosforylowanym, aby przenieść potas do wnętrza komórki”. następuje defosforylacja podjednostki alfa, co zmniejsza wpływ choroby serca. To dzięki hamowaniu Na⁺/K⁺-ATPazy poziom sodu zacznie wzrastać w komórce, co ostatecznie zwiększa stężenie wapnia wewnątrzkomórkowego poprzez wymiennik sód-wapń. Ta zwiększona obecność wapnia pozwala na zwiększenie siły skurczu. W przypadku pacjentów, u których serce nie pompuje wystarczająco mocno, aby zapewnić organizmowi to, co potrzebne, takie podejście pozwala na chwilowe przezwyciężenie tego.
Odkrycie
Na⁺/K⁺-ATPaza została odkryta przez Jensa Christiana Skou w 1957 roku podczas pracy jako adiunkt na Wydziale Fizjologii Uniwersytetu w Aarhus w Danii . W tym samym roku opublikował swoją pracę.
W 1997 roku otrzymał połowę nagrody Nobla w dziedzinie chemii „za pierwsze odkrycie enzymu transportującego jony, Na⁺,K⁺-ATPazy”.
Geny
- Alfa: ATP1A1 ATP1A1 , ATP1A2 ATP1A2 , ATP1A3 ATP1A3 , ATP1A4 ATP1A4 . #1 dominuje w nerkach. #2 jest również znany jako „alfa(+)”
- Beta: ATP1B1 ATP1B1 , ATP1B2 , ATP1B3 ATP1B3 , ATP1B4
U owadów
Badania mutagenezy przeprowadzone przez Susanne Dobler zidentyfikowały zachowane szpilki do włosów M3-M4 i M5-M6. W pozycji 312 owady żerujące na gatunkach Apocynum różniły się od Na⁺/K⁺-ATPazy ssaków poprzez zmianę kwasu glutaminowego na kwas asparaginowy. Stwierdzono zatem, że owady mają wyższy stopień ochrony w C-końcu kieszeni wiążącej ouabainę . Dobler i in. stwierdzili 87% identyczności aminokwasów wśród sekwencji owadów, co wskazuje na wysoki poziom zbieżności molekularnej wśród czterech rzędów owadożernych roślinożerców. Tak więc niektóre podstawienia zapewniają odporność na kardenolidy jako adaptację nawet w obrębie gałęzi filogenetycznych.
Dodatkowe obrazy
Zobacz też
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Sód + potas + ATP-aza w Narodowej Bibliotece Medycznej USA Medical Subject Headings (MeSH)
- RCSB Protein Data Bank: pompa sodowo-potasowa
- Film autorstwa Khan Academy .