Na + /K + -ATPaza -Na+/K+-ATPase

Pompa Na⁺/K⁺-ATPaza
3b8e.png
Pompa sodowo-potasowa, stan E2-Pi. Obliczone granice węglowodorów dwuwarstwy lipidowej są pokazane jako niebieskie (wewnątrzkomórkowe) i czerwone (pozakomórkowe) płaszczyzny
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
Przepływ jonów.
Jednostki alfa i beta.

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

Na⁺/K⁺-ATPaza, a także efekty dyfuzji zaangażowanych jonów utrzymują potencjał spoczynkowy przez błony.

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 dystoniiparkinsonizmu , 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

Pompa sodowo-potasowa znajduje się w wielu błonach komórkowych (plazmatycznych). Zasilana przez ATP pompa przemieszcza jony sodu i potasu w przeciwnych kierunkach, każdy wbrew swojemu gradientowi stężeń. W jednym cyklu pompy trzy jony sodu są wytłaczane, a dwa jony potasu są importowane do ogniwa.

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

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