Натрій-калієвий насос

Натрій-калієвий насос (натрій-калієва помпа, Na⁺/K⁺-АТФаза) — фермент із групи транспортних аденозинтрифосфатаз, яка відповідає за перенос іонів Na⁺ та K⁺ через клітинну мембрану. Є Mg^2+, Na⁺, K⁺-залежним, але Са²⁺-незалежним транспортним білком, який має трансмембранну локалізацію. Кожна молекула АТФ переносить через мембрану 3 іони натрію із клітини, в обмін на 2 іони калію, що транспортуються всередину клітини.

Na⁺/K⁺-АТФаза забезпечує підтримання мембранного потенціалу спокою клітини. В результаті роботи насосу виникає дефіцит позитивно заряджених іонів всередині клітини, що призводить до утворення негативного заряду на внутрішній стороні клітинної мембрани і позитивного назовні. Також насос створює значний градієнт концентрації іонів Na⁺ i K⁺

Na⁺/K⁺-АТФаза виділена в чистому вигляді з декількох джерел належить до Р₂ класу, зокрема до Р₂С підкласу АТФаз.  

Являє собою інтегральний білок, що перетинає мембрану наскрізь, контактуючи як з позаклітинним середовищем, так і з цитоплазмою. Гідролітичний центр ферменту "звернений" всередину клітини і доступний для цитоплазматичної АТФ. Зсередини здійснюється також і активація ферменту натрієм, а калій потрібен ззовні. Гідролітичний центр і ділянки іонної активації розташовуються в гідрофільному оточенні в тих частинах молекули, які виступають із фосфоліпідного бішару.

Na⁺/K⁺-АТФаза має молекулярну масу 250–300 кДа і складається з двох субодиниць.

• α-Субодиниця являє собою ліпопротеїд (100 кДа) і містить центри зв'язування іонів Na⁺ і K⁺ та гідролітичний центр, що є локалізованим на внутрішній поверхні плазматичної мембрани й фосфорилюється при транслокації іонів. α-субодиниця пронизує ліпідний бішар й утворює 6 або 8 трансмембранних сегментів. Центр зв'язування глікозидів розташований на α-субодиниці на зовнішній поверхні мембрани, а центр фосфорилювання –на цитоплазматичної поверхні. Основна маса α-субодиниці є зосередженою на цитоплазматичній поверхні мембрани, утворюючи виступ близько 5 нм. N- і С-кінцеві фрагменти α-субодиниці розташовуються в цитоплазмі. N- кінцева частина поліпептидного ланцюга являє собою гнучку неспіралізованну ділянку, збагачену залишками лізину, який бере участь в конформаційних переходах і, можливо, регулює чутливість ферменту до катіонів. На N-кінці α-субодиниці є 4 трансмембранних фрагмента (Ml-М4), а на С-кінці ще 6 (М4-М10). Між трансмембранними фрагментами М2 і М3 розташовується мала цитоплазматична петля, а між М4 і М5 - великий цитоплазматичний домен, до складу якого входить понад 400 амінокислотних залишків α –субодиниці.

• β-Субодиниця є сіалоглікопротеїдом (40 кДа) і, на відміну від α-субодиниці не пронизує ліпідний бішар, а є вмонтованою в мембрану на зовнішній поверхні. β-субодиниця виконує регуляторні функції, зокрема, забезпечує правильну орієнтацію Na⁺/K⁺-АТФази в мембрані та відповідає за її антигенні властивості.  α-субодиниця пронизує ліпідний бішар й утворює 6 або 8 трансмембранних сегментів. Центр зв'язування глікозидів розташований на α-субодиниці на зовнішній поверхні мембрани, а центр фосфорилювання –на цитоплазматичної поверхні.  β-субодиниця розташована на зовнішній поверхні мембрани й має, ймовірно, тільки один трансмембранний сегмент.

Великий цитоплазматичний домен складається з α- спіральних і β-складчастих ділянок, які чергуються. Характерною його особливістю є наявність центрального ядра, яке оточене α-спіральними ділянками, з'єднаними гнучкими петлями. У великому цитоплазматичної домені α-субодиниці знаходиться залишок аспарагінової кислоти (Asp 369). Центри зв'язування іонів локалізовані в петлі між другою і третьої спіралями, що пронизують мембрану. Таким чином, α-субодиниця може виконувати функцію насоса незалежно від β-субодиниці. Однак обидва поліпептиди утворюють компактну глобулу, яка наскрізь пронизує мембрану. Та частина β-субодиниці, яка звернена у позаклітинне середовище, несе на собі ковалентно приєднані вуглеводні фрагменти. За масою і навністю вуглеводів цей поліпептид можна віднести до лектинів - мембранних глікопротеїнів, які відповідають за міжклітинний впізнавання і адгезію. В процесі білкового синтезу обидві субодиниці вбудовуються в мембрану одночасно.

Третій білок, названий γ-субодиницею, був ідентифікований з очищених препаратів ферменту. γ-субодиниця – це маленький, гідрофобний поліпептид з 8-14 кДа, який локалізований з α-субодиницею в нефроновому сегменті і імунологічно прицепитирується з αβ-комплексом.

При гідролізі АТФ, що забезпечує енергією активний транспорт іонів, Na / K-АТФаза здійснює складну багатостадійну реакцію, в якій беруть участь іони натрію, калію і магнію, а також АТФ.

Гідроліз АТФ цією ферментною системою відбувається у відповідності з наступним рівнянням:

АТФ^4- + 3Na⁺_в + 2K⁺_зв → АДФ^3- + Pi + 3Na⁺_зв + 2K⁺_в ,

де Na⁺_в  і 2K⁺_зв  - являють собою внутрішньоклітинні іони, а Na⁺_зв + 2K⁺_в -іони, що знаходяться із зовнішнього боку клітини.

Схема цього процесу:

Е +АТФ ↔ E1Ф ↔ E2Ф ↔ E2 + Ф_н ↔  E +  АДФ.

На внутрішній поверхні плазматичної мембрани відбувається активація ферменту у присутності іонів Na⁺ та Mg²⁺, це викликає фосфорилювання ферменту за рахунок кінцевої γ-фосфатної групи АТФ з утворенням проміжного комплексу ЕФ. Ця стадія не пригнічується оуабаїном, але  інгібується іонами Ca²⁺. Утворений фосфорильований продукт ЕФ підлягає розпаду, що стимулюється іонами K⁺ на зовнішній поверхні мембрани. Водночас калій надходить усередину клітини, а натрій вивільняється у позаклітинне середовище. Ця стадія калійзалежного гідролізу ферменту інгібується серцевим глікозидом оуабаїном. Енергія, яка необхідна для транслокації K⁺ крізь мембрану в цитоплазму вивільняється при гідролізі фосфорильованого комплексу. Вважається, що фосфорильований фермент може перебувати у двох конформаційних станах: E1Ф та E2Ф, рівновага між яким контролюється іонами Mg²⁺, причому перша форма має більшу спорідненість з АДФ, а друга – з K⁺ .

Джерелом енергії для первинно-активного транспорту є АТФ; усі іонні насоси одночасно є ферментами, що гідролізують АТФ – АТФазами. При цьому перенесення речовин здійснюється проти їхнього концентраційного градієнта.

Активність Na⁺/K⁺-АТФази змінюється під дією різних екзогенних і ендогенних факторів, таких як:

• рН,
• температура,
• концентрація АТФ,
• концентрація катіонів Mg²⁺

Внутрішньоклітинне співвідношення [АТФ]/[АДФ] розглядають як пусковий механізм роботи Na⁺/K⁺-АТФази.

Зміни активності Na⁺/K⁺-АТФази можуть залежати як від внутрішньоклітинної, так і від зовнішньоклітинної концентрації Na⁺ .

Довготривала регуляція, обумовлена збільшенням синтезу α- і β-субодиниць Na⁺/K⁺-АТФази, спостерігається в деяких видах тканин під дією таких гормонів як альдостерон (ниркові канальці) , тироксин (стимулює активність Na⁺/K⁺-АТФази в багатьох типах тканин).

Також регуляторами ферментативної активності Na⁺/K⁺-АТФази є протеїнкіназа С та цАМФ- залежна протеїнкіназа (протеїнкіназа А).

Фосфорилювання Na⁺/K⁺-АТФази протеїнкіназою С призводить до інгібування її активності. Фосфорилювання протеїнкіназою А АТФ-гідролази залежно від умов спричиняє пригнічення, активування чи відсутність дії цього ферменту.

Na⁺/K⁺-АТФаза є рецептором для ендогенних кардіотичних стероїдів.

Активність цього ферменту в клітині першочергово регулюється співвідношенням натрію і калію та доступністю АТФ.

• Натрій-кальцієвий обмінник
• Мембранний потенціал спокою
• Потенціал дії
• Мембранний транспорт

1. Костюк П. Г., Гродзинский Д. М., Зима В. Л. и др. Биофизика. — К.: Вища школа, 1988, — 504с.^{[сторінка?]}
2. Кравець В. І. «Біофізика». Посібник для студентів університетів спеціальності «біологія». Івано-Франківськ, 2005, 256 с.^{[сторінка?]}