Будова і функціонування натрій-калієвої АТФази
• Na + / K + -АТФаза відноситься до АТФаза P-типу, близьким до Са2 + -АТФази і Н + -АТФази
• Na + / K + -АТФаза підтримує градієнт Na + і К * черезплазматичну мембрану
• Na + / K + -АТФаза плазматичноїмембрани є генератором електричного заряду: вона транспортує з клітки три іона Na + на кожні два іона К +, які вона закачує в клітку
• Робочий цикл Na + / K + -АТФази описується схемою Посту-Альберса, згідно з якою фермент здійснює оборот між двома основними конформаціями
По відношенню до навколишнього середовища все клітини заряджені негативно. Це обумовлено присутністю невеликого надлишку позитивно заряджених молекул в позаклітинному просторі і протилежною ситуацією в цитоплазмі. Для нормального функціонування клітини по сторонам плазматичноїмембрани необхідна наявність електрохімічного градієнта.
В цьому відношенні клітина нагадує електричну батарею з розділеними зарядами, яку можна використовувати для виконання роботи. У клітинах ссавців градієнти концентрації Na + і К + є два основних компоненти трансмембранного електрохімічного градієнта. Усередині клітини, в порівнянні з позаклітинної середовищем, підтримується більш низька концентрація іонів Na + і більш висока іонів К +.
Освіта і підтримку електрохімічного градієнта іонів Na + і К + в клітинах тварин відбуваються за участю Na + / K + -АТФази, яка представляє собою іонний насос, що використовує енергію гідролізу АТФ для транспорту катіонів. За допомогою цього ферменту в клітині встановлюється негативний мембранний потенціал спокою, за допомогою якого контролюється необхідний рівень осмотичного тиску, який не дозволяє клітині лізуватись або стискатися і який також забезпечує Na + -залежний вторинний транспорт молекул.
Na + / K + -АТФаза відноситься до групи АТФаз Р-типу, що включає також Са2 + -АТФази саркоплазматичного ретикулума, яка розглядалася в окремій статті на сайті (рекомендуємо користуватися формою пошуку на головній сторінці сайту).
АТФази P-типу представляють собою ферменти. які при аутофосфорілірованію залишку аспарагінової кислоти в процесі іонного транспорту утворюють фосфорілірованний проміжний продукт. В процесі аутофосфорілірованію АТФаз P-типу у-фосфатна група АТФ переноситься на активний центр. На кожну гидролизованную молекулу АТФ обмінюються три іона Na + з цитозолю і два іона К + з позаклітинного середовища. Na + / K + -АТФаза функціонує зі швидкістю 100 оборотів в 1 с.
У порівнянні з потоком іонів через пори каналів така швидкість транспорту представляється низькою. Транспорт через канали відбувається зі швидкістю 107-108 іонів в 1 с, т. Е. Близькою до швидкості дифузії іонів у воді.
Макроергічні фосфатная зв'язок позначена як Е1-Р.
На малюнку в центрі представлений весь цикл роботи ферменту.
Показані градієнти іонів Na + і К + по сторонам плазматичноїмембрани спочиває тваринної клітини.
Було охарактеризовано основні етапи циклу ферментативного транспорту іонів, що відбувається за участю Na + / K + АТФази. Вони представлені на схемою Посту-Альберса. Спочатку ця схема була запропонована для Na + / K + -АТФази, а потім використовувалася для ідентифікації специфічних станів молекули всіх АТФаз P-типу. Згідно зі схемою Посту-Альберса, АТФази P-типу можуть приймати дві різні конформації, які позначаються як фермент 1 (Е1) і фермент 2 (Е2). Перебуваючи в цих конформаціях, вони здатні зв'язувати, захоплювати і транспортувати іони. Ці конформаційні зміни відбуваються за рахунок реакції фосфорилювання-дефосфорилирования:
• У конформації внутрішньоклітинний АТФ і іони Na + з високою спорідненістю зв'язуються з АТФазой. При цьому фермент переходить в стан Е1АТФ (3Nа +), відбувається АТФ -залежне фосфорилирование залишку аспарагінової кислоти і захоплення трьох іонів Na + в конформації E1 - P (3Na +).
• Подальша зміна конформації призводить до утворення стану Е2-Р, зниження спорідненості до іонів натрію, і до виходу їх в позаклітинний простір. Спорідненість ферменту до іонів К + підвищується.
• Зв'язування з АТФазой іонів К +, що знаходяться в позаклітинному просторі, призводить до дефосфорілірованіе Е2-Р (2К +) і до захоплення двох іонів К + з переходом в стан Е2 (2К +).
• При зв'язуванні внутрішньоклітинного АТФ конформація змінюється і іони К + отщепляются. При цьому виникає стан Е1АТФ, а зв'язування внутрішньоклітинного натрію призводить до конформації Е1АТФ (3Na +).
Аналіз первинної структури білків дозволяє висловити припущення, що все АТФази P-типу мають однакову просторовою структурою і транспортним механізмом. Na + / K + -АТФаза складається з двох субодиниць, каталітичної а, однаковою для всіх АТФаз P-типу, і регуляторної субодиниці, b, яка специфічна для кожної АТФази. Менша субодиниця b має один трансмембранний домен, який стабілізує а-субодиницю і визначає орієнтацію АТФази в мембрані. У клітинах деяких тканин активність Na + / K + -АТФази, ймовірно, регулюється ще одним білком, субодиницею у. Каталітична субодиниця а містить сайти зв'язування для АТФ, а також для іонів Na + і К +.
Ця субодиниця в ізольованому вигляді здатна здійснювати транспорт іонів, як показано в експериментах по гетерологичной експресії і в електрофізіологічних дослідженнях.
Структура а субодиниці Na + / K + -АТФази. побудована за даними Кріоелектронний мікроскопії, нагадує будову Са2 + -АТФази SERCA. Подібно насосу SERCA, ця субодиниця складається з 10 трансмембранних а спіралей. Внутрішньоклітинний P-домен, розташований між трансмембранними сегментами 4 і 5, містить сайт фосфорилювання, який володіє загальною структурою для всіх АТФаз P-типу. Цей сайт представлений залишком Asp376 в характерній послідовності Asp-Lys-Thr-Gly-Thr-Leu-Thr. Зв'язування АТФ і іонів Na + індукує істотні зміни конформації петлі, що з'єднує N- і Р-домени. Ці зміни призводять до зближення сайту зв'язування АТФ на N-домені і сайту фосфорилювання на Р-домені.
Na + / K + -АТФаза є іонним насосом-генератором. У нормальних фізіологічних умовах вільна енергія гідролізу АТФ (δGАТФ) витрачається на транспорт з клітки трьох іонів Na + в обмін на два іона калію, причому іони переносяться проти градієнта їх концентрацій. Таким чином, клітина втрачає сумарний позитивний заряд. Це сприяє зростанню негативного заряду цитозоля в порівнянні з позаклітинної середовищем. В результаті на всі боки клітинної мембрани виникає різниця потенціалів і осмотичний іонний градієнт.
АТФази P-типу представляють собою іонні насоси, що використовують енергію гідролізу АТФ для підтримки трансмембранного іонного градієнта. Оскільки кожен етап ферментативного циклу має оборотний характер, АТФази P-типу в принципі можуть продукувати АТФ, використовуючи енергію трансмембранного потенціалу. Таким чином, Na + / К + -АТФаза володіє певною можливістю функціонувати в протилежному напрямку. При цьому іони Na + будуть надходити в клітину, а іони К + виходити звідти, що призведе до того, що потік іонів буде переважно спрямований в клітку.
Звичайний транспорт іонів Na + з клітини і іонів К + в клітину відбувається, поки величина δGАТФ перевищує електрохімічний енергію відповідного іонного градієнта. Коли енергія, необхідна для активного транспорту іонів Na + і К +, стає рівною δGАТФ, потік іонів припиняється. Ця величина являє собою потенціал звернення функціонування Na + / К + -АТФази, т. Е. Значення мембранного потенціалу, нижче якого фермент починає працювати в зворотному напрямку. Значення потенціалу обертання становить близько -180 мВ, т. Е. Він являє собою набагато більш негативну величину, ніж мембранний потенціал будь-якої клітини в фізіологічних умовах. Тому малоймовірно, що в клітку може надходити потік іонів Na +, що має для неї небезпечні наслідки.
Однак все може змінитися при зниженні кровопостачання. наприклад при інфаркті міокарда або при інтоксикаціях, що призводять до нестачі АТФ або до збільшення крутизни іонних градієнтів. Зрештою це може викликати зміну напряму транспорту іонів Na + / K + -АТФази і загибель клітини.
Na + / K + -АТФаза є мішенню для багатьох токсинів і лікарських препаратів. Наприклад, рослинні стероїди, звані серцевимиглікозидами, такі як уабаин і дигіталіс, є специфічними інгібіторами іонного транспорту, здійснюваного Na + / K + -АТФази. До числа специфічних інгібіторів відносяться також інші токсини, наприклад палітоксін з деяких морських коралів і сангвінарін з рослин. На відміну від серцевих глікозидів, які пригнічують потік іонів через Na + / K + -АТФази, палітоксін і сангвінарін блокують АТФазу у відкритій конфігурації.
Тим самим іони отримують можливість транспортуватися в напрямку їх концентраційних градієнтів, що призводить до порушення електрохімічних градієнтів. Серцеві глікозиди оборотно зв'язуються з сайтами Na + / K + -АТФази, розташованими поза клітиною, при цьому відзначено зниження гідроліз АТФ і транспорт іонів. Ретельно контрольоване інгібування Na + / K + -АТФази клітин міокарда серцевимиглікозидами, наприклад дигіталісом, застосовується при лікуванні серцевої недостатності. Часткове пригнічення субпопуляції Na + / K + -АТФази серцевимиглікозидами кілька збільшує внутрішньоклітинну концентрацію іонів Na +, що призводить до підвищення концентрації іонів Са2 +, завдяки транспорту через Na + / Са2 + -антіпортер. Відомо, що невелике збільшення внутрішньоклітинної концентрації іонів кальцію підсилює скоротність серцевого м'яза.
Структура субодиниці встановлена на підставі даних кріо-електронномікроськопічеського дослідження.
Зображення кристалічної структури SERCA в конформації Е2 отримано на підставі даних Protein Data Bank file 1IW0.