משאבת אשלגן נתרן: מבנה, פונקציה, מנגנון, חשיבות - ביולוגיה - 2025

משאבת אשלגן נתרן היא מבנה חלבון נכלל מגוון רחב יותר של מולקולות להציג בתוך קרום תא רב, ואשר אחראיות התחבורה הפעילה של יונים או מולקולות קטנות אחרות נגד הדרגתי הריכוז שלהם. הם משתמשים באנרגיה המופקת על ידי הידרוליזה של ATP וזו הסיבה שהם נקראים באופן כללי ATPases.

משאבת אשלגן נתרן הינה Na + / K + ATPase מכיוון שהיא משחררת את האנרגיה הכלולה במולקולת ATP כדי להעביר נתרן מבפנים לחלק החיצוני של התא, תוך הצגת אשלגן.

סכמטי של משאבת האשלגן הנתרן. החיצוני והחיצוני של התא. (מקור: Miguelferig, באמצעות Wikimedia Commons)

בתוך התא, נתרן מרוכז פחות (12 מגה / ל"ק) מאשר בחוץ (142 מגה / ל"ק), ואילו אשלגן מרוכז יותר בחוץ (4 מגה / ל"ק) מאשר בפנים (140 מק"ק / ל).

משאבות ATPase מסווגות לשלוש קבוצות גדולות:

• משאבות יון מסוג F ו- V : מדובר במבנים מורכבים למדי, הם יכולים להיות מורכבים משלושה סוגים שונים של יחידות משנה טרנסממברניות ועד 5 פוליפפטידים קשורים בציטוזול. הם מתפקדים כמובילי פרוטון.
• Superfamily ABC ( TP- B inding C assette = קלטת מחייב ATP): מורכב יותר מ -100 חלבונים כי הפונקציה יכולה בתור מובילי של יונים, מונוסכרידים, סוכרים, פוליפפטידים ואפילו חלבונים אחרים.
  
• פצצות יונים ממעמד P : נוצרות על ידי לפחות יחידת אלפא טרנס-ממברנת אלפא שיש לה אתר מחייב ל- ATP ותת-יחידת β מינורית. בתהליך ההובלה יחידת המשנה α זרחתית ומכאן שמה "P".

משאבת האשלגן הנתרן (Na + / K + ATPase) שייכת לקבוצת המשאבות היוניות ממעמד P והתגלתה בשנת 1957 על ידי ג'נס סקו, חוקר דני, כאשר חקר את מנגנון הפעולה של חומרי ההרדמה על עצבי סרטן. (קרנינוס מאנות); עבודה שלשמו הוענק פרס נובל לכימיה בשנת 1997.

משאבת אשלגן נתרן. NaKpompe2.jpg: פי-גסטרין בעבודה fr.wikipediaderative: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

מבנה משאבת האשלגן הנתרן

משאבת האשלגן הנתרן היא אנזים שמבחינת המבנה הרבעוני שלו מורכב משתי יחידות חלבון מסוג אלפא (α) ושתי יחידות בטא (β).

לפיכך זהו טטרמר מסוג α2β2, שתת-היחידות שלו הן חלבוני ממברנה אינטגרלית, כלומר הם חוצים את דו שכבתי השומנים ויש להם תחומים תוך-חוץ וחוץ-ציטוזולים.

יחידות אלפא ובטא של משאבת האשלגן. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

יחידות משנה של אלפא

תת-היחידות α הן אלה המכילות את אתרי הכריכה ל- ATP וגם עבור יוני Na + ו- K + ומייצגות את המרכיב הקטליטי של האנזים וזה שמפעיל את פונקציית המשאבה עצמה.

תת-היחידות α הן פוליפפטידים גדולים, עם משקל מולקולרי של 120 kDa, 10 קטעי טרנסממברנה ועם טרמי N- ו- C שלהם נמצאים בציטוזולי.

בצד התוך תאי, יש להם אתרי קשירה ל- ATP ו- Na +, כמו גם שאריות אספרטט במצב 376 המייצג את האתר שעובר את תהליך הזרחן במהלך הפעלת המשאבה.

נראה כי האתר המחייב עבור K + נמצא בצד החוץ תאי.

יחידות בטא

נראה כי לתת-יחידות ה- β השתתפות ישירה בפונקציית השאיבה, אך בהיעדרן פונקציה זו אינה מתרחשת.

לתת-יחידות ה- β משקל מולקולרי של כ- 55 kDa כל אחת, והן גליקופרוטאינים בעלי תחום טרנסממברני יחיד ששאריות הפחמימות שלו מוחדרות באזור החוץ תאי.

נראה שהם הכרחיים בתכנית הרשת האנדופלסמטית, שם הם היו תורמים לקיפול נכון של יחידות המשנה α ואז, ברמת הממברנה, לייצוב המתחם.

שני הסוגים של יחידות משנה הטרוגניות ותוארו איזופורמות α1, α2 ו- α3 לאחת, ו- β1, β2 ו- β3 לאחר. Α1 נמצא בקרומי מרבית התאים ואילו α2 קיים בשריר, בלב, ברקמת השומן ובמוח ו- α3 בלב ובמוח.

לאיזופורם β1 יש את ההתפלגות המפוזרת ביותר, אם כי הוא נעדר ברקמות מסוימות כמו תאי הווסטיבולריות של האוזן הפנימית ותאי השריר הגליקוליטיים המגיבים במהירות. האחרון מכיל רק β2.

המבנים השונים של יחידות המשנה המרכיבות את משאבת Na + / K + ברקמות השונות עשויות להיות בגלל התמחויות פונקציונליות שטרם הוסברו.

פונקצית משאבת אשלגן

בכל רגע שנחשב, ממברנת הפלזמה מהווה גבול הפרדה בין התא התואם את פנים התא לבין זה שמייצג את הנוזל החוץ תאי בו הוא שקוע.

לשני התאים יש הרכב שיכול להיות שונה איכותית, מכיוון שישנם חומרים בתוך תאים שלא נמצאים מחוצה להם והנוזל החוץ תאי מכיל חומרים שאינם קיימים בתאיות.

חומרים הקיימים בשני התאים ניתן למצוא בריכוזים שונים, ולהבדלים אלה יכולים להיות בעלי משמעות פיזיולוגית. כזה הוא המקרה ביונים רבים.

שמירה על הומאוסטזיס

משאבת Na + / K + ממלאת תפקיד מהותי בשמירה על הומאוסטזיס תוך-תאי על ידי בקרת ריכוזי יוני נתרן ואשלגן. תחזוקה זו של הומאוסטזיס מושגת בזכות:

• הובלת יונים : מציגה יוני נתרן ומפליטה יוני אשלגן, תהליך שדרכו הוא גם מניע את התנועה של מולקולות אחרות דרך הובלות אחרות התלויות במטען החשמלי או בריכוז הפנימי של יונים אלה.
• שליטה על נפח התא : החדרת יונים או יציאתם מרמזת גם על תנועות מים בתוך התא, כך שהמשאבה משתתפת בשליטה על נפח התא.
• יצירת פוטנציאל קרום : גירוש 3 יוני נתרן עבור כל 2 יוני אשלגן המוחדרים גורם לקרום להישאר טעון שלילי מבפנים, מה שמייצר הבדל במטענים בין התא לתוכו ומחוצה לו. הבדל זה מכונה פוטנציאל המנוחה.

ל- Na + יש ריכוז חוץ-תאי של כ- 142 מק"ק / ליטר, ואילו הריכוז התוך-תאי שלו הוא רק 12 מגה-ל"ק; K +, לעומת זאת, מרוכז יותר בתוך התא (140 מגה / ל"ט) מאשר מחוצה לו (4 מג"ק / ל).

למרות שהמטען החשמלי של יונים אלה אינו מאפשר את מעברם הממברנה, ישנם תעלות יונים המאפשרות זאת (באופן סלקטיבי), המקדמים תנועה אם קיימים גם הכוחות המניעים בדרך כלל את היונים הללו.

עם זאת, הבדלי ריכוז אלה הם בעלי חשיבות רבה בשמירה על ההומאוסטזיס של האורגניזם ויש לשמור עליהם במעין איזון שאם יאבד ייצר שינויים אורגניים חשובים.

דיפוזיה ואשלגן נתרן נתרן (מקור: BruceBlaus. בעת שימוש בתמונה זו במקורות חיצוניים ניתן לציין אותה: צוות Blausen.com (2014). «גלריה רפואית של Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. הנהלה מאת Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) באמצעות Wikimedia Commons)

• ההבדל בריכוז Na + בין התא לתוכו ומחוצה לו יוצר שיפוע כימי שדוחף את הנתרן פנימה וגורם ליון זה להיכנס ללא הרף ונוטה להפזר את ההבדל הזה, כלומר להשוות את הריכוזים בשניהם צדדים.
• שיפוע האשלגן נשמר בכיוון ההפוך, כלומר מבפנים החוצה, ומאפשר יציאה מתמדת של היון והפחתתו הפנימית ועליה חיצונית.

הפונקציה של משאבת Na + / K + מאפשרת שאיבת נתרן שנכנסה על ידי דיפוזיה דרך תעלות או דרכי תעבורה אחרות והכנסת אשלגן שהתפזר החוצה ומאפשרת לשמור על ריכוזים תוך-תאיים של אלה יונים.

מנגנון (תהליך)

מנגנון הפעולה של ה- Na + / K + ATPase מורכב ממעגל קטליטי הכרוך בתגובות העברה של קבוצת זרחן (Pi) ושינויים קונפורמציונליים של האנזים העוברים ממצב E1 למצב E2 ולהיפך.

הפעולה דורשת נוכחות של ATP ו- Na + בתוך התא ו- K + בנוזל החוץ תאי.

כריכת יוני נתרן למעביר

המחזור מתחיל במצב קונפורמציה E1 של האנזים, בו ישנם 3 אתרים ציטוזוליים של קשירה ל- Na + ובעלות זיקה גבוהה (ק"מ של 0.6 מ"מ) התפוסים במלואם בגלל ריכוז התוך יון ( 12 mM) מאפשר זאת.

הידרוליזה של ATP

במצב זה (E1) ועם Na + המחובר לאתרי הכריכה שלו, ATP נקשר לאתר שלו בגזרה הציטוזולית של המולקולה, הידרוליזה וקבוצת פוספט מועברת לאספרטט 376 ויוצרת אסילפוספט אנרגיה גבוהה. המשרה שינוי קונפורמציה למצב E2.

גירוש 3 יוני נתרן והכנסת 2 יוני אשלגן

השינוי הקונפורציוני למצב E2 מרמז על כך שאתרי הכריכה של Na + עוברים כלפי חוץ, הזיקה שלהם ליון פוחתת מאוד והיא משתחררת לנוזל החוץ תאי, ובמקביל, הזיקה של אתרי הכריכה K + עולה. והיונים האלה מחוברים לחלק החיצוני של המשאבה.

במהלך מצב ה- E2 משתחררים יוני Na + לצד השני של הממברנה.

בתורו, מצב חדש זה של המשאבה מייצר זיקה לכריכה של יוני K +

היפוך מ- E2 ל- E1

ברגע שה- Na + משתחרר וה- K + נקשר, מתרחשת ההידרוליזה של פוספט אספרטיל והשינוי הקונפורציוני ממצב E2 למצב ה- E1 חוזר, עם החזרתם מחדש של אתרי הכריכה Na + הריקים ושל אלה של K + הכבושה.

כאשר שינוי זה מתרחש, האתרים עבור Na + חוזרים לזיקה שלהם ואלו עבור K + מאבדים אותה, איתם משתחרר ה- K + לתא.

חֲשִׁיבוּת

בשמירה על אוסמולריות סלולרית

משאבת Na + / K + קיימת ברוב תאי היונקים, אם לא בכולם, שם יש חשיבות כללית בכך שהיא מסייעת לשמור על האוסמולריות שלהם ומכאן נפחם.

כניסה רציפה של יוני נתרן לתא קובעת עלייה במספר התוך-תאי של חלקיקים פעילים באוסמוטיקה, מה שמשרה את כניסת המים ועליית הנפח שבסופו של דבר תגרום לקרע של הממברנה והתמוטטות התא.

בהיווצרות פוטנציאל הממברנה

מכיוון שהמשאבות הללו מציגות 2 K + בלבד עבור כל 3 Na + שהם מסירים, הן מתנהגות בצורה אלקטרוגנית, מה שאומר שהן "מפרקות" מטענים חשמליים פנימיים, ומעדיפות את ייצור פוטנציאל הממברנה האופייני לתאי הגוף.

חשיבותו ניכרת גם ביחס לתאים המרכיבים רקמות נרגשות, בהן פוטנציאל הפעולה מאופיין בכניסתו של יון Na +, הממצב את התא, ויציאת K +, המגלמת אותו מחדש.

תנועות יוניות אלה אפשריות הודות להפעלת משאבות Na + / K +, התורמות לייצור הדרגתיות כימיות המניעות את היונים המעורבים.

ללא משאבות אלה, הפועלות בכיוון ההפוך, מדרגות הריכוז של יונים אלה היו מתפוגגות והפעילות המעוררת הייתה נעלמת.

בתפקוד הכליות

היבט נוסף המדגיש את החשיבות הקיצונית של משאבות נתרן-אשלגן קשור לתפקוד הכליות, דבר שלא יהיה אפשרי בלעדיהן.

תפקוד הכליות כרוך בסינון יומי של פחות או יותר 180 ליטר פלזמה וכמויות גדולות של חומרים, שחלקם חייבים להיות מופרשים, אך יש לספוג מחדש רבים כדי שלא יאבדו בשתן.

הספיגה המחודשת של נתרן, מים ורבים מהחומרים המסוננים תלויה במשאבות אלו, הנמצאות בקרום הבסולטרלי של התאים המרכיבים את האפיתלייה של הקטעים הצינוריים השונים של נפרוני הכליות.

לתאי האפיתל הקווים את צינוריות הכליה יש צד אחד שנמצא במגע עם לומן של הצינורית ונקרא הצד האפיקי, וצד אחר שנמצא במגע עם האינטרסטיטיום סביב הצינורית ונקרא הצד הבזולטרלי.

מים וחומרים הנספגים מחדש חייבים תחילה לעבור לתא דרך האפיקל ואז אל הבין המתחם דרך הבסולטרל.

הספיגה המחודשת של Na + היא המפתח הן ביחס אליה, כמו ביחס לזה של מים והן של חומרים אחרים התלויים בו. הכניסה האפיתית של Na + לתא מחייבת שיהיה שיפוע שמניע אותו וזה מרמז על ריכוז נמוך מאוד של היון בתוך התא.

הריכוז התוך-תאי הנמוך הזה של Na + מיוצר על ידי משאבות הנתרן בקרום הבסולטרלי, הפועלות באינטנסיביות על מנת להוציא את היון מהתאים אל תוך הבין-המין.

הפניות

1. Ganong WF: הבסיס הכללי והסלולרי של הפיזיולוגיה הרפואית, בתוך: סקירה של הפיזיולוגיה הרפואית, מהדורה 25. ניו יורק, McGraw-Hill Education, 2016.
2. גייטון AC, אולם JE: הובלת חומרים על פני קרום התא, בתוך: ספר לימוד לפיזיולוגיה רפואית, 13th ed, AC Guyton, JE Hall (eds). פילדלפיה, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport ברחבי התאים ממברנות, בתוך: ביולוגיה מולקולרית ותאים, מהדורה רביעית.
4. נלסון, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). עקרונות הלינגר של הביוכימיה. מקמילן.
5. אלברטס, ב., בריי, ד., הופקין, ק., ג'ונסון, א.ד., לואיס, ג'., רף, מ., … & וולטר, פ. (2013). ביולוגיה חיונית של תאים. גרלנד מדע.