POMPA SODIO POTASSIO: STRUTTURA, FUNZIONE, MECCANISMO, IMPORTANZA - BIOLOGIA - 2025

La pompa sodio potassio è una struttura proteica inclusa in un più ampio insieme di molecole presenti in molte membrane cellulari e che sono responsabili del trasporto attivo di ioni o altre piccole molecole contro i loro gradienti di concentrazione. Usano l'energia rilasciata dall'idrolisi dell'ATP ed è per questo che sono genericamente chiamati ATPasi.

La pompa sodio potassio è una Na + / K + ATPasi perché rilascia l'energia contenuta nella molecola di ATP per spostare il sodio dall'interno all'esterno della cellula, introducendo potassio.

Schema della pompa sodio potassio. Esterno e interno della cella. (Fonte: Miguelferig, tramite Wikimedia Commons)

All'interno della cellula, il sodio è meno concentrato (12 mEq / L) rispetto all'esterno (142 mEq / L), mentre il potassio è più concentrato all'esterno (4 mEq / L) che all'interno (140 mEq / L).

Le pompe ATPase sono classificate in tre grandi gruppi:

• Pompe ioniche di tipo F e V : sono strutture abbastanza complesse, possono essere costituite da 3 diversi tipi di subunità transmembrana e fino a 5 polipeptidi associati nel citosol. Funzionano come trasportatori di protoni.
• Superfamiglia ABC (dall'inglese A TP- B inding C assette = ATP cassette vincolante): composto da più di 100 proteine che può fungere trasportatori di ioni, monosaccaridi, polisaccaridi, polipeptidi e anche altre proteine.
  
• Bombe ioniche di classe P : formate da almeno una subunità alfa transmembrana catalitica che ha un sito di legame per l'ATP e una subunità β minore. Durante il processo di trasporto la subunità α è fosforilata e da qui il suo nome "P".

La pompa sodio potassio (Na + / K + ATPasi) appartiene al gruppo delle pompe ioniche della classe P ed è stata scoperta nel 1957 da Jens Skou, un ricercatore danese, quando studiava il meccanismo d'azione degli anestetici sui nervi di un granchio (Carcinus maenas); opera per la quale è stato insignito del Premio Nobel per la Chimica nel 1997.

Potassio sodio pompa. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein su fr.wikipedia opera derivativa: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Struttura della pompa sodio potassio

La pompa sodio potassio è un enzima che, dal punto di vista della sua struttura quaternaria, è costituito da 2 subunità proteiche di tipo alfa (α) e due beta (β).

Si tratta, quindi, di un tetramero di tipo α2β2, le cui subunità sono proteine ​​integrali di membrana, cioè attraversano il doppio strato lipidico e hanno domini intra ed extra citosolici.

Subunità alfa e beta della pompa del potassio. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Subunità alfa

Le subunità α sono quelle che contengono i siti di legame per ATP e per gli ioni Na + e K + e rappresentano la componente catalitica dell'enzima e quella che esercita la funzione della pompa stessa.

Le subunità α sono grandi polipeptidi, con un peso molecolare di 120 kDa, 10 segmenti transmembrana e con le loro estremità N- e C-terminali situate sul lato citosolico.

Sul lato intracellulare, hanno siti di legame per ATP e Na +, nonché un residuo di aspartato in posizione 376 che rappresenta il sito che subisce il processo di fosforilazione durante l'attivazione della pompa.

Il sito di legame per K + sembra essere sul lato extracellulare.

Sottounità beta

Le subunità β non sembrano avere una partecipazione diretta alla funzione di pompaggio, ma in loro assenza questa funzione non si verifica.

Le subunità β hanno un peso molecolare di circa 55 kDa ciascuna e sono glicoproteine ​​con un unico dominio transmembrana i cui residui di carboidrati sono inseriti nella regione extracellulare.

Sembrano essere necessari nel reticolo endoplasmatico, dove contribuirebbero al corretto ripiegamento delle subunità α, e quindi, a livello della membrana, a stabilizzare il complesso.

Entrambi i tipi di subunità sono eterogenei e le isoforme α1, α2 e α3 sono state descritte per una e β1, β2 e β3 per l'altra. Α1 si trova nelle membrane della maggior parte delle cellule, mentre α2 è presente nei muscoli, nel cuore, nel tessuto adiposo e nel cervello e α3 nel cuore e nel cervello.

L'isoforma β1 è quella con la distribuzione più diffusa, sebbene sia assente in alcuni tessuti come le cellule vestibolari dell'orecchio interno e le cellule muscolari glicolitiche a risposta rapida. Questi ultimi contengono solo β2.

Le diverse strutture delle subunità che compongono la pompa Na + / K + nei diversi tessuti possono essere dovute a specializzazioni funzionali che non sono state ancora chiarite.

Funzione pompa di potassio

Per ogni momento considerato, la membrana plasmatica costituisce un confine di separazione tra il compartimento corrispondente all'interno di una cellula e quello che rappresenta il fluido extracellulare in cui è immersa.

Entrambi i compartimenti hanno una composizione che può essere qualitativamente diversa, poiché all'interno delle cellule sono presenti sostanze che non si trovano al di fuori di esse e il fluido extracellulare contiene sostanze che non sono presenti intracellulari.

Le sostanze presenti in entrambi i compartimenti possono essere trovate in diverse concentrazioni e queste differenze possono avere un significato fisiologico. Questo è il caso di molti ioni.

Mantenimento dell'omeostasi

La pompa Na + / K + svolge un ruolo fondamentale nel mantenimento dell'omeostasi intracellulare controllando le concentrazioni di ioni sodio e potassio. Questo mantenimento dell'omeostasi si ottiene grazie a:

• Trasporto ionico : introduce ioni sodio ed espelle ioni potassio, un processo attraverso il quale guida anche il movimento di altre molecole attraverso altri trasportatori che dipendono dalla carica elettrica o dalla concentrazione interna di questi ioni.
• Controllo del volume cellulare : l'introduzione o l'uscita di ioni implica anche movimenti di acqua all'interno della cellula, in modo che la pompa partecipi al controllo del volume cellulare.
• Generazione del potenziale di membrana : l'espulsione di 3 ioni sodio per ogni 2 ioni potassio introdotti fa sì che la membrana rimanga caricata negativamente all'interno, il che genera una differenza di cariche tra l'interno e l'esterno della cellula. Questa differenza è nota come potenziale di riposo.

Na + ha una concentrazione extracellulare di circa 142 mEq / L, mentre la sua concentrazione intracellulare è di soli 12 mEq / L; K +, invece, è più concentrato all'interno della cellula (140 mEq / L) che all'esterno (4 mEq / L).

Sebbene la carica elettrica di questi ioni non permetta il loro passaggio attraverso la membrana, ci sono canali ionici che lo consentono (selettivamente), che promuovono il movimento se sono presenti anche le forze che normalmente muovono questi ioni.

Tuttavia, queste differenze di concentrazione sono di grande importanza per la conservazione dell'omeostasi dell'organismo e devono essere mantenute in una sorta di equilibrio che, se perduto, produrrebbe importanti alterazioni organiche.

Diffusione e pompa di sodio potassio (Fonte: BruceBlaus. Quando si utilizza questa immagine in fonti esterne può essere citata come: personale di Blausen.com (2014). «Galleria medica di Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436 Derivativo di Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) tramite Wikimedia Commons)

• La differenza di concentrazione per Na + tra l'interno e l'esterno della cellula crea un gradiente chimico che spinge il sodio verso l'interno e fa sì che questo ione entri costantemente e tenda a dissipare quella differenza, cioè a equalizzare le concentrazioni in entrambi i lati.
• Il gradiente di potassio viene mantenuto nella direzione opposta, cioè dall'interno verso l'esterno, consentendo la costante uscita dello ione e la sua riduzione interna ed aumento esterno.

La funzione della pompa Na + / K + consente l'estrazione del sodio entrato per diffusione attraverso canali o altre vie di trasporto e la reintroduzione del potassio che si è diffuso, consentendo la conservazione delle concentrazioni intra ed extracellulari di questi ioni.

Meccanismo (processo)

Il meccanismo d'azione della Na + / K + ATPasi consiste in un ciclo catalitico che coinvolge reazioni di trasferimento di un gruppo fosforile (Pi) e cambiamenti conformazionali dell'enzima che passano da uno stato E1 a uno stato E2 e viceversa.

L'operazione richiede la presenza di ATP e Na + all'interno della cellula e K + nel fluido extracellulare.

Legame degli ioni sodio al trasportatore

Il ciclo inizia nello stato di conformazione E1 dell'enzima, in cui sono presenti 3 siti citosolici di legame a Na + e di alta affinità (Km 0,6 mM) che sono completamente occupati perché la concentrazione intraionica ( 12 mM) lo consente.

Idrolisi dell'ATP

In questo stato (E1) e con Na + attaccato ai suoi siti di legame, l'ATP si lega al suo sito nel settore citosolico della molecola, idrolizza e un gruppo fosfato viene trasferito all'aspartato 376, formando un acilfosfato ad alta energia che induce un cambiamento conformazionale allo stato E2.

Espulsione di 3 ioni sodio e introduzione di 2 ioni potassio

Il cambiamento conformazionale allo stato E2 implica che i siti di legame Na + passino verso l'esterno, la loro affinità per lo ione diminuisce notevolmente e viene rilasciato nel fluido extracellulare, mentre, allo stesso tempo, aumenta l'affinità dei siti di legame K +. e questi ioni sono attaccati all'esterno della pompa.

Durante lo stato E2, gli ioni Na + vengono rilasciati sull'altro lato della membrana.

A sua volta, questo nuovo stato della pompa genera affinità per il legame degli ioni K +

Inversione da E2 a E1

Una volta che il Na + viene rilasciato e il K + si lega, avviene l'idrolisi dell'aspartil fosfato e il cambiamento conformazionale dallo stato E2 allo stato E1 viene ripristinato, con la reintroduzione dei siti di legame Na + vuoti e di quelli di K + occupato.

Quando si verifica questo cambiamento, i siti per Na + riacquistano la loro affinità e quelli per K + la perdono, con cui il K + viene rilasciato nella cellula.

Importanza

Nel mantenimento dell'osmolarità cellulare

La pompa Na + / K + è presente nella maggior parte, se non in tutte, delle cellule di mammifero, nelle quali è di importanza generale aiutando a mantenere la loro osmolarità e quindi il loro volume.

Il continuo ingresso di ioni sodio nella cellula determina un aumento del numero intracellulare di particelle osmoticamente attive, che induce l'ingresso di acqua e l'aumento di volume che finirebbe per provocare la rottura della membrana e il collasso cellulare.

Nella formazione del potenziale di membrana

Poiché queste pompe introducono solo 2 K + per ogni 3 Na + che rimuovono, si comportano elettrogenicamente, il che significa che "scompensano" le cariche elettriche interne, favorendo la produzione del potenziale di membrana caratteristico delle cellule del corpo.

La sua importanza è evidente anche in relazione alle cellule che compongono i tessuti eccitabili, in cui i potenziali d'azione sono caratterizzati dall'ingresso dello ione Na +, che depolarizza la cellula, e dall'uscita di K +, che la ripolarizza.

Questi movimenti ionici sono possibili grazie al funzionamento delle pompe Na + / K +, che contribuiscono alla produzione dei gradienti chimici che muovono gli ioni coinvolti.

Senza queste pompe, che operano in direzione opposta, i gradienti di concentrazione di questi ioni si dissiperebbero e l'attività eccitatoria scomparirebbe.

Nella funzione renale

Un altro aspetto che evidenzia l'estrema importanza delle pompe sodio-potassio è legato alla funzionalità renale, che sarebbe impossibile senza di esse.

La funzionalità renale prevede la filtrazione giornaliera di più o meno 180 litri di plasma e di grandi quantità di sostanze, alcune delle quali devono essere escrete, ma molte devono essere riassorbite affinché non si perdano nelle urine.

Il riassorbimento di sodio, acqua e molte delle sostanze filtrate dipende da queste pompe, che si trovano nella membrana basolaterale delle cellule che compongono gli epiteli dei diversi segmenti tubulari dei nefroni renali.

Le cellule epiteliali che rivestono i tubuli renali hanno un lato che è a contatto con il lume del tubulo ed è chiamato lato apicale, e un altro che è a contatto con l'interstizio attorno al tubulo e chiamato lato basolaterale.

L'acqua e le sostanze riassorbite devono prima passare nella cellula attraverso l'apice e poi nell'interstizio attraverso il basolaterale.

Il riassorbimento di Na + è fondamentale sia in relazione ad esso, sia in relazione a quello dell'acqua e quello delle altre sostanze che da essa dipendono. L'ingresso apicale di Na + nella cellula richiede che ci sia un gradiente che lo sposti e che implica una concentrazione molto bassa dello ione all'interno della cellula.

Questa bassa concentrazione intracellulare di Na + è prodotta da pompe di sodio nella membrana basolaterale che lavorano intensamente per rimuovere lo ione dalle cellule nell'interstizio.

Riferimenti

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