BƠM NATRI KALI: CẤU TẠO, CHỨC NĂNG, CƠ CHẾ, TẦM QUAN TRỌNG - SINH HỌC - 2026

Các máy bơm natri kali là một cấu trúc protein có trong một bộ rộng lớn hơn của các phân tử trình bày trong nhiều màng tế bào, và đó là trách nhiệm đối với phương tiện giao thông hoạt động của các ion hoặc phân tử nhỏ khác đối với gradient nồng độ của chúng. Chúng sử dụng năng lượng được giải phóng từ quá trình thủy phân ATP và đó là lý do tại sao chúng được gọi chung là ATPase.

Bơm natri kali là một Na + / K + ATPase vì nó giải phóng năng lượng có trong phân tử ATP để di chuyển natri từ bên trong ra bên ngoài tế bào, đồng thời đưa kali vào.

Sơ đồ của bơm natri kali. Bên ngoài và bên trong phòng giam. (Nguồn: Miguelferig, qua Wikimedia Commons)

Bên trong tế bào, natri ít tập trung hơn (12 mEq / L) so với bên ngoài (142 mEq / L), trong khi kali tập trung ở bên ngoài (4 mEq / L) hơn bên trong (140 mEq / L).

Bơm ATPase được phân thành ba nhóm lớn:

• Bơm ion loại F và V : chúng có cấu trúc khá phức tạp, chúng có thể được tạo thành từ 3 loại tiểu đơn vị xuyên màng khác nhau và tối đa 5 polypeptit liên kết trong dịch bào. Chúng hoạt động như những chất vận chuyển proton.
• Siêu họ ABC (từ tiếng Anh Một TP- B inding C assette = băng ràng buộc ATP): tạo thành từ hơn 100 protein có chức năng như vận chuyển của các ion, monosaccharides, polysaccharides, polypeptide và thậm chí các protein khác.
  
• Bom ion của lớp P : được hình thành bởi ít nhất một tiểu đơn vị alpha xuyên màng xúc tác có vị trí liên kết với ATP và một tiểu đơn vị nhỏ β. Trong quá trình vận chuyển, tiểu đơn vị α bị phosphoryl hóa và do đó có tên là "P".

Bơm natri kali (Na + / K + ATPase) thuộc nhóm bơm ion lớp P và được phát hiện vào năm 1957 bởi Jens Skou, một nhà nghiên cứu người Đan Mạch, khi ông đang nghiên cứu cơ chế hoạt động của thuốc gây mê đối với dây thần kinh của cua. (Carcinus maenas); công việc mà ông đã được trao giải Nobel Hóa học năm 1997.

Bơm natri kali. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein tại fr.wikip Tác phẩm cải tiến: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Cấu tạo của bơm natri kali

Bơm natri kali là một enzym, theo quan điểm về cấu trúc bậc bốn của nó, được tạo thành từ 2 tiểu đơn vị protein loại alpha (α) và hai beta (β).

Do đó, nó là một tetrame thuộc loại α2β2, mà các tiểu đơn vị của chúng là các protein màng không thể tách rời, nghĩa là, chúng vượt qua lớp kép lipid và có cả miền trong và ngoài tế bào.

Các tiểu đơn vị alpha và beta của bơm kali. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Đơn vị con alpha

Các tiểu đơn vị α là những tiểu đơn vị chứa các vị trí liên kết với ATP và các ion Na + và K + và đại diện cho thành phần xúc tác của enzyme và là thành phần thực hiện chức năng của chính máy bơm.

Các tiểu đơn vị α là các polypeptit lớn, có trọng lượng phân tử 120 kDa, 10 đoạn xuyên màng và có N- và C-termini của chúng nằm ở phía tế bào.

Về phía nội bào, chúng có các vị trí liên kết với ATP và Na +, cũng như một phần dư aspartate ở vị trí 376 đại diện cho vị trí trải qua quá trình phosphoryl hóa trong quá trình hoạt hóa bơm.

Vị trí liên kết của K + dường như nằm ở phía ngoài tế bào.

Đơn vị con beta

Các tiểu đơn vị β dường như không tham gia trực tiếp vào chức năng bơm, nhưng khi thiếu chúng thì chức năng này không xảy ra.

Các tiểu đơn vị β có trọng lượng phân tử khoảng 55 kDa mỗi đơn vị và là các glycoprotein có một miền xuyên màng đơn có gốc carbohydrate được chèn vào vùng ngoại bào.

Chúng dường như cần thiết trong mạng lưới nội chất, nơi chúng sẽ góp phần vào việc gấp thích hợp các tiểu đơn vị α, và sau đó, ở cấp độ màng, để ổn định phức hợp.

Cả hai loại đơn vị con đều không đồng nhất và các đồng dạng α1, α2 và α3 đã được mô tả cho một đơn vị này, và β1, β2 và β3 cho một đơn vị kia. Α1 được tìm thấy trong màng của hầu hết các tế bào, trong khi α2 có trong cơ, tim, mô mỡ và não, và α3 ở tim và não.

Dạng đồng dạng β1 có sự phân bố lan tỏa nhất, mặc dù nó không có trong một số mô như tế bào tiền đình của tai trong và tế bào cơ phản ứng nhanh. Sau này chỉ chứa β2.

Các cấu trúc khác nhau của các tiểu đơn vị tạo nên bơm Na + / K + trong các mô khác nhau có thể là do các chuyên môn hóa chức năng vẫn chưa được làm sáng tỏ.

Chức năng bơm kali

Trong bất kỳ thời điểm nào được xem xét, màng sinh chất tạo thành ranh giới ngăn cách giữa ngăn tương ứng với bên trong tế bào và ngăn đại diện cho chất lỏng ngoại bào mà nó được ngâm trong đó.

Cả hai ngăn đều có thành phần có thể khác nhau về chất, vì có những chất bên trong tế bào không được tìm thấy bên ngoài chúng và chất lỏng ngoại bào chứa những chất không có trong tế bào.

Các chất có trong cả hai ngăn có thể được tìm thấy ở các nồng độ khác nhau, và những khác biệt này có thể có ý nghĩa sinh lý. Đó là trường hợp của nhiều ion.

Duy trì cân bằng nội môi

Bơm Na + / K + đóng một vai trò cơ bản trong việc duy trì cân bằng nội môi trong tế bào bằng cách kiểm soát nồng độ của các ion natri và kali. Việc duy trì cân bằng nội môi này đạt được nhờ:

• Vận chuyển ion : đưa các ion natri vào và đẩy ra các ion kali, một quá trình mà qua đó nó cũng thúc đẩy chuyển động của các phân tử khác thông qua các chất vận chuyển khác phụ thuộc vào điện tích hoặc nồng độ bên trong của các ion này.
• Kiểm soát thể tích tế bào : sự đưa vào hoặc thoát ra của các ion cũng ngụ ý chuyển động của nước trong tế bào, để máy bơm tham gia vào việc kiểm soát thể tích tế bào.
• Tạo ra điện thế màng : sự trục xuất 3 ion natri cho mỗi 2 ion kali được đưa vào làm cho màng vẫn mang điện tích âm ở bên trong, điều này tạo ra sự khác biệt về điện tích giữa bên trong và bên ngoài tế bào. Sự khác biệt này được gọi là điện thế nghỉ.

Na + có nồng độ ngoại bào khoảng 142 mEq / L, trong khi nồng độ nội bào chỉ 12 mEq / L; Mặt khác, K + tập trung nhiều hơn bên trong tế bào (140 mEq / L) so với bên ngoài nó (4 mEq / L).

Mặc dù điện tích của các ion này không cho phép chúng đi qua màng, nhưng có các kênh ion cho phép nó (một cách chọn lọc), thúc đẩy chuyển động nếu các lực di chuyển thông thường của các ion này cũng có mặt.

Tuy nhiên, những khác biệt về nồng độ này có tầm quan trọng lớn trong việc duy trì cân bằng nội môi của sinh vật và phải được duy trì ở một dạng cân bằng mà nếu mất đi, sẽ tạo ra những thay đổi hữu cơ quan trọng.

Bơm và khuếch tán natri kali (Nguồn: BruceBlaus. Khi sử dụng hình ảnh này ở các nguồn bên ngoài, nó có thể được trích dẫn là: Blausen.com staff (2014). «Phòng trưng bày y tế của Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. Do Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) thông qua Wikimedia Commons)

• Sự khác biệt về nồng độ đối với Na + giữa bên trong và bên ngoài tế bào tạo ra một gradient hóa học đẩy natri vào bên trong và làm cho ion này liên tục đi vào và có xu hướng tiêu tan sự khác biệt đó, nghĩa là, cân bằng nồng độ trong cả hai các mặt.
• Gradient kali được duy trì theo hướng ngược lại, nghĩa là từ trong ra ngoài, cho phép ion thoát ra liên tục và tính khử bên trong và tăng bên ngoài của nó.

Chức năng của bơm Na + / K + cho phép chiết xuất natri đã đi vào bằng cách khuếch tán qua các kênh hoặc các con đường vận chuyển khác và tái tạo kali đã khuếch tán ra ngoài, cho phép bảo tồn nồng độ trong và ngoài tế bào của các các ion.

Cơ chế (quy trình)

Cơ chế hoạt động của Na + / K + ATPase bao gồm một chu trình xúc tác bao gồm các phản ứng chuyển nhóm phosphoryl (Pi) và các thay đổi cấu trúc của enzym chuyển từ trạng thái E1 sang trạng thái E2 và ngược lại.

Hoạt động đòi hỏi sự hiện diện của ATP và Na + bên trong tế bào và K + trong dịch ngoại bào.

Liên kết của các ion natri với chất vận chuyển

Chu trình bắt đầu ở trạng thái cấu tạo E1 của enzym, trong đó có 3 vị trí tế bào liên kết với Na + và có ái lực cao (Km 0,6 mM) được chiếm hoàn toàn vì nồng độ ion trong ( 12 mM) cho phép nó.

Thủy phân ATP

Ở trạng thái này (E1) và với Na + được gắn vào các vị trí liên kết của nó, ATP liên kết với vị trí của nó trong khu vực tế bào của phân tử, thủy phân và một nhóm photphat được chuyển thành aspartat 376, tạo thành acylphosphat năng lượng cao. điều đó gây ra sự thay đổi cấu trúc đối với trạng thái E2.

Đẩy 3 ion natri và đưa vào 2 ion kali

Sự thay đổi cấu trúc đối với trạng thái E2 ngụ ý rằng các vị trí liên kết Na + đi ra bên ngoài, ái lực của chúng với ion giảm rất nhiều và nó được giải phóng vào dịch ngoại bào, đồng thời, ái lực của các vị trí liên kết K + tăng lên. và các ion này được gắn vào bên ngoài máy bơm.

Trong trạng thái E2, các ion Na + được giải phóng sang phía bên kia của màng.

Đổi lại, trạng thái mới này của máy bơm tạo ra ái lực với liên kết của các ion K +

Đảo chiều từ E2 sang E1

Khi Na + được giải phóng và liên kết K +, quá trình thủy phân aspartyl photphat xảy ra và sự thay đổi cấu trúc từ trạng thái E2 sang trạng thái E1 được hoàn nguyên, với sự xuất hiện trở lại của các vị trí liên kết Na + trống và các vị trí của K + bị chiếm đóng.

Khi sự thay đổi này xảy ra, các vị trí cho Na + lấy lại ái lực của chúng và các vị trí cho K + mất đi, theo đó K + được giải phóng vào tế bào.

Tầm quan trọng

Trong việc duy trì độ thẩm thấu tế bào

Bơm Na + / K + có mặt ở hầu hết, nếu không phải tất cả, các tế bào của động vật có vú, ở đó nó có tầm quan trọng chung là giúp duy trì độ thẩm thấu và do đó thể tích của chúng.

Sự xâm nhập liên tục của các ion natri vào trong tế bào quyết định sự gia tăng số lượng nội bào của các phần tử hoạt động thẩm thấu, gây ra sự xâm nhập của nước và sự gia tăng thể tích cuối cùng sẽ gây ra vỡ màng và tế bào sụp đổ.

Trong sự hình thành của điện thế màng

Vì các máy bơm này chỉ đưa vào 2 K + cho mỗi 3 Na + mà chúng loại bỏ, chúng hoạt động điện sinh, có nghĩa là chúng "bù trừ" các điện tích bên trong, tạo điều kiện cho việc tạo ra đặc tính điện thế màng của tế bào cơ thể.

Tầm quan trọng của nó cũng rõ ràng liên quan đến các tế bào tạo nên các mô dễ bị kích thích, trong đó điện thế hoạt động được đặc trưng bởi sự xâm nhập của ion Na +, làm khử cực tế bào và sự thoát ra của K +, làm phân cực nó.

Các chuyển động ion này có thể thực hiện được nhờ hoạt động của các bơm Na + / K +, góp phần tạo ra các gradient hóa học di chuyển các ion liên quan.

Nếu không có các máy bơm này, hoạt động theo hướng ngược lại, gradient nồng độ của các ion này sẽ tiêu tan và hoạt động kích thích sẽ biến mất.

Trong chức năng thận

Một khía cạnh khác làm nổi bật tầm quan trọng của máy bơm natri-kali là liên quan đến chức năng thận, điều này sẽ không thể nếu không có chúng.

Chức năng của thận liên quan đến việc lọc mỗi ngày ít hơn 180 lít huyết tương và một lượng lớn các chất, một số chất phải được bài tiết ra ngoài, nhưng nhiều chất phải được tái hấp thu để không bị mất qua nước tiểu.

Sự tái hấp thu natri, nước và nhiều chất đã lọc phụ thuộc vào các máy bơm này, chúng nằm ở màng đáy của tế bào tạo nên biểu mô của các đoạn ống thận khác nhau của nephron thận.

Các tế bào biểu mô lót ống thận có một mặt tiếp xúc với lòng ống và được gọi là đỉnh, và một mặt khác tiếp xúc với các kẽ xung quanh ống thận và được gọi là mặt đáy.

Nước và các chất được tái hấp thu trước tiên phải đi vào tế bào qua đỉnh và sau đó vào kẽ qua mặt đáy.

Sự tái hấp thu Na + là yếu tố then chốt liên quan đến nó, và liên quan đến nước và của các chất khác phụ thuộc vào nó. Sự xâm nhập đỉnh của Na + vào trong tế bào đòi hỏi phải có một gradient di chuyển nó và điều đó ngụ ý rằng nồng độ ion bên trong tế bào rất thấp.

Nồng độ Na + nội bào thấp này được tạo ra bởi các bơm natri ở màng đáy hoạt động mạnh để loại bỏ ion từ tế bào vào trong kẽ.

Người giới thiệu

1. Ganong WF: Cơ sở chung & tế bào của sinh lý y khoa, trong: Đánh giá về sinh lý y khoa, lần xuất bản thứ 25. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Vận chuyển chất qua màng tế bào, trong: Sách giáo khoa về sinh lý y học, ấn bản thứ 13, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Vận chuyển qua màng tế bào, Trong: Sinh học phân tử và tế bào, xuất bản lần thứ 4.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Các nguyên tắc của Lehninger về hóa sinh. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Sinh học tế bào cần thiết. Khoa học Garland.