POMPA NATRIUM KALIUM: STRUKTUR, FUNGSI, MEKANISME, KEPENTINGAN - BIOLOGI - 2025

The pompa natrium kalium adalah struktur protein termasuk dalam satu set yang lebih luas dari molekul hadir di banyak membran sel, dan yang bertanggung jawab untuk pengangkutan aktif ion atau molekul kecil lainnya terhadap gradien konsentrasi mereka. Mereka menggunakan energi yang dilepaskan oleh hidrolisis ATP dan itulah mengapa mereka secara umum disebut ATPase.

Pompa natrium kalium adalah Na + / K + ATPase karena ia melepaskan energi yang terkandung dalam molekul ATP untuk memindahkan natrium dari dalam ke luar sel, sambil memasukkan kalium.

Skema pompa natrium kalium. Eksterior dan interior sel. (Sumber: Miguelferig, melalui Wikimedia Commons)

Di dalam sel, natrium lebih pekat (12 mEq / L) dibandingkan di luar (142 mEq / L), sedangkan kalium lebih terkonsentrasi di luar (4 mEq / L) daripada di dalam (140 mEq / L).

Pompa ATPase diklasifikasikan menjadi tiga kelompok besar:

• Pompa ion tipe F dan V : merupakan struktur yang cukup kompleks, mereka dapat terdiri dari 3 jenis subunit transmembran dan hingga 5 polipeptida terkait di dalam sitosol. Mereka berfungsi sebagai pengangkut proton.
• Superfamili ABC ( A TP- B inding C assette = ATP binding kaset): terdiri dari lebih dari 100 protein yang dapat berfungsi sebagai pengangkut ion, monosakarida, polisakarida, polipeptida, dan bahkan protein lainnya.
  
• Pompa ion kelas P : dibentuk oleh setidaknya satu subunit alpha transmembran katalitik yang memiliki situs pengikatan untuk ATP dan subunit β minor. Selama proses pengangkutan, subunit α difosforilasi dan karenanya dinamai "P".

Pompa natrium kalium (Na + / K + ATPase) termasuk dalam golongan pompa ionik kelas P dan ditemukan pada tahun 1957 oleh Jens Skou, seorang peneliti Denmark, saat ia mempelajari mekanisme kerja anestesi pada saraf kepiting. (Carcinus maenas); bekerja di mana dia dianugerahi Hadiah Nobel di bidang Kimia pada tahun 1997.

Pompa natrium kalium. NaKpompe2.jpg: Phi-Gastrein at fr.wikipediaderivative work: sonia / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Struktur pompa natrium kalium

Pompa natrium kalium adalah enzim yang, dari sudut pandang struktur kuartenernya, terdiri dari 2 subunit protein tipe alfa (α) dan dua subunit protein tipe beta (β).

Oleh karena itu, ini adalah tetramer dari tipe α2β2, yang subunitnya adalah protein membran integral, yaitu, mereka melintasi lapisan ganda lipid dan memiliki domain intra dan ekstra-sitosol.

Subunit alfa dan beta dari pompa kalium. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Subunit alfa

Subunit α adalah subunit yang mengandung situs pengikatan untuk ATP dan untuk ion Na + dan K + dan mewakili komponen katalitik dari enzim dan salah satu yang menggunakan fungsi pompa itu sendiri.

Subunit α adalah polipeptida besar, dengan berat molekul 120 kDa, 10 segmen transmembran dan dengan ujung terminal N dan C yang terletak di sisi sitosol.

Di sisi intraseluler, mereka memiliki situs pengikatan untuk ATP dan Na +, serta residu aspartat pada posisi 376 yang mewakili situs yang mengalami proses fosforilasi selama aktivasi pompa.

Situs pengikatan untuk K + tampaknya berada di sisi ekstraseluler.

Subunit beta

Subunit β tampaknya tidak memiliki partisipasi langsung dalam fungsi pemompaan, tetapi jika tidak ada, fungsi ini tidak terjadi.

Subunit β memiliki berat molekul masing-masing sekitar 55 kDa dan merupakan glikoprotein dengan domain transmembran tunggal yang residu karbohidratnya disisipkan di daerah ekstraseluler.

Mereka tampaknya diperlukan dalam retikulum endoplasma, di mana mereka akan berkontribusi pada lipatan subunit α yang tepat, dan kemudian, pada tingkat membran, untuk menstabilkan kompleks.

Kedua jenis subunit adalah heterogen dan isoform α1, α2 dan α3 telah dijelaskan untuk satu, dan β1, β2 dan β3 untuk yang lain. Α1 ditemukan di membran sebagian besar sel, sedangkan α2 ada di otot, jantung, jaringan adiposa, dan otak, dan α3 di jantung dan otak.

Isoform β1 memiliki distribusi paling banyak, meskipun tidak ada di beberapa jaringan seperti sel vestibular telinga bagian dalam dan sel otot glikolitik yang merespons dengan cepat. Yang terakhir hanya mengandung β2.

Struktur yang berbeda dari subunit yang menyusun pompa Na + / K + di jaringan yang berbeda mungkin disebabkan oleh spesialisasi fungsional yang belum dijelaskan.

Fungsi pompa kalium

Untuk beberapa saat yang dipertimbangkan, membran plasma merupakan batas pemisah antara kompartemen yang berhubungan dengan bagian dalam sel dan yang mewakili cairan ekstraseluler di mana ia dibenamkan.

Kedua kompartemen memiliki komposisi yang dapat berbeda secara kualitatif, karena terdapat zat di dalam sel yang tidak ditemukan di luarnya dan cairan ekstraseluler mengandung zat yang tidak terdapat secara intraseluler.

Zat yang ada di kedua kompartemen dapat ditemukan dalam konsentrasi yang berbeda, dan perbedaan ini dapat memiliki signifikansi fisiologis. Seperti halnya dengan banyak ion.

Pemeliharaan homeostasis

Pompa Na + / K + memainkan peran mendasar dalam pemeliharaan homeostasis intraseluler dengan mengontrol konsentrasi ion natrium dan kalium. Pemeliharaan homeostasis ini tercapai berkat:

• Transpor ion : memasukkan ion natrium dan mengeluarkan ion kalium, suatu proses yang juga mendorong pergerakan molekul lain melalui transporter lain yang bergantung pada muatan listrik atau konsentrasi internal ion ini.
• Pengendalian volume sel : masuk atau keluarnya ion juga menyiratkan pergerakan air di dalam sel, sehingga pompa berpartisipasi dalam pengontrolan volume sel.
• Pembangkitan potensial membran : pengusiran 3 ion natrium untuk setiap 2 ion kalium yang dimasukkan menyebabkan membran tetap bermuatan negatif di dalam, yang menghasilkan perbedaan muatan antara bagian dalam dan luar sel. Perbedaan ini dikenal sebagai potensi istirahat.

Na + memiliki konsentrasi ekstraseluler sekitar 142 mEq / L, sedangkan konsentrasi intraselulernya hanya 12 mEq / L; K +, sebaliknya, lebih terkonsentrasi di dalam sel (140 mEq / L) daripada di luarnya (4 mEq / L).

Meskipun muatan listrik ion-ion ini tidak memungkinkan lewatnya membran, ada saluran ion yang memungkinkannya (secara selektif), yang mendorong pergerakan jika gaya yang biasanya menggerakkan ion-ion ini juga ada.

Namun, perbedaan konsentrasi ini sangat penting dalam pelestarian homeostasis organisme dan harus dipertahankan dalam semacam keseimbangan yang, jika hilang, akan menghasilkan perubahan organik yang penting.

Difusi natrium kalium dan pompa (Sumber: BruceBlaus. Saat menggunakan gambar ini pada sumber eksternal dapat dikutip sebagai: Staf Blausen.com (2014). «Galeri Medis Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. Turunan oleh Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) melalui Wikimedia Commons)

• Perbedaan konsentrasi Na + antara bagian dalam dan luar sel menciptakan gradien kimiawi yang mendorong natrium ke dalam dan menyebabkan ion ini terus-menerus masuk dan cenderung menghilangkan perbedaan tersebut, yaitu menyamakan konsentrasi di keduanya. sisi.
• Gradien kalium dipertahankan dalam arah yang berlawanan, yaitu dari dalam ke luar, memungkinkan keluarnya ion secara konstan dan reduksi internal serta peningkatan eksternal.

Fungsi pompa Na + / K + memungkinkan ekstraksi natrium yang telah masuk melalui difusi melalui saluran atau jalur transpor lain dan reintroduksi kalium yang telah menyebar keluar, memungkinkan konservasi konsentrasi intra dan ekstraseluler ini. ion.

Mekanisme (proses)

Mekanisme kerja Na + / K + ATPase terdiri dari siklus katalitik yang melibatkan reaksi transfer gugus fosforil (Pi) dan perubahan konformasi enzim yang berubah dari keadaan E1 ke keadaan E2 dan sebaliknya.

Operasi tersebut membutuhkan kehadiran ATP dan Na + di dalam sel dan K + dalam cairan ekstraseluler.

Pengikatan ion natrium ke transporter

Siklus konformasi E1 dimulai pada keadaan enzim, dimana terdapat 3 situs sitosol pengikatan Na + dan afinitas tinggi (Km 0,6 mM) yang terisi penuh karena konsentrasi ion intra ( 12 mM) memungkinkannya.

Hidrolisis ATP

Dalam keadaan ini (E1) dan dengan Na + terikat pada situs pengikatannya, ATP mengikat ke situsnya di sektor sitosol molekul, menghidrolisis dan gugus fosfat dipindahkan ke aspartat 376, membentuk asilfosfat berenergi tinggi yang menginduksi perubahan konformasi ke status E2.

Pengusiran 3 ion natrium dan pengenalan 2 ion kalium

Perubahan konformasi ke keadaan E2 menyiratkan bahwa situs pengikatan Na + lolos ke luar, afinitasnya terhadap ion sangat menurun dan dilepaskan ke dalam cairan ekstraseluler, sementara, pada saat yang sama, afinitas situs pengikatan K + meningkat. dan ion-ion ini menempel di bagian luar pompa.

Selama keadaan E2, ion Na + dilepaskan ke sisi lain membran.

Selanjutnya, keadaan pompa yang baru ini menghasilkan afinitas untuk pengikatan ion K +

Pembalikan dari E2 ke E1

Setelah Na + dilepaskan dan K + terikat, hidrolisis aspartil fosfat terjadi dan perubahan konformasi dari E2 ke E1 dibalik, dengan reintroduksi tempat pengikatan Na + kosong dan K + yang ditempati.

Ketika perubahan ini terjadi, situs Na + mendapatkan kembali afinitasnya dan situs K + kehilangannya, yang dengannya K + dilepaskan ke dalam sel.

Pentingnya

Dalam pemeliharaan osmolaritas seluler

Pompa Na + / K + ada di sebagian besar, jika tidak semua, sel mamalia, di mana pompa ini sangat penting dengan membantu mempertahankan osmolaritas dan volumenya.

Masuknya ion natrium secara terus menerus ke dalam sel menentukan peningkatan jumlah partikel aktif osmotik intraseluler, yang menginduksi masuknya air dan peningkatan volume yang pada akhirnya menyebabkan pecahnya membran dan keruntuhan sel.

Dalam pembentukan potensial membran

Karena pompa-pompa ini hanya memasukkan 2 K + untuk setiap 3 Na + yang mereka keluarkan, mereka berperilaku secara elektrogenik, yang berarti bahwa mereka "mendekompensasi" muatan listrik internal, mendukung produksi karakteristik potensial membran sel tubuh.

Kepentingannya juga terbukti dalam kaitannya dengan sel-sel yang membentuk jaringan yang terangsang, di mana potensial aksi dicirikan oleh masuknya ion Na +, yang mendepolarisasi sel, dan keluarnya K +, yang merepolarisasi itu.

Gerakan ionik ini dimungkinkan berkat operasi pompa Na + / K +, yang berkontribusi pada produksi gradien kimia yang menggerakkan ion yang terlibat.

Tanpa pompa ini, yang beroperasi dalam arah yang berlawanan, gradien konsentrasi ion-ion ini akan menghilang dan aktivitas eksitatori akan menghilang.

Dalam fungsi ginjal

Aspek lain yang menyoroti pentingnya pompa natrium-kalium terkait dengan fungsi ginjal, yang tidak mungkin dilakukan tanpanya.

Fungsi ginjal melibatkan filtrasi harian sekitar 180 liter plasma dan sejumlah besar zat, beberapa di antaranya harus dikeluarkan, tetapi banyak yang harus diserap kembali agar tidak hilang melalui urin.

Reabsorpsi natrium, air, dan banyak zat yang disaring bergantung pada pompa ini, yang terletak di membran basolateral sel yang membentuk epitel segmen tubular nefron ginjal yang berbeda.

Sel epitel yang melapisi tubulus ginjal memiliki satu wajah yang bersentuhan dengan lumen tubulus dan disebut wajah apikal, dan wajah lainnya yang bersentuhan dengan interstitium di sekitar tubulus dan disebut basolateral.

Air dan zat yang diserap kembali harus terlebih dahulu masuk ke dalam sel melalui apikal dan kemudian ke interstitium melalui basolateral.

Reabsorpsi Na + adalah kunci baik dalam hubungannya dengan itu, maupun dalam hubungannya dengan air dan zat lain yang bergantung padanya. Masuknya apikal Na + ke dalam sel mensyaratkan adanya gradien yang menggerakkannya dan itu menyiratkan konsentrasi ion yang sangat rendah di dalam sel.

Konsentrasi Na + intraseluler yang rendah ini dihasilkan oleh pompa natrium di dalam membran basolateral yang bekerja secara intensif untuk mengeluarkan ion dari sel ke dalam interstitium.

Referensi

1. Ganong WF: The General & Cellular Basis of Medical Physiology, dalam: Review of Medical Physiology, edisi ke-25. New York, McGraw-Hill Education, 2016.
2. Guyton AC, Hall JE: Substance Transport Across the Cell Membrane, dalam: Textbook of Medical Physiology, edisi ke-13, AC Guyton, JE Hall (eds). Philadelphia, Elsevier Inc., 2016.
3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transport across the Cells Membranes, In: Molecular and Cell Biology, edisi ke-4.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Prinsip biokimia Lehninger. Macmillan.
5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Biologi sel esensial. Ilmu Garland.