مضخة بوتاسيوم الصوديوم: الهيكل ، الوظيفة ، الآلية ، الأهمية - مادة الاحياء - 2026

و مضخة الصوديوم والبوتاسيوم هو بنية البروتين المدرجة في مجموعة أوسع من الجزيئات تظهر في العديد من أغشية الخلايا، والتي هي المسؤولة عن النقل النشط للأيونات أو جزيئات صغيرة أخرى ضد التدرجات تركيزهم. يستخدمون الطاقة المنبعثة من التحلل المائي لـ ATP وهذا هو السبب في أنهم يطلقون عمومًا على ATPases.

مضخة بوتاسيوم الصوديوم عبارة عن Na + / K + ATPase لأنها تطلق الطاقة الموجودة في جزيء ATP لنقل الصوديوم من الداخل إلى الخارج للخلية ، مع إدخال البوتاسيوم.

رسم تخطيطي لمضخة الصوديوم البوتاسيوم. الخارج والداخل من الزنزانة. (المصدر: Miguelferig ، عبر ويكيميديا ​​كومنز)

داخل الخلية ، يكون الصوديوم أقل تركيزًا (12 مللي مكافئ / لتر) من الخارج (142 مللي مكافئ / لتر) ، بينما يتركز البوتاسيوم في الخارج (4 مللي مكافئ / لتر) أكثر من الداخل (140 مللي مكافئ / لتر).

يتم تصنيف مضخات ATPase إلى ثلاث مجموعات كبيرة:

• المضخات الأيونية من النوع F و V: هي هياكل معقدة للغاية ، ويمكن أن تتكون من 3 أنواع مختلفة من الوحدات الفرعية عبر الغشاء وما يصل إلى 5 عديد ببتيدات مرتبطة في العصارة الخلوية. تعمل كناقلات البروتون.
• العائلة الفائقة ABC (من الإنجليزية A TP- B inding C Assette = شريط ربط ATP): تتكون من أكثر من 100 بروتين يمكن أن تعمل كناقلات للأيونات ، السكريات الأحادية ، السكريات ، البولي ببتيدات وحتى البروتينات الأخرى.

• القنابل الأيونية من الفئة P: تتكون من وحدة ألفا فرعية واحدة على الأقل عبر الغشاء التحفيزي ولها موقع ارتباط لـ ATP ووحدة فرعية ثانوية. أثناء عملية النقل ، يتم فسفرة الوحدة الفرعية α ومن هنا اسمها "P".

تنتمي مضخة بوتاسيوم الصوديوم (Na + / K + ATPase) إلى مجموعة المضخات الأيونية من الفئة P وتم اكتشافها عام 1957 بواسطة الباحث الدنماركي Jens Skou عندما كان يدرس آلية عمل التخدير على أعصاب سرطان البحر. (كارسينوس ميناس) ؛ عمل حصل من أجله على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1997.

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

هيكل مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

مضخة بوتاسيوم الصوديوم عبارة عن إنزيم ، من وجهة نظر هيكلها الرباعي ، يتكون من وحدتين فرعيتين من البروتين من نوع ألفا (α) واثنين من وحدات البروتين الفرعية (β).

وبالتالي ، فهو رباعي من النوع α2β2 ، ووحداته الفرعية عبارة عن بروتينات غشائية متكاملة ، أي أنها تعبر طبقة ثنائية الدهون ولها مجالات داخل وخارج العصارة الخلوية.

الوحدات الفرعية ألفا وبيتا لمضخة البوتاسيوم. Rob Cowie / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

وحدات ألفا الفرعية

الوحدات الفرعية α هي تلك التي تحتوي على مواقع الربط لـ ATP وأيونات Na + و K + وتمثل المكون الحفاز للإنزيم والمكون الذي يمارس وظيفة المضخة نفسها.

الوحدات الفرعية α عبارة عن عديد ببتيدات كبيرة ، بوزن جزيئي يبلغ 120 كيلو دالتون ، و 10 أجزاء عبر الغشاء مع نهايات N- و C- تقع على الجانب العصاري.

لديهم مواقع ربط لـ ATP و Na + على الجانب داخل الخلايا ، بالإضافة إلى بقايا الأسبارتات في الموضع 376 التي تمثل الموقع الذي يخضع لعملية الفسفرة أثناء تنشيط المضخة.

يبدو أن موقع الربط لـ K + يقع على الجانب خارج الخلية.

وحدات بيتا الفرعية

لا يبدو أن للوحدات الفرعية have مشاركة مباشرة في وظيفة الضخ ، ولكن في غيابها لا تحدث هذه الوظيفة.

الوحدات الفرعية β لها وزن جزيئي يبلغ حوالي 55 كيلو دالتون لكل منها وهي بروتينات سكرية مع مجال غشاء واحد يتم إدخال بقايا الكربوهيدرات في المنطقة خارج الخلية.

يبدو أنها ضرورية في الشبكة الإندوبلازمية ، حيث ستساهم في الطي المناسب للوحدات الفرعية α ، وبعد ذلك ، على مستوى الغشاء ، لتثبيت المركب.

كلا النوعين من الوحدات الفرعية غير متجانسين وقد تم وصف الأشكال الإسوية α1 و α2 و α3 للواحد ، و 1 و β2 و 3 للآخر. يوجد 1 في أغشية معظم الخلايا ، بينما يوجد α2 في العضلات والقلب والأنسجة الدهنية والدماغ و α3 في القلب والدماغ.

يحتوي الشكل الإسوي β1 على التوزيع الأكثر انتشارًا ، على الرغم من غيابه في بعض الأنسجة مثل الخلايا الدهليزية للأذن الداخلية وخلايا العضلات الحالّة للسكري سريعة الاستجابة. هذا الأخير يحتوي فقط على 2.

قد تكون الهياكل المختلفة للوحدات الفرعية التي تتكون منها مضخة Na + / K + في الأنسجة المختلفة بسبب التخصصات الوظيفية التي لم يتم توضيحها بعد.

وظيفة مضخة البوتاسيوم

في أي لحظة يتم أخذها في الاعتبار ، يشكل غشاء البلازما حدًا فاصلًا بين الحجرة المقابلة للجزء الداخلي للخلية وتلك التي تمثل السائل خارج الخلية الذي يتم غمرها فيه.

يحتوي كلا الجزأين على تركيبة يمكن أن تكون مختلفة نوعيًا ، نظرًا لوجود مواد داخل الخلايا لا توجد خارجها ويحتوي السائل خارج الخلية على مواد غير موجودة داخل الخلايا.

يمكن العثور على المواد الموجودة في كلا الجزأين بتركيزات مختلفة ، ويمكن أن يكون لهذه الاختلافات أهمية فسيولوجية. هذا هو الحال مع العديد من الأيونات.

الحفاظ على التوازن

تلعب مضخة Na + / K + دورًا أساسيًا في الحفاظ على التوازن داخل الخلايا عن طريق التحكم في تركيزات أيونات الصوديوم والبوتاسيوم. تتحقق هذه المحافظة على التوازن بفضل:

• النقل الأيوني: يدخل أيونات الصوديوم ويخرج أيونات البوتاسيوم ، وهي عملية يقود من خلالها أيضًا حركة الجزيئات الأخرى من خلال ناقلات أخرى تعتمد إما على الشحنة الكهربائية أو التركيز الداخلي لهذه الأيونات.
• التحكم في حجم الخلية: يتضمن إدخال الأيونات أو خروجها أيضًا حركات الماء داخل الخلية ، لذلك تشارك المضخة في التحكم في حجم الخلية.
• توليد جهد الغشاء: طرد 3 أيونات صوديوم لكل 2 أيون بوتاسيوم يتم إدخالها يتسبب في بقاء الغشاء مشحونًا سالبًا من الداخل ، مما يولد اختلافًا في الشحنات بين داخل الخلية وخارجها. يُعرف هذا الاختلاف بإمكانية الراحة.

يحتوي Na + على تركيز خارج الخلية يبلغ حوالي 142 ملي مكافئ / لتر ، بينما تركيزه داخل الخلايا هو 12 ملي مكافئ / لتر فقط ؛ من ناحية أخرى ، يتركز K + داخل الخلية (140 مللي مكافئ / لتر) أكثر من خارجها (4 مللي مكافئ / لتر).

على الرغم من أن الشحنة الكهربائية لهذه الأيونات لا تسمح بمرورها عبر الغشاء ، إلا أن هناك قنوات أيونية تسمح بذلك (بشكل انتقائي) ، والتي تعزز الحركة في حالة وجود القوى التي تحرك هذه الأيونات عادةً.

ومع ذلك ، فإن هذه الاختلافات في التركيز لها أهمية كبيرة في الحفاظ على التوازن الداخلي للكائن الحي ويجب الحفاظ عليها في نوع من التوازن ، إذا فقد ، من شأنه أن ينتج عنه تغييرات عضوية مهمة.

نشر ومضخة بوتاسيوم الصوديوم (المصدر: BruceBlaus. عند استخدام هذه الصورة في مصادر خارجية يمكن الاستشهاد بها على النحو التالي: Blausen.com staff (2014). «Medical Gallery of Blausen Medical 2014». WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. مشتق بواسطة Mikael Häggström / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) عبر Wikimedia Commons)

• يؤدي الاختلاف في تركيز Na + بين داخل الخلية وخارجها إلى إنشاء تدرج كيميائي يدفع الصوديوم إلى الداخل ويؤدي إلى دخول هذا الأيون باستمرار ويميل إلى تبديد هذا الاختلاف ، أي لمعادلة التركيزات في كليهما الجوانب.
• يتم الاحتفاظ بتدرج البوتاسيوم في الاتجاه المعاكس ، أي من الداخل إلى الخارج ، مما يسمح بالخروج المستمر للأيون وتقليله الداخلي والزيادة الخارجية.

تسمح وظيفة مضخة Na + / K + باستخراج الصوديوم الذي دخل عن طريق الانتشار عبر القنوات أو طرق النقل الأخرى وإعادة إدخال البوتاسيوم المنتشر ، مما يسمح بالحفاظ على التركيزات داخل وخارج الخلايا من هذه الأيونات.

آلية (عملية)

تتكون آلية عمل Na + / K + ATPase من دورة تحفيزية تتضمن تفاعلات نقل لمجموعة الفوسفوريل (Pi) والتغيرات التوافقية للإنزيم التي تنتقل من حالة E1 إلى حالة E2 والعكس صحيح.

تتطلب العملية وجود ATP و Na + داخل الخلية و K + في السائل خارج الخلية.

ربط أيونات الصوديوم بالناقل

تبدأ الدورة في حالة التشكل E1 للإنزيم ، حيث يوجد 3 مواقع خلوية مرتبطة بـ Na + وذات تقارب عالٍ (كم 0.6 ملي مولار) مشغولة بالكامل بسبب تركيز الأيونات داخل (12 ملم) يسمح بذلك.

التحلل المائي ATP

في هذه الحالة (E1) ومع Na + المرتبطة بمواقع الربط الخاصة به ، يرتبط ATP بموقعه في قطاع العصارة الخلوية للجزيء ، ويتم نقل مجموعة الفوسفات إلى الأسبارتات 376 ، مما يشكل أسيل فوسفات عالي الطاقة يؤدي إلى تغيير توافقي إلى الحالة E2.

طرد 3 أيونات صوديوم وإدخال 2 أيونات بوتاسيوم

يعني التغيير المطابق لحالة E2 أن مواقع ربط Na + تنتقل إلى الخارج ، وأن تقاربها مع الأيون ينخفض ​​بشكل كبير ويتم إطلاقه في السائل خارج الخلية ، بينما ، في نفس الوقت ، يزداد تقارب مواقع الربط K +. وهذه الأيونات متصلة بالجزء الخارجي من المضخة.

أثناء الحالة E2 ، يتم إطلاق أيونات الصوديوم إلى الجانب الآخر من الغشاء.

في المقابل ، تولد هذه الحالة الجديدة للمضخة تقاربًا لربط أيونات K +

الانعكاس من E2 إلى E1

بمجرد إطلاق Na + وربط K + ، يحدث التحلل المائي لفوسفات الأسبارتيل ويتم إرجاع التغيير المطابق من الحالة E2 إلى الحالة E1 ، مع إعادة إدخال مواقع ربط Na + الفارغة ومواقع K المشغولة.

عند حدوث هذا التغيير ، تستعيد مواقع Na + تقاربها وتلك الخاصة بـ K + تفقدها ، حيث يتم إطلاق K + في الخلية.

أهمية

في الحفاظ على الأسمولية الخلوية

توجد مضخة Na + / K + في معظم ، إن لم يكن كل ، خلايا الثدييات ، حيث تكون ذات أهمية عامة من خلال المساعدة في الحفاظ على الأسمولية وبالتالي حجمها.

يؤدي الدخول المستمر لأيونات الصوديوم إلى الخلية إلى تكييف زيادة عدد الجسيمات النشطة تناضحيًا داخل الخلايا ، مما يؤدي إلى دخول الماء وزيادة الحجم الذي قد يؤدي في النهاية إلى تمزق الغشاء وانهيار الخلية.

في تكوين الغشاء المحتمل

نظرًا لأن هذه المضخات تقدم 2 كيلو + فقط لكل 3 Na + يتم إزالتها ، فإنها تتصرف بطريقة كهربية ، مما يعني أنها "تعوض" الشحنات الكهربائية الداخلية ، وتفضل إنتاج الغشاء الذي يميز خلايا الجسم.

تتجلى أهميتها أيضًا فيما يتعلق بالخلايا التي تتكون منها أنسجة قابلة للإثارة ، حيث تتميز إمكانات الفعل بدخول أيون الصوديوم ، الذي يزيل استقطاب الخلية ، وخروج K + ، مما يؤدي إلى إعادة استقطابها.

هذه الحركات الأيونية ممكنة بفضل تشغيل مضخات Na + / K + ، والتي تساهم في إنتاج التدرجات الكيميائية التي تحرك الأيونات المعنية.

بدون هذه المضخات ، التي تعمل في الاتجاه المعاكس ، ستتبدد تدرجات تركيز هذه الأيونات ويختفي النشاط الاستثاري.

في وظائف الكلى

جانب آخر يسلط الضوء على الأهمية القصوى لمضخات الصوديوم والبوتاسيوم يتعلق بوظيفة الكلى ، والتي ستكون مستحيلة بدونها.

تتضمن وظيفة الكلى الترشيح اليومي لأكثر أو أقل من 180 لترًا من البلازما وكميات كبيرة من المواد ، والتي يجب إفراز بعضها ، ولكن يجب إعادة امتصاص العديد منها حتى لا تضيع في البول.

تعتمد إعادة امتصاص الصوديوم والماء والعديد من المواد المفلترة على هذه المضخات ، التي توجد في الغشاء الجانبي للخلايا التي تشكل ظهارة الأجزاء الأنبوبية المختلفة لكليونات الكلى.

تحتوي الخلايا الظهارية التي تبطن الأنابيب الكلوية على جانب واحد على اتصال مع تجويف النبيبات ويسمى الجانب القمي ، والآخر على اتصال مع النسيج الخلالي حول النبيبات ويسمى الجانب السفلي الجانبي.

يجب أن يمر الماء والمواد المعاد امتصاصها أولاً إلى الخلية من خلال القمة ثم إلى الخلالي من خلال القاعدة الجانبية.

تعد إعادة امتصاص Na + أمرًا أساسيًا فيما يتعلق به ، وفيما يتعلق بالماء والمواد الأخرى التي تعتمد عليه. يتطلب الدخول القمي لـ Na + في الخلية أن يكون هناك تدرج يحركها وهذا يعني تركيزًا منخفضًا جدًا للأيون داخل الخلية.

يتم إنتاج هذا التركيز المنخفض داخل الخلايا لـ Na + بواسطة مضخات الصوديوم الموجودة في الغشاء القاعدية التي تعمل بشكل مكثف لإزالة الأيونات من الخلايا إلى داخل النسيج الخلالي.

المراجع

1. جانونج دبليو إف: الأساس العام والخلوي لعلم وظائف الأعضاء الطبي ، في: مراجعة علم وظائف الأعضاء الطبية ، الطبعة الخامسة والعشرون. نيويورك ، McGraw-Hill Education ، 2016.
2. Guyton AC ، Hall JE: نقل المواد عبر غشاء الخلية ، في: Textbook of Medical Physiology، 13th ed، AC Guyton، JE Hall (eds). فيلادلفيا ، شركة إلسفير ، 2016.
3. Lodish H ، Berk A ، Zipursky SL ، Matsudaira P ، Baltimore D ، Darnell J: النقل عبر أغشية الخلايا ، In: Molecular and Cell Biology ، 4th ed.
4. نيلسون ، DL ، Lehninger ، AL ، & Cox ، MM (2008). مبادئ Lehninger للكيمياء الحيوية. ماكميلان.
5. ألبرتس ، بي ، براي ، دي ، هوبكين ، كيه ، جونسون ، إيه دي ، لويس ، جيه ، راف ، إم ،… ووالتر ، بي (2013). بيولوجيا الخلية الأساسية. علوم جارلاند.