Na + / K + -ATPase -Na+/K+-ATPase

Bomba Na⁺ / K⁺-ATPase
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Bomba de sódio-potássio, estado E2-Pi. Os limites de hidrocarbonetos calculados da bicamada lipídica são mostrados nos planos azul (intracelular) e vermelho (extracelular)
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EC nº 7.2.2.13
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Fluxo de íons.
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Na⁺ / K⁺-ATPase ( sódio - potássio adenosina trifosfatase , também conhecida como bomba Na⁺ / K⁺ ou bomba de sódio-potássio ) é uma enzima (uma ATPase transmembrana eletrogênica ) encontrada na membrana de todas as células animais . Desempenha diversas funções na fisiologia celular .

A enzima Na⁺ / K⁺-ATPase é ativa (ou seja, usa a energia do ATP ). Para cada molécula de ATP que a bomba usa, três íons de sódio são exportados e dois íons de potássio são importados; há, portanto, uma exportação líquida de uma única carga positiva por ciclo da bomba.

A bomba de sódio-potássio foi descoberta em 1957 pelo cientista dinamarquês Jens Christian Skou , que recebeu o Prêmio Nobel por seu trabalho em 1997. Sua descoberta marcou um passo importante na compreensão de como os íons entram e saem das células, e tem um significado particular para as células excitáveis, como as células nervosas , que dependem dessa bomba para responder a estímulos e transmitir impulsos.

Todos os mamíferos têm quatro subtipos diferentes de bomba de sódio, ou isoformas. Cada um tem propriedades exclusivas e padrões de expressão de tecido. Este enzima pertence à família de ATPases de tipo P .

Função

A Na⁺ / K⁺-ATPase ajuda a manter o potencial de repouso , afeta o transporte e regula o volume celular . Ele também funciona como um transdutor / integrador de sinal para regular a via MAPK , espécies reativas de oxigênio (ROS), bem como cálcio intracelular. Na verdade, todas as células gastam uma grande fração do ATP que produzem (normalmente 30% e até 70% nas células nervosas) para manter as concentrações citosólicas de Na e K necessárias. Para os neurônios, a Na⁺ / K⁺-ATPase pode ser responsável por até 3/4 do gasto de energia da célula. Em muitos tipos de tecido, o consumo de ATP pelas Na + / K + ATPases tem sido relacionado à glicólise . Isso foi descoberto pela primeira vez nas células vermelhas do sangue (Schrier, 1966), mas mais tarde foi evidenciado nas células renais, músculos lisos ao redor dos vasos sanguíneos e células purkinje cardíacas. Recentemente, a glicólise também demonstrou ser de particular importância para Na⁺ / K⁺-ATPases nos músculos esqueléticos, onde a inibição da quebra do glicogênio (um substrato para a glicólise ) leva à redução da atividade de Na⁺ / K⁺-ATPase e menor produção de força .

Potencial de descanso

A Na⁺ / K⁺-ATPase, bem como os efeitos da difusão dos íons envolvidos, mantêm o potencial de repouso através das membranas.

Para manter o potencial da membrana celular, as células mantêm uma baixa concentração de íons sódio e altos níveis de íons potássio dentro da célula ( intracelular ). O mecanismo da bomba de sódio-potássio move 3 íons de sódio para fora e move 2 íons de potássio para dentro, removendo assim, no total, um portador de carga positiva do espaço intracelular (consulte Mecanismo para obter detalhes). Além disso, existe um canal de curto-circuito (isto é, um canal iônico altamente permeável ao K) para o potássio na membrana, portanto, a voltagem através da membrana plasmática está próxima do potencial de potássio de Nernst .

Potencial de reversão

Mesmo se os íons K⁺ e Na⁺ tiverem a mesma carga, eles ainda podem ter potenciais de equilíbrio muito diferentes para as concentrações externas e / ou internas. A bomba de sódio-potássio se move em direção a um estado de equilíbrio com as concentrações relativas de Na + e K + para dentro e fora da célula. Por exemplo, a concentração de K + no citosol é 100 mM, enquanto a concentração de Na + é 10 mM. Por outro lado, no espaço extracelular, a concentração de K⁺ é 5mM, enquanto a concentração de Na⁺ é 150mM.

Transporte

A exportação de sódio da célula fornece a força motriz para várias proteínas de transporte de membrana transportadoras ativas secundárias , que importam glicose , aminoácidos e outros nutrientes para a célula pelo uso do gradiente de sódio.

Outra tarefa importante da bomba Na⁺-K⁺ é fornecer um gradiente de Na⁺ que é usado por certos processos de transporte. No intestino , por exemplo, o sódio é transportado para fora da célula reabsorver no sangue (fluido intersticial) lado através da bomba de Na + K +-, enquanto que, no lado reabsorver (luminal), o Na +-glicose simportador utiliza o criou gradiente de Na⁺ como fonte de energia para importar Na⁺ e glicose, que é muito mais eficiente do que a difusão simples. Processos semelhantes estão localizados no sistema tubular renal .

Controlando o volume da célula

A falha das bombas Na⁺-K⁺ pode resultar no inchaço da célula. A osmolaridade de uma célula é a soma das concentrações das várias espécies de íons e muitas proteínas e outros compostos orgânicos dentro da célula. Quando esta é maior do que a osmolaridade fora da célula, a água flui para a célula por osmose . Isso pode fazer com que a célula inche e se lise . A bomba Na⁺-K⁺ ajuda a manter as concentrações corretas de íons. Além disso, quando a célula começa a inchar, isso ativa automaticamente a bomba Na⁺-K⁺, pois muda as concentrações internas de Na⁺-K⁺ às quais a bomba é sensível.

Funcionando como transdutor de sinal

Na última década, muitos laboratórios independentes demonstraram que, além do transporte clássico de íons, essa proteína de membrana também pode retransmitir a sinalização de ligação da ouabaína extracelular para a célula por meio da regulação da fosforilação da proteína tirosina. Por exemplo, em Ramnanan CJ. 2006, o estudo investiga a função da Na + / K + ATPase no músculo do pé e do hepatopâncreas no caramujo terrestre O.Lactea comparando os estados ativo e estivating. Eles concluíram que a fosforilação reversível pode controlar os mesmos meios de coordenação de utilização de ATP por esta bomba de iões com as taxas de geração de ATP por vias catabólicas em estivating O. Lactea .A sinais a jusante por meio de eventos de fosforilação de proteína desencadeada-ouabaína incluem a activação do mitogen- cascatas de sinal de proteína quinase ativada (MAPK), produção de espécies reativas mitocondriais de oxigênio (ROS), bem como ativação de fosfolipase C (PLC) e receptor de trifosfato de inositol (IP3) ( IP3R ) em diferentes compartimentos intracelulares.

As interações proteína-proteína desempenham um papel muito importante na transdução de sinal mediada pela bomba Na⁺-K⁺. Por exemplo, a bomba Na + -K + interage diretamente com Src , uma tirosina quinase não receptora, para formar um complexo receptor de sinalização. A Src quinase é inibida pela bomba Na⁺-K⁺, enquanto, após a ligação da ouabaína, o domínio da Src quinase será liberado e então ativado. Com base neste cenário, o NaKtide, um inibidor do peptídeo Src derivado da bomba Na⁺-K⁺, foi desenvolvido como uma transdução de sinal mediada pela bomba ouabaína-Na⁺-K⁺ funcional. A bomba Na⁺-K⁺ também interage com anquirina , IP3R, PI3K , PLC-gama e cofilina .

Controle dos estados de atividade dos neurônios

A bomba Na⁺-K⁺ demonstrou controlar e definir o modo de atividade intrínseca dos neurônios de Purkinje cerebelares , células mitrais do bulbo olfatório acessório e provavelmente outros tipos de neurônios. Isso sugere que a bomba pode não ser simplesmente uma molécula homeostática , "doméstica" para gradientes iônicos, mas pode ser um elemento de computação no cerebelo e no cérebro . Na verdade, uma mutação na bomba de Na +-de K + provoca rápido início distonia - parkinsonismo , que tem sintomas que indicam que é uma patologia da computação cerebelar. Além disso, um bloco de ouabaína de bombas Na⁺-K⁺ no cerebelo de um camundongo vivo resulta em ataxia e distonia . O álcool inibe as bombas de sódio-potássio no cerebelo e é provavelmente assim que corrompe a computação cerebelar e a coordenação corporal. A distribuição da bomba Na⁺-K⁺ nos axônios mielinizados, no cérebro humano, demonstrou ser ao longo do axolema internodal, e não dentro do axolema nodal, como se pensava anteriormente.

Mecanismo

A bomba de sódio-potássio é encontrada em muitas membranas celulares (plasma). Alimentada por ATP, a bomba move íons de sódio e potássio em direções opostas, cada uma contra seu gradiente de concentração. Em um único ciclo da bomba, três íons de sódio são extrudados e dois íons de potássio são importados para a célula.

Observando o processo a partir do interior da célula.

  • A bomba tem uma afinidade maior para os íons Na⁺ do que para os íons K⁺, portanto, após ligar-se ao ATP , liga-se a 3 íons Na⁺ intracelulares.
  • O ATP é hidrolisado , levando à fosforilação da bomba em um resíduo de aspartato altamente conservado e subsequente liberação de ADP . Este processo leva a uma mudança conformacional na bomba.
  • A mudança conformacional expõe os íons Na⁺ para o exterior. A forma fosforilada da bomba tem baixa afinidade para os íons Na⁺, então eles são liberados; em contraste, tem alta afinidade com os íons K⁺.
  • A bomba liga 2 íons K⁺ extracelulares. Isso causa a desfosforilação da bomba, revertendo-a ao seu estado conformacional anterior, liberando os íons K⁺ para a célula.
  • A forma não fosforilada da bomba tem maior afinidade para os íons Na⁺. O ATP se liga e o processo começa novamente.

Regulamento

Endógeno

A Na + / K + -ATPase é regulada positivamente pelo cAMP . Assim, as substâncias que causam um aumento no cAMP regulam positivamente a Na + / K + - ATPase. Estes incluem os ligandos de a G s GPCRs -coupled. Em contraste, as substâncias que causam uma diminuição no cAMP regulam negativamente a Na + / K + - ATPase. Estes incluem os ligandos dos GPCRs acoplados a G i . Nota: Os primeiros estudos indicaram o efeito oposto , mas posteriormente foram considerados imprecisos devido a fatores complicadores adicionais.

A Na⁺ / K⁺-ATPase é endogenamente regulada negativamente pelo inositol pirofosfato 5-InsP7, uma molécula de sinalização intracelular gerada por IP6K1 , que alivia um domínio autoinibitório de PI3K p85α para conduzir a endocitose e degradação.

A Na + / K + -ATPase também é regulada por fosforilação reversível. A pesquisa mostrou que em animais estivating, a Na⁺ / K⁺-ATPase está na forma fosforilada e de baixa atividade. A desfosforilação da Na⁺ / K⁺-ATPase pode recuperá-la para a forma de alta atividade.

Exógeno

A Na + / K + -ATPase pode ser modificada farmacologicamente pela administração exógena de drogas. Sua expressão também pode ser modificada por meio de hormônios como a triiodotironina , um hormônio da tireoide .

Por exemplo, a Na⁺ / K⁺-ATPase encontrada na membrana das células cardíacas é um importante alvo dos glicosídeos cardíacos (por exemplo, digoxina e ouabaína ), drogas inotrópicas usadas para melhorar o desempenho do coração , aumentando sua força de contração.

Contracção do músculo é dependente de uma de 100 a 10.000 vezes mais elevado do que o descanso intracelular Ca²⁺ concentração, o que é causado pela libertação de Ca²⁺ retículo sarcoplasmático as células musculares. Imediatamente após a contração muscular, o Ca²⁺ intracelular é rapidamente retornado à sua concentração normal por uma enzima carreadora na membrana plasmática e uma bomba de cálcio no retículo sarcoplasmático , fazendo com que o músculo relaxe.

De acordo com a hipótese de Blaustein, esta enzima transportadora (trocador Na⁺ / Ca²⁺, NCX) usa o gradiente de Na gerado pela bomba Na⁺-K⁺ para remover Ca²⁺ do espaço intracelular, diminuindo, portanto, o Na⁺-K A bomba ⁺ resulta em um nível de Ca²⁺ permanentemente elevado no músculo , que pode ser o mecanismo do efeito inotrópico de longo prazo dos glicosídeos cardíacos, como a digoxina. O problema com essa hipótese é que em concentrações farmacológicas de digitálicos, menos de 5% das moléculas de Na / K-ATPase - especificamente a isoforma α2 no coração e no músculo liso arterial ( K d = 32 nM) - são inibidas, não o suficiente para afetam a concentração intracelular de Na +. No entanto, além da população de Na / K-ATPase na membrana plasmática - responsável pelo transporte de íons -, existe outra população nas cavernas que atua como receptor de digitálicos e estimula o receptor de EGF .

Regulação Farmacológica

Em certas condições, como no caso de doença cardíaca, pode ser necessário inibir a Na + / K + -ATPase por meios farmacológicos. Um inibidor comumente usado no tratamento de doenças cardíacas seria a digoxina que se liga essencialmente "à parte extracelular da enzima, ou seja, que se liga ao potássio, quando está em um estado fosforilado, para transferir potássio para dentro da célula" Depois que essa ligação essencial ocorre, ocorre uma desfosforilação da subunidade alfa, o que reduz o efeito da doença cardíaca. É através da inibição da Na + / K + - ATPase que os níveis de sódio começam a aumentar dentro da célula, o que acaba aumentando a concentração de cálcio intracelular por meio do trocador sódio-cálcio. Essa presença aumentada de cálcio é o que permite o aumento da força de contração. No caso de pacientes em que o coração não está bombeando com força suficiente para fornecer o que é necessário para o corpo, essa abordagem permite a superação temporária disso.

Descoberta

Na⁺ / K⁺-ATPase foi descoberta por Jens Christian Skou em 1957 enquanto trabalhava como professor assistente no Departamento de Fisiologia da Universidade de Aarhus , Dinamarca . Ele publicou seu trabalho naquele ano.

Em 1997, ele recebeu metade do Prêmio Nobel de Química "pela primeira descoberta de uma enzima transportadora de íons, Na⁺, K⁺-ATPase."

Genes

Em insetos

Estudos de mutagênese conduzidos por Susanne Dobler identificaram os grampos de cabelo M3-M4 conservados e os grampos de cabelo M5-M6 conservados. Na posição 312, os insetos que se alimentam de espécies de Apocynum diferiam da Na + / K +-ATPase de mamíferos por meio da mudança do ácido glutâmico para ácido aspártico. Assim, os insetos foram encontrados para ter um maior grau de conservação no C-terminal da bolsa de ligação de ouabaína . Dobler et al. encontraram 87% de identidade de aminoácidos entre as sequências de insetos, o que mostra um alto nível de convergência molecular entre quatro ordens de insetos herbívoros. Assim, algumas substituições fornecem resistência aos cardenólidos como uma adaptação mesmo entre ramos filogenéticos.

Imagens adicionais

Veja também

Referências

links externos