Цикл натрий-калиевого насоса

Натрий-калиевый насос транспортирует натрий из, и калий в клетку в повторяющемся цикле конформационных [8] изменений (формы). В каждом цикле, три иона натрия покидают клетку, в то время как два иона калия проникают в неё. Этот процесс выполняется пошагово:

1. Сначала насос-переносчик открыт для внутренней стороны клетки. В этом расположении насос-переносчик легко соединяется с Na⁺ ионами (имеет высокое влечение/стремление к ним) и возьмёт три из них.

2. Когда Na⁺ ионы связываются, они запускают насос-переносчик для гидролиза (разложения) АТФ. Одна фосфатная группа из АТФ прикрепляется к насосу-переносчику, который затем называется фосфорилированным. АДФ выпускается как побочный продукт.

3. Фосфорилирование приводит к изменению положения насоса-переносчика, его переориентации, от чего он открывается в сторону внеклеточного пространства. В этой конформации, насос-переносчик больше не связывается со всей готовностью с Na⁺ ионами (имеет низкое влечение/стремление к ним), поэтому три Na⁺ иона высвобождаются наружу клетки/покидают клетку.

4. В этом направленном наружу расположении, насос-переносчик меняет влечение и теперь легко связывается с (имеет высокое влечение к) K⁺ ионам. Он свяжет два из них, и это вызовет удаление фосфатной группы, прикрепленной к насосу, на этапе 2.

5. С исчезновением фосфатной группы, насос-переносчик снова вернется к исходному положению, направив себя внутрь клетки.

6. В своем обращенном внутрь положении, насос-переносчик больше не связывается так легко с K⁺ ионами, поэтому два K⁺ иона будут высвобождаться/проникать в цитоплазму. Затем насос возвращается в то расположение, в котором он находился на этапе 1, и цикл может начаться снова.

Этот цикл может показаться сложным и запутанным, но на самом деле он просто включает в себя вращение белка-переносчика вперед и назад между двумя пространственными расположениями: обращенное внутрь расположение с высоким влечением к натрию (и с низким влечением к калию) и обращенное наружу расположение с высоким влечением к калию (и низким влечением к натрию). Белок может переключаться между этими положениями, путем добавления или удаления фосфатной группы, которая, в свою очередь, контролируется связыванием ионов, подлежащих транспортировке.

Содержимое этого пояснительного текста является модифицированным дериватом статьи «Активный транспорт» от OpenStax College, Biology (CC BY 3.0).

Поскольку 3Na⁺ экспортируется на каждые 2K⁺ внесенные в клетку, насос вносит небольшой вклад в МПП (что делает его немного более отрицательным, чем в противном случае). Однако, несмотря на большой вклад насоса в мембранный потенциал, этот вклад является косвенным: он поддерживает устойчивыми Na⁺ и K⁺ градиенты, которые порождают мембранный потенциал, пока Na⁺ и K⁺ движутся по своим градиентам концентрации через каналы утечки.

Как натрий-калиевый насос влияет на водный баланс?

Na⁺-K⁺- насос также играет решающую роль в поддержании осморегуляции [9] клетки. Без насоса внутриклеточная осмолярность превышала бы внеклеточную осмолярность при электрохимическом равновесии: вода приливала бы в клетку, и клетка бы лопнула!

С точки зрения насоса, МПП и весь нейронный сигнальный аппарат можно рассматривать как побочный эффект попытки клетки избежать цитолиза! [10]

[1] Потенциал - это возможность, он сродни понятию "потенция".

[2] Потенциал покоя - это разность электрических потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Его средняя величина составляет -70 мВ (милливольт).

[3] Понимание того, как работает нервная система, начинается с того, что надо разобраться, как работает отдельная нервная клетка - нейрон.
А в основе работы нейрона с нервными импульсами лежит перераспределение электрических зарядов на его мембране и изменение величины электрических потенциалов. Но чтобы потенциал изменять, его нужно для начала иметь. Поэтому можно сказать, что нейрон, готовясь к cвоей нервной работе, создаёт на своей мембране электрический потенциал, как возможность для такой работы.
Таким образом, наш самый первый шаг к изучению работы нервной системы - это понять, каким образом перемещаются электрические заряды на нервных клетках к как за счёт этого на мембране появляется электрический потенциала. Этим мы и займёмся, и назовём этот процесс появления электрического потенциала у нейронов - формирование потенциала покоя. Электрический потенциал мембраны - это её возможности по перемещению электрических зарядов, положительных или отрицательных. В роли зарядов выступают заряженные химические частицы - ионы натрия и калия, а также кальция и хлора. Из них только ионы хлора заряжены отрицательно (-), а остальные - положительно (+).
Таким образом, имея электрический потенциал, мембрана может перемещать в клетку или из клетки указанные выше заряженные ионы.
Важно понимать, что в нервной системе электрические заряды создаются не электронами, как в металлических проводах, а ионами - химическими частицами, имеющими электрический заряд. Электрический ток в организме и его клетках - это поток ионов, а не электронов, как в проводах. Обратите также внимание на то, что заряд мембраны измеряется изнутри клетки, а не снаружи.

[4] В этом контексте, проницаемость относится к способности конкретной молекулы пересекать клеточную мембрану клетки, путем диффузии (рассеивания) [Проникновение одного вещества в другое при их соприкосновении].

· Если молекула может пересекать мембрану, мембрана считается проницаемой для этой молекулы.

· Если молекула не может пересечь мембрану, мембрана не является проницаемой (непроницаемая) для этой молекулы.

Проницаемость так же ещё делится по степеням. То есть, мембрана может быть более проницаемой для одного типа молекулы, чем для другой (даже если она «проницаема» для обоих). Если мембрана более проницаема для молекулы, ей легче диффундировать [проникать (проникнуть), смешиваться (смешаться) путём диффузии] сквозь мембрану. Если мембрана менее проницаема для молекулы, то для этой молекулы будет сложнее диффундировать сквозь мембрану.

[5] Концепция - конструктивный принцип, замысел.

[6] Если говорить конкретнее, то получается, что снаружи вокруг клетки будут преобладать положительные ионы (катионы Na⁺ и K⁺), а внутри — отрицательные ионы (анионы органических кислот, не способные свободно перемещаться через мембрану, как Na⁺ и K⁺).

[7] Чистое движение - это общее направление движения вещества. Чистое движение измеряется силой пропускной способности на одной стороне от силы, с другой. Молекулы имеют тенденцию двигаться все время во всех направлениях, и это применимо к молекулам воды, которые перемещаются во время осмоса, и к любым типам молекул, которые перемещаются во время диффузии. В обоих случаях есть движущая сила, которая заставляет молекулы перемещаться в конкретное направление. Это не означает, что все молекулы будут двигаться таким образом, поскольку некоторые еще движутся в противоположном направлении. Число молекул, движущихся в направлении движущей силы, минус число молекул, движущихся в других направлениях, - это чистое движение молекул.

[8] conformatio — форма, построение, расположение. Деформируются, изменяя свою пространственную конфигурацию, расположение.

[9] Осмос - одностороннее движение растворителя (воды) через полупроницаемую мембрану, отделющих два раствора с различной концентрацией растворенных веществ (осмотически активные вещества), в сторону раствора с высокой концентрацией.

[10] Цитолиз — процесс разрушения клеток эукариот, выражающийся в виде их полного или частичного растворения под действием лизосомальных ферментов. Цитолиз может быть как частью нормальных физиологических процессов, например при эмбриогенезе, так и патологическим состоянием, возникающим при повреждении клетки внешними факторами, например, при воздействии на клетку антител.