Натриево-калиева помпа

В това видео искам да обясня калиево-натриевата помпа. Както подсказва името, тя изпомпва натрий и калиий, но в различни посоки. Това е схема на помпата, това е моя рисунка, моят вариант на калиево-натриевата помпа. Тя представлява трансмембранен белтъчен комплекс. В неактивно състояние тя е отворена към вътрешността на клетката и има афинитет към натриеви йони. Тук виждаш три натриеви йона, изобразени в синьо. Те ще се свържат с помпата. Щом го направят, помпата ще иска да бъде фосфорилирана от АТФ. Виждаме го ето тук – това е АТФ, аденозинтрифосфат. Когато помпата се фосфорилира, се освобождава енергия, което позволява промяна в конформацията (структурата) на белтъка, изграждащ помпата. Новата конформация на белтъка ще е отворена отгоре, към външната страна и затворена към вътрешността на клетката. Тя вече няма да има афинитет към натриевите йони, а към калиеви йони. Това е много интересно. Освобождаването на енергия, промяната в конформацията, това, че тези протеини са молекулярни машини, забележителни молекулярни машини. Щом това се случи, щом конформацията на белтъка се промени, натриевите йони ще бъдат отделени извън клетката. Тогава ще имаме калиеви йони, които ще се свържат с външната страна на помпата. Когато това се случи, отново ще настъпи конформационна промяна. Помпата ще бъде дефосфорилирана и ще се върне към първоначалната си конформация – тази първоначална конформация. Когато помпата спре да има афинитет към калиевите йони, те ще бъдат освободени и ще се върнем към първоначалната фаза. Това е забележително! За осъществяването на този транспорт се използва АТФ, използва се енергия, следователно това е активен транспорт. Нужна е енергия, за да се осъществи. Ще го напиша. Това, за което говорим, представлява активен транспорт. Изпомпваме йони, използвайки АТФ. Можем да изпомпим три натриеви йона навън, три натриеви йона навън, ще го запиша. Три натриеви йона навън. В този процес изпомпваме и два калиеви йона навътре. Изпомпваме два калиеви йона във вътрешността на клетката. Сега може да си кажеш, "Добре, и натриевите, и калиевите йони имат положителен заряд, но изпомпваме три натриеви йона навън и два калиеви навътре. Това трябва да прави външната страна по-положителна от вътрешността на клетката ." Всъщност това е така. Но не само калиево-натриевата помпа е отговорна за този факт. Тя играе само частична роля за електричната потенциална разлика между вътрешната и външната страна на мембраната. Това, което е много важно за потенциала, са белтъчните канали, които позволяват на калиевите йони да се движат по посока на концентрационния им градиент. Да помислим какво се случва. Преди да разгледаме тези белтъчни канали, да видим какъв е концентрационният градиент на натрия вследствие на работата на калиево-натриева помпа? Концентрацията на натрий отвън е по-висока, а концентрацията му в клетката е по-ниска. Това е концентрационният градиент на натрия. Какъв е концентрационният градиент на калия? Калият се изпомпва от вън към вътрешността на клетката. Така че калият има обратен концентрационен градиент. Той има висока концентрация вътре и ниска концентрация извън клетката. Ако оставим калият да преминава през мембраната, говорили сме за това в други видеа, йоните не могат просто да преминават през мембраната, ако транспортът им не е облекчен по някакъв начин. Мембраната не е пропусклива за неща като йоните, като натриевите и калиевите йони. Но ако тук имаме белтъчни канали, които пускат калия да излезе, какво ще се случи? Може да дадеш един от два отговора. 1. Може да си кажеш – нещата се транспортират чрез дифузия по посока на концентрационния им градиент, тъй като имаме повече калиеви йони тук долу, има по-голяма вероятност те да се придвижат от тази към тази страна, отколкото от тази към тази. Ще имаме нетно изтичане на калий от клетката. 2. Но може и да кажеш, че първият отговор е валиден, ако се интересуваме само от концентрационния градиент. Но какво ще се случи, ако погледнем и заряда? Казваме, че вътрешността на клетката ще е по-малко положителна, а от външната страна на мембраната средата ще е по-положителна, защото има по-голям общ йонен заряд, външността ще е по-положителна. Еднаквите заряди искат да се отдалечат едни от други. Положителните йони искат да се преместят на по-отрицателни места. Тези калиеви йони са положително заредени, защо тогава биха искали да отидат от по-малко положително на по-положително място? Ако предположиш едното от тези две неща, обяснението с концентрационния градиент или с разликата в електричния потенциал, изборът ти е правилен и в двата случая. Тези две сили се балансират. Концентрационният градиент ще позволи на някои от калиевите йони да напуснат клетката, но концентрацията на калия няма да се изравни от двете страни на мембраната заради разликата в електричния потенциал. Външността е по-положителна, вътрешността е по-малко положителна. Когато калиевите йони напускат клетката, те се движат в противоположна посока на тази, която иска зарядът им. Те се движат по посока на концентрационния градиент, но в даден момент това ще се балансира. Изпомпвайки натриеви йони навън в по-голямо съотношение в сравнение с това на калиевите йони, които се изпомпват в клетката, се освобождава още положителен заряд извън клетката. Установява се т.нар. мембранен потенциал на покой. Той е изключително важен за всички клетки, но най-вече за нервните клетки или невроните. Те използват 2/3 от енергията си, за да установят и да запазят мембранния потенциал на покой. Както ще видим във видеата за невроните, това е така, защото те постоянно използват този потенциал, за да предават сигнали по продължението на неврона. Но мембранният потенциал на покой е по-малко положителен тук и по-положителен тук. Ако измериш това в сравнение с това, тази разлика (в зависимост от измерването) ще е около –70 mV (миливолта). Виждал съм и измервания, които дават –60 или –80 mV. –70 mV. Този потенциал е ключов за невроните и за всички останали клетки. Но функцията на калиево-натриевата помпа не е единствено достигане на мембранния потенциал на покой. По-високата концентрация на натрий извън клетката може да се използва и в различни форми на активен транспорт. Когато натриевите йони се движат по посока на концентрационния си градиент, е възможно да котранспортират неща като молекули глюкоза. Всъщност тези биологични системи са много по-сложни, отколкото често ги представяме в нашите видеа. Но искам да оцениш това и да знаеш колко е важна калиево-натриевата помпа. Тя е позната още от 50-те години на 20-ти век, но едва през 1997 г. е отредена Нобелова награда за откриването ѝ и за изучаването на механизмите, по които работи.