Natrium-kalium-pumpen er et protein i cellemembranen hos alle dyre- og planteceller. Natrium-kalium-pumpen er et transportprotein, og er viktig for at cellene skal opprettholde balansen mellom miljøet inni og utenfor cellen.
Natrium-kalium-pumpen pumper tre natriumioner (Na+) ut av cellen og to kaliumioner (K+) inn i cellen ved hjelp av ATP hydrolyse, noe som skaper både en elektrisk og kjemisk gradient på tvers av cellemembranen. Hovedfunksjonen til den elektriske gradienten er å ivareta hvilepotensialet, slik at innsiden av cellene har lav konsentrasjon av Na+-ioner og høy konsentrasjon av K+-ioner, samt et mindre positivt miljø enn utsiden. Den elektriske gradienten bidrar også til osmotisk regulering av cellens innhold (cytosol). Den kjemiske Na+-gradienten er et viktig bidrag til en rekke transportoppgaver, som blant annet å føre glukose og aminosyrer inn i cellen.
Natrium-kalium-pumpen driver primært med aktiv transport, som vil si at den fungerer gjennom å forbruke energi (ATP hydrolyse) til å drive transport av ioner over cellemembranen, mot konsentrasjonsgradienten.
Natrium-kalium-pumpen kan betraktes som en slags molekylær maskin: hver gang den binder tre Na+ eller to K+ vil den endre konformasjon ved hjelp av fosforylering eller defosforylering, alt til kostnaden av 1 ATP per runde.
Natrium-kalium-pumpen ble oppdaget i 1957 av den danske forskeren Jens Christian Skou, som mottok Nobelprisen for sitt arbeid i 1997.
Funksjoner
Natrium-kalium-pumpen har en sentral rolle i et vidt spekter av viktige biologiske funksjoner. Noen av natrium-kalium-pumpens viktigste funksjoner er bevaring av hvilepotensialet (cellemembranpotensialet), transport, kontroll av cellevolum, signaltransduksjon og kontroll av nerveaktivitet. Dette er livsviktige funksjoner, og mutasjoner kan være fatale. Mutasjoner i gener som koder for deler av α- og β-subenheten er koblet mot nevrologiske sykdommer som henholdsvis Parkinsons sykdom og glioma.
Hvilepotensiale
Hvilepotensialet inne i cellene bevares ved at natrium-kalium-pumpen transporterer tre Na+-ioner ut av cellen og to K+-ioner inn i cellen, som totalt gjør at en positiv ladning flyttes ut av cellen. Transport av Na+ ut av cellen danner en Na+-gradient som brukes til å transportere næringsstoffer som aminosyrer og glukose inn i cellen.
Cellevolum
Videre har natrium-kalium-pumpen en viktig rolle i å kontrollere cellens volum. Cellens osmolaritet reguleres blant annet av ionekonsentrasjonen, og hvis denne går ut av balanse kan cellen svelle opp og lysere som et resultat av osmose. Dermed er det viktig at natrium-kalium-pumpen bevarer riktig ionekonsentrasjon.
Signaltransduksjon
Natrium-kalium-pumpen fungerer også som en signaltransduser. Ved binding til giftstoffet ouabain forandres interaksjonen mellom natrium-kalium-pumpen og nærliggende membranproteiner. Dette fører til dannelse av en rekke signalmolekyler. Signalmolekylene aktiverer flere kaskadereaksjoner, som protein kinase c isozym-kaskaden.
Mekanisme
Natrium-kalium-pumpen endrer konformasjon ved hjelp av ATP, for å kunne frakte både Na+ og K+ over cellemembranen. Dette skjer i flere steg:
1) Tre Na+-ioner fra innsiden av cellen binder til bindingssetene i natrium-kalium-pumpen.
2) ATP spalter av en fosfatgruppe som også binder til natrium-kalium-pumpen. Energien som oppstår fra ATP-hydrolysen er nok til å endre konformasjonen av pumpen, slik at åpningen mot innsiden av cellen lukkes og utsiden av cellen åpnes.
3) Den nye konformasjonen har ikke affinitet for Na+ etter fosforylering fra ATP, og dette fører til at Na+-ionene slippes ut på utsiden av cellen. Samtidig binder to K+-ioner fra utsiden. Natrium-kalium-pumpen defosforyleres, og endrer igjen konformasjon.
4) Pumpen er nå lukket mot utsiden av cellen, og åpen mot innsiden. K+-ionene slippes inn i cellen, og prosessen gjentas. Forskjellen i ladning og konsentrasjon skaper en elektrokjemisk gradient som blir brukt til ulike prosesser i cellene.
Struktur
Natrium-kalium-pumpen har mange funksjoner, og imøtekommer de forskjellige cellebehovene ved å ha ulike strukturelle isoformer.
Pumpen er bygget opp av to subenheter, subenhet α og subenhet β. I tillegg interagerer αβ-komplekset med FXYD-proteiner, ofte kalt subenhet γ. Pattedyr kan uttrykke opp til fire α-isoformer, tre β-isoformer og syv γ-isoformer.
α-subenheten er den største av subenhetene, og består av tre domener med ulike funksjoner: A-domenet (aktivering), N-domenet (nukleotid-binding) og P-domenet (fosforylering).
I tillegg har natrium-kalium-pumpen to ulike konformasjoner, E1 og E2, som har affinitet for henholdsvis Na+ og K+.
Natrium-kalium-pumpen hører til P-type ATPaser.
