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.
Mekanisme
Natrium-kalium-pumpen pumper tre natriumioner (Na+) ut av cellen og to kaliumioner (K+). Til dette bruker den energien i ett ATP-molekyl. Dette 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 natriumioner og høy konsentrasjon av kaliumioner, samt et mindre positivt miljø enn utsiden. Den elektriske gradienten bidrar også til osmotisk regulering av cellens innhold (cytosol). Den kjemiske natriumgradienten 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) til å drive transport av ioner over cellemembranen, mot konsentrasjonsgradienten.
Formendring
Hver gang pumpen binder tre natriumioner eller to kaliumioner, vil den endre form (konformasjon). Formendringen bruker energien fra 1 ATP. Energien overføres gjennom fosforylering.
Formendringene skjer i flere steg:
- Tre natriumioner fra innsiden av cellen binder til bindingssetene i natrium-kalium-pumpen.
- ATP spalter av en fosfatgruppe som også binder til natrium-kalium-pumpen. Energien som oppstår fra ATP-hydrolysen er nok til å endre formen av pumpen, slik at åpningen mot innsiden av cellen lukkes og utsiden av cellen åpnes.
- Den nye formen kan ikke binde 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 form.
- 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.
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 (membranpotensialet), transport, kontroll av cellevolum, signaloverføring og kontroll av nerveaktivitet. Dette er livsviktige funksjoner.
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 én 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 bli ødelagt (lysert) som et resultat av osmose. Dermed er det viktig at natrium-kalium-pumpen bevarer riktig ionekonsentrasjon.
Signaltransduksjon
Natrium-kalium-pumpen fungerer også som viktig i signaloverføring. 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.
Historie
Natrium-kalium-pumpen ble oppdaget i 1957 av den danske forskeren Jens Christian Skou, som mottok Nobelprisen for sitt arbeid i 1997.
