משאבות יוניות - נתרן אשלגן ועוד

מנצלות אנרגיה של ATP כדי להניע מעבר יוני נגד מפל הריכוזים ובונות מפל ריכוזים על ממברנות שונות. 25% מרווח האנרגיה המתקבל מATP  הולכים לבניית מפל ריכוזים במשאבות יוניות. המשאבות היוניות מדורגות לפי 3 סוגים עיקריים: class P: שמן נובע מתכונה עיקרית של המשאבות- במהלך פעילותן עוברות מודיפיקציה קוולנטית ע"י פוספט שמגיע מATP המפורק באתר הפעיל של המשאבה. זהו שלב הכרחי, חיוני. מתעסקות בהעברת יונים חד ודו ערכיים H+, Na+ ,K+, Ca+2. נמצאות גם בממברנה ציטופלסמטית של כל התאים האאוקריוטים, גם בממברנה פלסמטית של צמחים, חיידקים ופטריות. עובדות כמשאבות ובונות מפל יונים על חשבון פירוק ATP.  Class F: שמן נובע מפקטור הצימוד (F). מעבירות אך ורק יוני מימן ותפקידן סינתזת ATP במיטוכונדריה על חשבון מפל פרוטונים על הממברנה. זוהי משאבה הפיכה ויכולה לבנות מפל ריכוזים על חשבון ATP. נמצאות בממברנה של כלורופלסטים (ATP על חשבון אור- פוטוסינתזה), תילאקואידים ובממברנה פלסמטית של חיידקים.

 Class V: משאבות שמצויות בואקואלות (איברים תוך תאיים שתפקידם לאכסן פסולת, או שנוצרים כתוצאה מאנדוציטוזה).מעבירות פרוטונים בלבד. דומות במבנה ל-F אך תפקידן לבנות מפל פרוטונים על הממברנה על חשבון ATP. המטרה לגרום לחומציות החלל הפנימי של ואקואלות, תפקידן לפרק חלבונים או פסולת וב-pH נמוך פירוק חלבונים או חומרי פסולת מתרחש מהר יותר.

משאבת נתרן-אשלגן: נמצאת בממברנה פלסמטית של רוב התאים האאוקריוטים. תפקידה להעביר 3 יוני נתרן החוצה ו-2 יוני אשלגן פנימה על חשבון פירוק  ATP.  במצב נורמלי ריכוז נתרן מחוץ לתא גבוה ובפנים נמוך (145mM לעומת 12mM) וריכוז יוני אשלגן בחוץ נמוך ובפנים גבוה (140mM לעומת 4mM). פעילות המשאבה גורמת למצב פיזיולוגי זה. טרנספורט זה הוא אלקטרוגני (אין שוויון במס' היונים היוצאים ונכנסים), נוצר פוטנציאל חשמלי על הממברנה של ~50-60mM עם מטען חיובי מחוץ לתא ושלילי בתוכו. פוטנציאל זה מאפשר הנעה של טרנספורט משני. בעזרת המשאבה מקבלים פוטנציאל אלקטרוכימי על הממברנה שמתפרש מיד (מהר) על כל פני שטח הממברנה וכך מספק אנרגיה לכל מקום שם נדרש מעבר חומרים דרך הממברנה. פוטנציאל חשמלי הוא המקור להעברת אותות במע' העצבים. פוטנציאל פעולה- סיגנל חשמלי שנוצר בקצה תא עצב, מתפזר לאורך התא וגורם להעברת אותות. מבנה המשאבה: 2 תת יחידות α ו2 תת יחידות β. בתת יחידות α האתר לקישור ATP פונה לתוך התא והאתר לקישור סטרואידים פונה החוצה. זוהי תעלה אסימטרית. מה שמאפיין מפל ריכוזים זה הכיוון. המשאבה היא אנזים! משאבה מקטלזת ריאקציה של העברת יונים דרך הממברנה, יש פירוק ATP- פעילות אנזימטית. הסובסטרט: יונים ו-ATP. התוצר: ADP+Pi ומפל ריכוזים. העברת יונים נגד מפל ריכוזים זוהי עבודה כימית, יש צורך להשקיע אנרגיה לביצוע עבודה ואנרגיה זו באה מפירוק ATP. מנגנון פעולה: לאנזים אתרי קשירה לנתרן ולאשלגן. בשלב ראשון 3 יוני נתרן נקשרים עם אפיניות גבוהה מהצד הפנימי של הציטופלסמה- מאפשר פירוק ATP. מתרחש זרחון (על אספרטט ונוצר קשר קוולנטי פוספוריל אספרטט) והצורה המזורחנת של האנזים מקבלת קונפורמציה שונה כך שתאי הקשירה של נתרן פונים החוצה. קונפורמציה זו מאופיינת באפיניות נמוכה לנתרן מה שגורם לדיסוציאציה של יוני הנתרן. לאחר מכן מתאפשרת פתיחה ואסוציאציה של יוני אשלגן מהצד השני. קישור יוני אשלגן מאפשר דפוספורילציה והחזרת האנזים לצורתו המקורית.

האנזים יכול להיות ב-2 צורות: 1E ו-2E. ההבדל ביניהן אוריינטציה ואפיניות ליוני נתרן ואשלגן. 2 הצורות יכולות להיות במצב מזורחן ולא מזורחן. זרחון 1E דורש קישור של יוני נתרן ו-ATP. הצורה E1-P אינה יציבה ומשנה קונפורמציה ל- E2-P. צורה זו מאופיינת ע"י אפיניות גבוהה לאשלגן ונמוכה לנתרן- נתרן עובר דיסוציאציה ואשלגן נקשר. קישור אשלגן הוא תנאי הכרחי לדפוספורילציה והפיכת האנזים למצב לא מזורחן 2E. 2E אינה יציבה והופכת באופן ספונטני ל- 1E.

דבר זה מחזיר את המשאבה לאפיניות גבוהה לנתרן ונמוכה לאשלגן כשאתרי הקשירה פונים פנימה. גורם לדיסוציאציה של אשלגן לתוך הציטופלסמה, קשירת נתרן וחוזר חלילה.

פוספורילציה/דפוספורילציה וקישור נתרן/אשלגן הם תהליכים מצומדים.

תפקידים עיקריים: היא שומרת על יציבות לחץ אוסמוטי בתא, משפיעה על ריכוזי כל היונים שבתא. שומרת על ריכוז גבוה של אשלגן בתוך התא, אשלגן הוא קופקטור של הרבה אנזימים בתא שלא יפעלו ללא אשלגן. שומרת על פוטנציאל הממברנה- בפנים מטען שלילי ביחס לחוץ. היא מחזירה למצב התחלתי תאים שעברו תהליך של פוטנציאל פעולה. גורמת ליצירת אנרגיה לטרנספורט. גורמת ליצירת חום.

2 חומרים מעכבים למשאבה אלו הם חומרים שנמצאים בתמצית הצמח דיגיטליס- אואבאין ודיגיטאוקסיגנין. מעכבים את שלב הדפוספורילציה, האנזים נשאר במצב E2-P ומפל ריכוזים נתרן-אשלגן מתחיל להתפזר  . מה שקובע בעיקר את פוטנציאל הממברנה זה אשלגן תעלות אשלגן יותר פעילות מנתרן. ניתן להוכיח זאת ע"י הצבה במשוואה במצב רגיל של T=310K, שוו"מ ופעילות משאבה נורמלית והשוואת התוצאה למצב שבו המשאבה מעוכבת (Cin קטן ו-Cout גדל). רואים שמתרחשת דפולריזציה, כלומר נתרן משפיע פחות על פוטנציאל הממברנה מאשר אשלגן. Ouabain: מעכב משאבת נתרן-אשלגן. הוא נקשר לאתר הקשירה של האשלגן (כלומר בחוץ), אם הוא קשור למשאבה היא פועלת פחות טוב. עיכוב המשאבה יכול לגרום לפעילות טובה יותר של הלב! כיצד? אם המשאבה מעוכבת אז פחות יוני נתרן יוצאים החוצה. יש אנטיפורטר של נתרן וקלציום- נתרן נכנס לפי מפל ריכוזים וקלציום יוצא מהתא כנגד המפל. אם המשאבה פחות פעילה אז האנטיפורטר עובד פחות ויש פחות יציאת סידן. ריכוז הסידן בתא גבוה מה שמאפשר התכווצות שרירים טובה יותר- כלומר הלב עובד טוב יותר.

משאבת סידן: נמצאת בממברנה של הרטיקולום האנדופלסמטי. הרטיקולום הוא מאגר ליוני סידן. משאבת הסידן אחראית להעברת סידן ל-ER (או סארקופלסמטי בשרירים). משאבת סידן מסוג P, כלומר כוח מניע זה פירוק ATP ובאמצע יש אנזים מזורחן. לאנזים 3 דומיינים: N- לקשירת ATP. A- להתמרת אנרגיה וP- עובר זרחון, Asp351 עוברת זרחון. זרחון ח' אמינו אחת בחלבון ענק גורם לשינוי קונפורמציוני.

מנגנון הפעולה: מאוד דומה לנתרן-אשלגן. ל- 1E נקשרים 2 יוני סידן. פירוק ATP וזרחון מותנים בקשירת סידן. זרחון מעביר מ-E1 ל-E2. בצורה זו אתר הקשירה פתוח לצד השני של הממברנה. יש שחרור סידן ודפוספורילציה. יש לנו 2E לא יציב שהופך בחזרה ל-1E. לצורה 2E יש אפיניות גבוהה לסידן מהצד הציטופלסמטי. קישור סידן מאפשר פירוק ATP וזרחון 1E. הזרחון מעביר לצורה 2E כשאתר הקשירה פונה לתוך ה-ER ומאופיין באפיניות נמוכה לסידן. שחרור סידן מאפשר דפוספורילציה. 2E חופשי אינו יציב והופך חזרה ל-1E וחוזר חלילה. פעילות משאבת נתרן-אשלגן חשובה מאוד לאספקת אנרגיה לטרנספורט אקטיבי משני. המשאבה בונה מפל ריכוזים ומפל חשמלי וניתן לנצל זאת כדי להניע מעבר גלוקוז מחוץ התא לתוך התא נגד מפל הריכוזים של גלוקוז (למשל). מפל ריכוזים של נתרן מניע מעבר גלוקוז נגד מפל הריכוזים.

בחיידקים: מתרחש טרנספורט של לקטוז על חשבון מפל פרוטונים. ATP-ADP translocase: נשא. דורש השקעת אנרגיה. מעבר ATP ל-ADP הוא אלקטרוגני (3- לעומת 2-). נוח לזרז את ההחלפה ע"י מפל חשמלי על הממברנה.