Bomba de potássio e sódio: estrutura, função, mecanismo, importância

Bomba de potássio e sódio: estrutura, função, mecanismo, importância

A bomba de sódio e potássio é uma estrutura proteica incluída em um conjunto mais amplo de moléculas presentes em muitas membranas celulares e responsável pelo transporte ativo de íons ou outras moléculas pequenas contra seus gradientes de concentração. Eles usam a energia liberada pela hidrólise do ATP e, portanto, são genericamente chamados ATPases.

A bomba de sódio e potássio é uma ATPase de Na + / K + porque libera a energia contida na molécula de ATP para mover o sódio de dentro para fora da célula, introduzindo potássio ao mesmo tempo.

Dentro da célula, o sódio é menos concentrado (12 mEq / L) do que fora (142 mEq / L), enquanto o potássio é mais concentrado no exterior (4 mEq / L) do que no interior (140 mEq / L).

As bombas ATPasas são classificadas em três grupos principais:

  • Bombas de íons do tipo F e V : são estruturas bastante complexas, podem ser compostas por 3 tipos diferentes de subunidades transmembranares e até 5 polipeptídeos associados no citosol. Eles funcionam como transportadores de prótons.
  • ABC superfamília (de Inglês Um TP- B inding C assette = cassete de ligação de ATP): fez-se de mais do que 100 proteas que podem funcionar como transportadores de iões, monossacidos, polissacidos, poliptidos e até mesmo de outras proteínas.
  • Bombas de íons de classe P : compostas de pelo menos uma subunidade catalítica alfa transmembranar que possui um local de ligação para ATP e uma subunidade β menor. Durante o processo de transporte, a subunidade α é fosforilada e, portanto, seu nome “P”.

A bomba de potássio e sódio (Na + / K + ATPase) pertence ao grupo de bombas de íons classe P e foi descoberta em 1957 por Jens Skou, pesquisador dinamarquês, ao estudar o mecanismo de ação dos anestésicos nos nervos de um caranguejo. ( Carcinus maenas ); trabalho pelo qual recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1997.

Estrutura da bomba de sódio e potássio

A bomba de sódio e potássio é uma enzima que, do ponto de vista de sua estrutura quaternária, é composta de 2 subunidades proteicas do tipo alfa (α) e duas do tipo beta (β).

É, portanto, um tetrâmero do tipo α2β2, cujas subunidades são proteínas integrais da membrana, ou seja, cruzam a bicamada lipídica e possuem domínios citosólicos intra e extra.

Subunidades alfa

As subunidades α são aquelas que contêm os locais de ligação para o ATP e para os íons Na + e K + e representam o componente catalítico da enzima e aquele que executa a própria função da bomba.

As subunidades α são polipeptídeos grandes, com um peso molecular de 120 kDa, 10 segmentos transmembranares e com suas extremidades N e C-terminais localizadas no lado citosólico.

Eles têm locais de ligação para ATP e Na + no lado intracelular, bem como um resíduo de aspartato na posição 376 que representa o local que passa pelo processo de fosforilação durante a ativação da bomba.

O local de ligação para K + parece estar no lado extracelular.

Subunidades beta

As subunidades β não parecem ter uma participação direta na função de bombeamento, mas na sua ausência a referida função não ocorre.

As subunidades p têm um peso molecular de cerca de 55 kDa cada e são glicoproteínas com um único domínio transmembranar cujos resíduos glicídicos são inseridos na região extracelular.

Eles parecem ser necessários no retículo endoplasmático, onde contribuiriam para o dobramento adequado das subunidades α e, depois, no nível da membrana, para estabilizar o complexo.

Ambos os tipos de subunidades são heterogêneos e as isoformas α1, α2 e α3 foram descritas até agora para uma, e β1, β2 e β3 para a outra. Α1 é encontrado nas membranas da maioria das células, enquanto α2 está presente no músculo, coração, tecido adiposo e cérebro e α3 no coração e cérebro.

A isoforma β1 é a mais difusa na distribuição, embora esteja ausente em alguns tecidos, como células vestibulares do ouvido interno e células musculares glicolíticas de resposta rápida. Este último contém apenas β2.

As diferentes estruturas das subunidades que compõem a bomba de Na + / K + nos diferentes tecidos podem ser devidas a especializações funcionais ainda não elucidadas.

Função da bomba de potássio

Por qualquer momento considerado, a membrana plasmática constitui um limite de separação entre o compartimento correspondente ao interior de uma célula e o que representa o líquido extracelular no qual está imerso.

Ambos os compartimentos têm uma composição que pode ser qualitativamente diferente, pois no interior das células existem substâncias que não são encontradas fora deles e o fluido extracelular contém substâncias que não estão presentes intracelularmente.

As substâncias presentes nos dois compartimentos podem ser encontradas em diferentes concentrações, e essas diferenças podem ter um significado fisiológico. É o caso de muitos íons.

Manutenção da homeostase

A bomba Na + / K + desempenha um papel fundamental na manutenção da homeostase intracelular, controlando as concentrações de íons sódio e potássio. Esta manutenção da homeostase é alcançada graças a:

  • Transporte de íons: introduz íons de sódio e expele íons de potássio, um processo através do qual também dirige o movimento de outras moléculas através de outros transportadores que dependem da carga elétrica ou da concentração interna desses íons.
  • Controle do volume celular : a introdução ou saída de íons também envolve movimentos de água dentro da célula, de modo que a bomba participa do controle do volume celular.
  • Geração do potencial da membrana : a expulsão de 3 íons de sódio para cada 2 íons de potássio introduzidos faz com que a membrana permaneça carregada negativamente no lado interno, o que gera uma diferença nas cargas entre o interior e o exterior da célula. Essa diferença é conhecida como potencial de repouso.

Na + tem uma concentração extracelular de cerca de 142 mEq / L, enquanto sua concentração intracelular é de apenas 12 mEq / L; O K +, por outro lado, está mais concentrado dentro da célula (140 mEq / L) do que fora dela (4 mEq / L).

Embora a carga elétrica desses íons não permita sua passagem pela membrana, existem canais de íons que permitem (seletivamente), que promovem o movimento se as forças que normalmente movem esses íons também estiverem presentes.

No entanto, essas diferenças de concentração são muito importantes na preservação da homeostase do organismo e devem ser mantidas em um tipo de equilíbrio que, se perdido, levaria a importantes mudanças orgânicas.

  • A diferença de concentração de Na + entre o interior e o exterior da célula cria um gradiente químico que empurra o sódio para dentro e constantemente faz com que esse íon entre e tende a dissipar essa diferença, ou seja, para equalizar as concentrações nos dois lados.
  • O gradiente de potássio é mantido na direção oposta, ou seja, de dentro para fora, permitindo a saída constante do íon e sua redução interna e aumento externo.

A função da bomba Na + / K + permite a extração de sódio que entra por difusão através de canais ou por outras rotas de transporte e a reintrodução de potássio que se difunde para o exterior, permitindo a conservação das concentrações intra e extracelulares destes íons.

Mecanismo (processo)

O mecanismo de ação da ATPase Na + / K + consiste em um ciclo catalítico que envolve reações de transferência de um grupo fosforil (Pi) e alterações conformacionais da enzima que passa de um estado E1 para um estado E2 e vice-versa.

A operação requer a presença de ATP e Na + no interior da célula e K + no fluido extracelular.

Ligação de íons sódio ao transportador

O ciclo começa no estado de conformação E1 da enzima, no qual existem 3 locais citosólicos de ligação de Na + de alta afinidade (0,6 mM km) que estão totalmente ocupados devido à concentração intra-íon ( 12 mM) permite.

Hidrólise de ATP

Neste estado (E1) e com o Na + ligado aos seus locais de ligação, o ATP se liga ao seu local no setor citosólico da molécula, hidrolisa e transfere um grupo fosfato para o aspartato 376, formando um acilfosfato de alta energia que induz uma alteração conformacional no estado E2.

Expulsão de 3 íons de sódio e introdução de 2 íons de potássio

A mudança conformacional no estado E2 implica que os locais de ligação ao Na + passam para o exterior, sua afinidade pelo íon diminui bastante e é liberada no fluido extracelular, enquanto, ao mesmo tempo, aumenta a afinidade dos locais de ligação ao K + e esses íons se ligam externamente à bomba.

Reversão de E2 para E1

Quando o Na + é liberado e o K + é ligado, ocorre a hidrólise do fosfato de aspartil e a mudança conformacional do estado E2 para o estado E1 é revertida, com a reintrodução dos locais vazios de Na + e de ligação do K + ocupados.

Quando essa alteração ocorre, os sites do Na + recuperam sua afinidade e os do K + a perdem, pelo que o K + é liberado dentro da célula.

Importância

Na manutenção da osmolaridade celular

A bomba Na + / K + está presente na maioria das células de mamíferos, se não em todas, nas quais é de importância geral ajudar a manter sua osmolaridade e, consequentemente, seu volume.

A entrada contínua de íons sódio na célula está condicionando um aumento no número intracelular de partículas osmoticamente ativas, o que induz a entrada de água e o aumento no volume que acabaria causando a ruptura da membrana e colapso celular.

Na formação do potencial da membrana

Como essas bombas introduzem apenas 2 K + a cada 3 Na + que removem, elas se comportam eletrogenicamente, o que significa que “descompensam” as cargas elétricas internas, favorecendo a produção do potencial característico de membrana das células do corpo.

Sua importância também é evidente em relação às células que compõem os tecidos excitáveis, nas quais os potenciais de ação são caracterizados pela entrada do íon Na +, que despolariza a célula, e a produção de K +, que a repolariza.

Esses movimentos iônicos são possíveis graças à operação de bombas de Na + / K +, que contribuem para a produção de gradientes químicos que movimentam os íons envolvidos.

Sem essas bombas, que operam na direção oposta, os gradientes de concentração desses íons se dissipariam e a atividade excitatória desapareceria.

Na função renal

Outro aspecto que destaca a extrema importância das bombas de sódio-potássio está relacionado à função renal, que sem elas seria impossível.

A função renal envolve a filtragem diária de cerca de 180 litros de plasma e grandes quantidades de substâncias, algumas das quais devem ser excretadas, mas muitas precisam ser reabsorvidas para que não se percam na urina.

A reabsorção de sódio, água e muitas das substâncias filtradas depende dessas bombas, localizadas na membrana basolateral das células que compõem o epitélio dos diferentes segmentos tubulares dos néfrons renais.

As células epiteliais que revestem os túbulos renais têm uma face que está em contato com o lúmen do túbulo e é chamada de face apical, e outra que está em contato com o interstício ao redor do túbulo e chamada basolateral.

A água e as substâncias reabsorvidas devem primeiro passar para a célula através da célula apical e depois pela basolateral ao interstício.

A reabsorção do Na + é essencial tanto em relação a ele como em relação à água e a outras substâncias que dela dependem. A entrada apical de Na + na célula requer que haja um gradiente que a mova e que implique uma concentração muito baixa do íon dentro da célula.

Essa baixa concentração intracelular de Na + é produzida pelas bombas de sódio da membrana basolateral que trabalham intensamente para remover o íon das células para o interstício.

Referências

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  3. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J: Transporte através das Membranas de Células, In: Molecular and Cell Biology, 4th ed.
  4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Princípios de Lehninger da bioquímica. Macmillan.
  5. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2013). Biologia celular essencial. Garland Science.

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