Natrium-Kalium-Pumpe
Für Transportprozesse durch biologische Membranen, die gegen einen Konzentrationsgradienten erfolgen, muss Energie bereitgestellt werden. Diese wird entweder durch ATP-Verbrauch, oder durch Abbau eines anderen Konzentrationsgradienten erreicht ("aktiver Transport").
Das Phänomen des ATP-getriebenen Transports ist für den Na+/K+ Transport durch die Plasmamembran am besten untersucht. Beide Kationen sind in tierischen Zellen ungleich verteilt:
- die Na+-Konzentration im Inneren ist gering
- die K+-Konzentration im Inneren ist hoch
Dieser lebenswichtige Konzentrationsgradient wird einerseits durch "Kalium-Sickerkanäle" bewirkt (siehe Blutzucker-Sensorsystem), andererseits durch die "elektrogene Natrium-Kalium-Pumpe" (auch "Na+/K+-ATPase" genannt). Diese besteht aus zwei Polypeptiden, d.h. einer α-und einer β-Untereinheit (die jeweils zweifach vorhanden sind).
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Mechanismus
ATP-Hydrolyse und Na+/K+-Transport sind strikt gekoppelt (elektrogenes Prinzip):
- Je Molekül ATP werden drei Na-Ionen nach außen und zwei K-Ionen nach innen befördert
- für den Pumpmechanismus sind Konformationsänderungen erforderlich, die durch Phosphorylierung eines Aspartat (Asp-) Restes der α-Untereinheit erzeugt werden
- bei diesem Vorgang werden zunächst drei Na-Ionen eingeschlossen;
- deren Abgabe nach innen erfolgt im Austausch gegen zwei K-Ionen, deren Bindung eine Phosphatase aktiviert, die den Asp-Rest wieder dephosphoryliert.
Natrium-Kalium-Pumpe
Abbildung: Wirkungsprinzip der Natrium-Kalium-Pumpe (Na+/K+-ATPase). Gezeigt ist eine Funktionseinheit, bestehend aus einer α- und einer β-Kette. Der Phosphorylierungs-Dephosphorylierungszyklus eines Aspartat-Restes, d.h. die trereibende Kraft des Pumpvorganges, ist schematisch ausgeführt; dieser Vorgang kann durch Vanadat blockiert und damit nachgewiesen werden. Der im oberen Abschnitt gezeigte Calcium-Transporter (Na+/Ca++-Antiporter) benutzt die Energie des ATP indirekt, indem er einen bestehenden Na+-Gradienten abbaut. Digitalis-Derivate blockieren die (Na+/K+-ATPase), lähmen damit die gesamte Wirkungskette und lassen den intrazellulären Ca++-Spiegel ansteigen.
Wirkung der Herzglykoside
Glykoside der Digitalis-Gruppe (Digoxin, Digitoxin und Digitoxigenin - letzteres ist streng genommen kein Glykosid) und der Gruppe der Hundsgiftgewächse (Strophantin bzw. Oubain) blockieren die K+-Konformation der ATPase noch im phosphorylierten Zustand. Damit hemmen sie den Ionentransport.
Indirekt steigt hierdruch die Konzentration an intrazellulärem Ca++ und damit die Kontraktion des Herzmuskels, denn
- der Transport des "Außen-Ions" Ca++ hängt nach dem Antiport-Prinzip vom Na+-Konzentrationsgradienten ab.
- Ist dieser verringert, verbleibt Ca++ in zunehmendem Maße in der Muskelzelle, wobei sich deren Kontraktion verstärkt.
Weblinks
gängiges Modell
- Lehrbuch-Darstellung
- Na-K-ATPase und aktiver Transport (eng.)
- Animation: Antiport
- Animation: elektrogene Pumpe (eng.)
contra
- Theorie, die die Natrium-Kalium-Pumpe ersetzt
- Warum sie bis heute kontrovers gesehen wird
- Zweifel sind nicht erlaubt