משאבת נתרן-אשלגן

גילוי המשאבה

הרכב הציטוזול (הנוזל התוך-תאי) שונה מאד מהנוזל החוץ-תאי. בין היתר ניתן למצוא ריכוז גבוה של יוני אשלגן בתוך התא וריכוז גבוה של יוני נתרן מחוץ לתא. מעקב אחר תנועת יונים עם סימון רדיואקטיבי של העלה שתנועת אשלגן ותנועת נתרן תלויות זו בזו, מכאן שייתכן שאותו גורם אחראי על הובלת שני היונים.
בשנות ה-50 של המאה ה-20 גילה המדען הדני ינס סקואו (Jens Skou) את משאבת נתרן-אשלגן. גילויו התפרסם בספרות המדעית ב-1957. היה זה צעד חשוב בהבנת מנגנוני ההובלה של יונים אל תוך תאים והחוצה מהם. ב-1997 הוענק לסקאו פרס נובל לכימיה על היותו ראשון המגלים של אנזים הובלת יונים.

הרכב ומנגנון פעולה

משאבת נתרן-אשלגן מורכבת מקומפלקס של שני חלבונים, הראשון מכונה α ולו משקל מולקולרי של כ-100,000 והשני מכונה β ולו משקל מולקולרי של כ-55,000. נראה שחלבון β בעיקר מקבע את המשאבה לקרום התא, בעוד שחלבון α נקשר ליוני נתרן ואשלגן וחלקו פועל כזרז לפירוק ATP (אדנוזין תלת-זרחתי, ATPase).
הצעד הראשון בפעילות המשאבה הוא קישור לשלושה יונים של נתרן תוך-תאי. לאחר מכן נלכדת מולקולה עתירת אנרגיה המכונה אדנוזין תלת-זרחתי (ATP) המאפשרת את המשך התהליך. המשאבה מזרזת הידרוליזה של האדנוזין הגורמת לזירחון של המשאבה ולשחרור האדנוזין כאדנוזין דו-זרחתי (ADP).
החיבורים משנים את מבנה המשאבה כך שיוני הנתרן נחשפים לנוזל החוץ-תאי, למשאבה המזורחנת אפיניות נמוכה ליוני נתרן והם משתחררים לנוזל החוץ-תאי. לחלק החיצוני (מחוץ לתא) של המשאבה נקשרים שני יוני אשלגן הגורמים לשחרור קבוצת הזרחה מהמשאבה ומכאן לשינוי מבנה החושף את יוני האשלגן לנוזל התוך-תאי.
ללא קבוצת הזרחה עולה האפיניות של המשאבה ליוני נתרן ושלושה מהם נצמדים למשאבה במקום יוני האשלגן שמשתחררים ממנה אל תוך התא. אדנוזין תלת-זרחתי נצמד למשאבה והתהליך חוזר על עצמו.
בכל מחזור פעילות משתמשת המשאבה במולקולת אדנוזין תלת-זרחתי אחת כדי להוציא שלושה יוני נתרן מהתא ולהכניס שני יוני אשלגן אל תוך התא.

תפקודים

פעילות משאבות נתרן-אשלגן משפיעה על מנגנוני תא מרכזיים בחשיבותם ואף חיוניים. תהליכים כגון יצירת מתח מנוחה על קרום התא, יצירת תנאים הכרחיים להובלה של חומרים שונים לתוך התא ומחוצה לו בדרך של הובלה פעילה שניונית ושמירה על נפח התא, תלויים בתפקוד תקין של משאבות נתרן-אשלגן.
מתח מנוחה הוא הפרש פוטנציאל חשמלי הנשמר בין שני צדדיו של קרום התא. מתח מנוחה יימצא בכמעט כל תא והוא הבסיס ליכולת תאים בעלי כושר התעוררות (כגון תאי עצב ותאי שריר) להעביר לאורכם אותות ודחפים עצביים. אחד התנאים להיווצרות מתח מנוחה הוא הבדל בריכוז יונים משני עברי קרום התא. משאבות נתרן-אשלגן יוצרות ריכוז גבוה של אשלגן בתוך התא וריכוז גבוה של נתרן מחוץ לתא וריכוזים אלו מאפשרים היווצרות מתח על קרום התא. גם המעבר הא-סימטרי של היונים משפיע על מתח קרום התא, שכן המשאבה מוציאה שלושה יונים חיוביים ומכניסה שני יונים חיוביים בכל מחזור פעילות, כך שנוצר מעבר של מטען חיובי אחד נטו מחוץ לתא בכל מחזור פעילות.
הובלה פעילה שניונית תלויה בהפרש ריכוזים של יונים, בעיקר בריכוז גבוה של יוני נתרן מחוץ לתא. חלבוני הובלה בקרום התא מנצלים את האנרגיה הגלומה במעבר יוני נתרן בפעפוע מריכוזם הגבוה מחוץ לתא אל ריכוזם הנמוך בתוך התא. ההובלה הפעילה השניונית מתקיימת בשתי דרכים: כהובלת-יחד וכהובלת-נגד. בהובלת-יחד מוכנסים החומרים יחד עם יוני הנתרן, שכן חלבוני ההובלה יאפשרו מעבר של יון נתרן בתנאי שהחומר המובל ייקשר גם הוא לחלבון. גלוקוז וחומצות אמינו מועברים בדרך זו בעיקר במעי ובנפרונים. בדרך זו פועלות גם משאבת נתרן-אשלגן-כלוריד המובילה לתוך התא שני יונים של כלוריד יחד עם יון נתרן אחד ויון אשלגן אחד ומשאבת אשלגן-כלוריד המובילה כלוריד יחד עם אשלגן אל מחוץ לתא. משאבות הובלת-נגד מאפשרות ליון נתרן להיכנס לתא בתנאי שהחומר אותו הן מובילות יצא מהתא. בין היתר פועלות כך משאבת נתרן-סידן ומשאבת נתרן-מימן המוציאות מהתא סידן ומימן בהתאמה.
נפח התא מושפע מלחץ אוסמוטי הגורם לכניסת מים לתא או ליציאת מים מהתא לפי ריכוז החלקיקים משני עברי קרום התא. בתוך התא תרכובות אורגניות וחלבונים רבים, לרובם מטען חשמלי שלילי. סביבם נאספים יונים בעלי מטען חיובי. ריכוז גבוה של חלקיקים שאינם יכולים לחצות את קרום התא, גורם למים להיכנס לתא ולהעלות את נפחו עד כדי הרס התא. משאבות נתרן-אשלגן מוציאות חלקיק אחד נטו בכל מחזור פעילות שיכולתו לחזור לתוך התא נמוכה (עקב החדירות הקטנה של קרום התא ליוני נתרן) ובדרך זו מקטינות את מספר החלקיקים בתוך התא ומווסתות את נפח התא. כאשר נפח התא גדל, מתגברת פעילות משאבות הנתרן-אשלגן והעלייה בנפח נבלמת.